- 頭條城市軌道交直流統一潮流計算的新算法，節能效果好2020-12-29 作者：劉煒 婁穎 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語西南交通大學電氣工程學院的研究人員劉煒、婁穎、張戩、葉小雯、周瑞兵，在2019年第20期《電工技術學報》上撰文（論文標題為“計及城市軌道逆變回饋裝置的交直流統一供電計算”）指出，城市軌道逆變回饋裝置的供電計算對逆變回饋裝置的系統設計和節能效果評估有著重要的作用。 該文提出一種考慮逆變回饋裝置交流側電壓波動系數和牽引變電所多狀態切換的城市軌道交直流統一潮流計算算法。針對逆變回饋裝置的節能效果評估，提出計及列車發車密度和全日行車計劃的逆變回饋裝置系統級節能效果評估指標。 以某地鐵工程實例為供電計算實例，在全變電所安裝逆變回饋裝置的情況下，牽引網壓的波動得到明顯改善，鋼軌電位下降40.94%，當降壓所負載率為0.2時，逆變回饋裝置系統級節能率為8.71%，節能效果顯著。
近年來，城市軌道交通因其運量大、速度快、無污染等優點在大中型城市中得到了大力的推廣與應用。城市軌道交通采用再生制動方式的電制動時，產生的再生制動能量首先被臨近列車吸收。但是當這些能量不能被其他列車吸收時，牽引網壓會升高，從而影響列車的運行安全。
現有的電阻耗能型吸收裝置會導致隧道內溫度上升，造成熱污染。超級電容儲能裝置存在串聯均壓、占地面積大、投資成本高的問題。飛輪儲能型裝置工作時損耗較大，并且對設備質量和環境要求都很高。
逆變回饋裝置因其能量回饋效率高、兼具無功補償功能、綜合性價比較高等優點在我國城市軌道交通廣泛應用。在國內，重慶、北京、成都、南京等城市軌道供電系統都采用了逆變回饋裝置吸收和再利用列車再生制動能量。
逆變回饋裝置雖已得到廣泛使用，但是含逆變回饋裝置的城市軌道供電計算算法仍不成熟，裝置在系統中的優化配置方法尚待研究，逆變回饋裝置節能效果的評估標準仍不確定。
- 有學者考慮了不同類型的變電站，建立了一套關于直流鐵路網絡功率流模擬的穩態模型。
- 有學者采用改進的牛頓-拉夫遜法和高斯-賽德爾法探討了一種基于整流機組模型的城市軌道牽引供電系統交直流統一的牽引供電計算方法，但該方法中沒有考慮逆變回饋裝置模型。
- 有學者探討了一種考慮換流器之間的聯系以及再生制動工況的交直流混合迭代的方法，該方法中將整流、逆變裝置統一按照晶閘管模型建模，沒有考慮到逆變工況時功率反轉情況。
- 有學者對電壓源換流器（Voltage Source Converter, VSC）進行了合理的穩態建模，提出了交直流混合系統潮流的交替求解算法，但是該交替法均應用于高壓直流輸電，城市軌道牽引供電系統中移動負荷的建模與HVDC系統相比差異較大。
本文對城市軌道牽引變電所的整流、關斷、逆變的多種狀態進行建模，給出了城市軌道逆變回饋裝置的定牽引網網壓、定無功功率的控制模型，提出了一種考慮逆變回饋裝置交流側電壓波動系數和牽引變電所多狀態切換的城市軌道交直流統一潮流計算方法。對城市軌道全日不同發車間隔進行供電計算模擬，提出了計及主變電所返送能量的逆變回饋裝置系統級節能效果評估指標。
以某地鐵工程為算例，研究城市軌道安裝逆變回饋裝置后的牽引變電所交流側有功功率、牽引網壓、鋼軌電位等的變化情況并分析動力負荷負載率為0.2時，全線的系統日回饋能量和系統級節能率，說明該算法的有效性和節能效果評估指標的合理性。
圖1 城市軌道牽引變電所的結構
圖7 城市軌道供電系統交直流統一潮流計算流程
圖8 某地鐵工程供電系統圖
結論
本文對牽引變電所的各工作狀態建立潮流計算模型及狀態切換條件，提出含逆變回饋裝置系統的考慮交流側電壓波動系數和牽引變電所多狀態切換的城市軌道交直流統一潮流計算方法。該算法將城市軌道交流供電系統節點參數、直流牽引網節點參數和逆變回饋裝置參數等統一進行迭代求解。
1）本文提出一種考慮逆變回饋裝置的交流側電壓波動系數和牽引變電所多狀態切換的城市軌道交直流統一潮流計算算法，用于求解含逆變回饋裝置的城市軌道供電計算。該算法收斂性良好。
2）當城市軌道牽引供電系統安裝逆變回饋裝置后，牽引變電所交流側有功功率、牽引網壓、鋼軌電位等會發生變化。全線安裝逆變回饋裝置后，最高牽引網壓下降3.08%，最低牽引網壓升高1.45%，最高鋼軌電位下降40.94%，牽引網壓波動得到改善，鋼軌電位均在安全范圍內。
3）本文提出了計及發車對數與全日發車計劃的逆變回饋裝置系統節能效果評估指標，包括系統日均回饋能量W和系統級節能率◆。根據某工程實例全日仿真結果分析，當負載率為0.2時，W達到14 454.71kW?h，全日節省電費10841.03元，逆變回饋裝置的系統級節能率◆為8.71%，節能效果顯著。
