贯通式同相供电系统技术经济性分析

李销键，解绍锋，蒋 俊



贯通式同相供电系统技术经济性分析

李销键，解绍锋，蒋 俊

结合单三相组合式同相供电技术特点，基于既有异相牵引供电系统牵引负荷实测数据，对既有牵引供电线路进行改造方案研究。分别对“只采用组合式同相供电技术而未全线贯通”及“采用组合式同相供电技术和新型双边供电技术使全线贯通”2种方案牵引变压器和补偿装置的容量进行计算和配置，分析并比较2种方案在安装容量上的差异，以工程经济学中的投资回收期指标讨论分析采用贯通式同相供电技术对既有线路进行改造的经济性，为贯通式同相供电系统工程推广提供参考。

组合式同相供电技术；新型双边供电技术；贯通式同相供电系统；补偿容量；工程经济性

0 引言

为了解决三相电压不平衡问题及牵引供电系统电分相问题，同相供电技术受到了广泛关注。大功率电子器件的发展和应用减少了同相供电技术中补偿装置的建造成本，为同相供电技术的应用提供了很好的基础条件。文献[1]提出了基于有功功率补偿器（APC）的同相供电系统，并对同相供电的性能进行了验证；文献[2，3]对基于对称式补偿的同相供电技术作了详细研究；文献[4～6]将单相牵引变压器与有源潮流控制器（PFC）相结合，提出了一种先进的组合式同相牵引供电系统，并仿真验证了控制算法的有效性，同时提出了工程应用的实验方案；文献[7]提出新一代牵引供电系统，即在同一电力系统内实现电气化铁路无分相的同相贯通供电系统。

由于近几年对同相供电技术的研究才趋于成熟，对其工程化推广和经济性的研究较少，本文主要评价贯通式同相供电系统的经济效益，为其工程应用和推广提供依据。

1 组合式同相牵引供电技术

组合式同相供电系统由牵引变压器TT和同相补偿装置CPD组成（图1）。同相补偿装置CPD由高压匹配变压器HMT、交直交变流器ADA、牵引匹配变压器TMT以及交流电抗器L等构成[7]。高压匹配变压器为YNd11接线，与单相牵引变压器构成平衡接线，其中连接交直交变流器的端口与牵引变压器端口的电压相位差为90°。

2 新型双边供电技术

双边供电是将分区所处分相中的断路器合上，使2个相邻牵引变电所的牵引网连通，2个变电所同时对处于变电所中间的牵引负荷供电。

采用双边供电后，牵引网成为电力系统的支路，电力系统负荷会在牵引网中形成较大的“均衡电流”，可能会影响电力系统的安全运行，该双边供电方案不被电力系统接受。新型双边供电方案是在牵引变电所出口的牵引馈线处串联电抗器，如图2所示。

图1 单三相组合式同相供电方案

图2 新型双边供电系统

3 贯通式同相供电系统

3.1 贯通式同相供电系统组成

贯通式同相供电系统由组合式同相供电系统结合新型双边供电技术组成，如图3所示。组合式同相供电取消了牵引变电所的电分相，新型双边供电取消了异相供电分区所处的电分相，实现了牵引变电所之间的贯通供电。

图3 贯通式同相供电系统

3.2 贯通式同相供电系统分析

当牵引网为异相供电时，某一牵引变电所的负荷大小为P，理论上，贯通供电时每个牵引变电所容量平均（最小）值应为

牵引变电所的P在实际中是不断变化的，假设P的最大值为maxk，由于每个牵引变电所的负荷不可能同时达到最大值，因此在贯通式同相供电时，各变电所的容量应满足

式（2）说明贯通式同相供电时，牵引变电所的总容量比异相供电时牵引变电所的总容量小，更加具有经济性[11]。

4 改造方案容量计算

对异相牵引供电系统进行同相供电改造，改造方案有2种，方案一“只采用组合式同相供电技术而未全线贯通”，方案二“采用组合式同相供电技术和新型双边供电技术使全线贯通”。本文采用某高铁线路3个牵引变电所的馈线电流实测数据，取变压器过负荷系数为2，计算出异相供电时3个牵引变电所的计算参数如表1所示，其中TT1a、TT1b代表牵引变电所1中两供电臂，其他依此类推。

表1 牵引变电所异相供电时计算参数

计算方案一中牵引变电所的计算参数时，将2个供电臂馈线电流合二为一，即F=a+b。计算方案二中牵引变电所计算参数时，由于整个牵引网全线贯通，因此需要计算潮流的分配。根据文献[12]将牵引变电所归算到电力系统侧后计算出分流系数如图4，数值如表2。根据分流系数和馈线电流数据可计算贯通式同相供电系统的负荷数据。

图4 分流系数示意图

表2 分流系数值

电力系统短路容量为1 500 MV·A，根据文献[7]中容量计算式，方案一和方案二计算参数如表3、表4所示，表中容量单位为MV·A，电流单位为A。

从表3和表4可以看出，方案二变压器安装容量小于既有异相供电系统变压器安装容量，符合本文3.2节中分析结论。采用方案二相较于方案一不仅可以减小补偿装置（CPD）的安装容量，还可以减小牵引变压器的安装容量，更加适合工程应用。

