基于背靠背变流器的铁路牵引供电节能效益评估.pdf

电器与能效管理技术(2 0 2 3No.6)能效管理基于背靠背变流器的铁路牵引供电节能效益评估明亮1.2（1.国网浙江新兴科技有限公司，浙江杭州2.国网浙江省电力有限公司双创中心，浙江杭州310 0 0 0）摘要：再生制动电能反送电网的问题广泛存在于铁路牵引供电系统中，影响电能质量且不利于电能的高效利用。为实现牵引供电系统的节能，科学利用再生制动电能成为了关键举措。以加装背靠背变流器实现铁路牵引供电节能为对象，建立了背靠背变流器的控制策略及经济性模型，以内部收益率为评估指标，利用实际牵引负荷和典型参数，分析了加装背靠背变流器的节能效益。算例结果表明,加装背靠背变流器的节能效益可观，具备投资价值。关键词：铁路牵引供电；再生制动电能；背靠背变流器；节能；内部收益率中图分类号：TM922.3文献标志码：A文章编号：2 0 9 5-8 18 8（2 0 2 3)0 6-0 0 7 0-0 5D0I:10.16628/ki.2095-8188.2023.06.011Energy-Saving Benefit Evaluation of Railway TractionPower Supply Based on Back-to-Back Converter(1.State Grid Zhejiang Xinxing Technology Co.,Ltd.,Hangzhou 310000,China;2.Center of MassEnterpreneurship and Innovation,State Grid Zhejiang Electric Power Co.,Ltd.,Hangzhou 310000,China)Abstract:Regenerative braking power feedback widely exists in railway traction power supply system,whichaffects power quality and efficient utilization of electric energy.In order to achieve energy-saving of traction powersupply system,the scientific utilization of regenerative braking power has become a key measure.The installation ofback-to-back converter is taken as the research object to realize the energy-saving of railway traction power supply.The control strategy and economic model of back-to-back converter are established.The energy-saving benefit ofinstalling back-to-back converter is analyzed using actual traction load and typical parameters with internal rate ofreturn as evaluation index.The results show that the installation of back-to-back converter can achieve theconsiderable energy-saving benefit and has investment value.Key words:railway traction power supply;regenerative braking power;back-to-back converter;energy saving;internal rate of return0引言“双碳”目标的提出为我国能源发展向低碳转型奠定了基调，也对交通领域的发展带来深远的影响 2 。电气化铁路是电网规模最大的用电负荷 3，根据2 0 2 0 年铁道统计公报，截至2 0 2 0 年底，全国铁路营业里程为14.6 3万km，电气化率为72.8%。铁路作为国之重器，在其快速发展的同一 7 0 一310000;WU Mingliangl-2时，节能也是不可忽视的一项工作。2 0 2 1年10月2 4日，国务院印发2 0 30 年前碳达峰行动方案,将“交通运输绿色低碳行动”作为一项重点行动,对铁路的综合能耗下降提出了要求。2 0 2 1年12 月2 3日,国家铁路局印发“十四五”铁路科技创新规划，推动铁路行业低碳节能发展，推广铁路行业的智能友好并网技术。铁路系统的年耗电量超过7 0 0 亿kWh4,其中大部分电能由牵引供电消耗 5,因此牵引供电领域的节能是提高邬明亮（19 9 2),男，工程师，主要从事光伏储能技术研究。能效管理电器与能效管理技术(2 0 2 3No.6)铁路整体能效的关键。提高再生制动电能的回收利用效率是提高牵引供电领域电能利用效率的重要途径 6 9 。根据线路的坡度、繁忙程度、运行车辆不同，牵引供电系统再生制动电能占总用电量的比例为1.12%30%不等 3,10 14。据统计，仅有45%50%的再生制动电能能够被同供电臂上的其他列车消耗，其余电能需经牵引变压器反送至电网 4.1。O值得注意的是，牵引负荷通常具有波动频繁、功率因数低、不平衡、谐波含量大的特性 15-16 ,造成反送至电力系统的再生制动电能同样具有相似的特性。再生制动电能的“垃圾电”属性使得其无法被纳人正常的反向计量范围 17 甚至可能引起惩罚性收费。对于电网而言，这部分电能质量差，易污染电网；对于铁路部