表3 组合式同相供电系统计算参数

表4 贯通式同相供电系统计算参数

5 贯通式同相供电系统经济性分析

在评估经济性时，新增费用主要从设备投资成本、电费和人力成本考虑，收益主要从节省固定容量和运能提升2方面考虑。

5.1 节省固定容量电费

目前我国对铁路牵引供电系统大多采用两部制电价法。收取基本电费时，异相供电3个牵引变电所需要缴纳固定电费的容量为200 MV·A，采用贯通式同相供电系统需要缴纳固定电费的容量为150 MV·A，固定容量电费按25元/（kV·A·月）计算，每年可节约固定电费1 500万元。

5.2 运能提升的收益

铁路牵引网的电分相取消后可以节约一定的运行时间，如果在节约的时间内增开列车，将有益于提升铁路的运能。以京沪高铁为例，每日上下行发车数各为37列，每车过一次分相损失时间按2 s计算，那么在3个牵引变电所区间5个电分相节约的时间约为6.2 min，上下行可以各增发一列CRH380A系列列车。京沪高铁运营公里数为1 318 km，根据表5以90%上座率计算出京沪高铁CRH380A列车每公里票价收益为201元，该供电区间运营里程为152 km，则在该供电区间内每年新增运费收益为2 230万元。

表5 CRH380A参数

5.3 新增费用分析

CRH380A系列编组列车额定功率为9.6 MW，运行时消耗的功率按85%计算，每列车在152 km的路段内带电运行的时间按照0.5 h计算，那么每年新增消耗的电能为

= 9.6×0.85×0.5×365×2 = 2 978.4 MW·h

按工业用电电费平均值0.79 元/kW·h计算，则每年新增消耗电费为235万元。

同相供电装置的电能损耗为10 MV·A，每小时耗能100 kW，每天考虑4 h的空窗期，3个牵引变电所同相供电装置（CPD）一年电费为167万元。

上下行各增加一列列车，新增人工费用按一年365万元一列车计算，共730万元。

5.4 改造成本分析

既有牵引变电所改造投资成本如表6，其中单相牵引变压器可沿用既有变压器，不需投入资金。

表6 改造投资成本 万元

5.5 总体投资收益分析

综上所述，可列出进行贯通式同相供电系统改造后的经济损益表，如表7所示。

考虑资金时间价值为动态投资，不考虑资金时间价值为静态投资，收益分析时同时考虑动态和静态投资。评价的标准为：若方案的投资回收期小于或等于铁路行业基准投资期（16.7年），那么该方案可行。

表7 经济损益统计

若某项目投入使用达产后的年净收益相等，或使用每年的平均收益计算，投资回收期表达式为

t=/（3）

式中，t为投资回收期（年）；为全部投资；为等额净收益或年平均净收益。

根据式（3）及表7可计算出在两部制电价计费的情况下静态投资期为5.39年。

动态投资期是指考虑资金的时间价值的条件下按设定的利率收回全部投资所需要的时间，当用现金流表计算时，计算式为[13]

根据表7列出贴现现金流如表8，根据动态投资回收期的计算式（4），可知动态投资期为

静、动态投资期均小于铁路行业基准投资期16.7年，由此看出，贯通式同相供电技术适用于工程推广应用。

表8 贴现现金流表

注：表中金额单位为万元。

6 结语

通过对贯通式同相供电系统进行分析，采用实例数据进行容量参数计算得出：组合式同相供电方案和贯通式同相供电方案的牵引变压器安装容量均小于既有异相供电方式，贯通式同相供电方案不仅可以减小补偿装置（CPD）的安装容量，还可以减小牵引变压器的安装容量；通过对贯通式同相供电系统的静/动态投资期进行计算分析，其结果均小于铁路基准投资期，贯通式同相供电系统能在较短时间内收回投资成本，适用于工程应用推广。

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With connection of technical characteristics of single three phase combined type co-phase power supply system, and on the basis of existing tested data of traction loads of out phase traction power supply system, the researches are made for the scheme for reconstruction of existing traction power supply system line. The calculation and configuration are made for capacities of traction transformers and compensation devices by implementing two schemes of “adopting of combined type co-phase power supply technology without connecting through the whole line” and “adopting of combined type co-phase power supply technology and new type of bilateral power supply technology with connecting through the whole line”. Analysis and comparison are made for the differences between the two schemes in terms of installation capacity, and the analysis is still made for the economical efficiency for reconstruction of existing line by adopting of co-phase power supply, technology on the basis of the investment payback period indicator in the engineering economics, providing references for promoting and application of the through type co-phase power supply system.

Combined type co-phase power supply technology; new type bilateral power supply technology; through type co-phase power supply system; capacity for compensation; engineering economic efficiency

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.06.005

U223.6

A

1007-936X(2018)06-0024-05

2018-03-16

李销键，蒋 俊.西南交通大学电气工程学院，硕士研究生；

解绍锋.西南交通大学电气工程学院，教授。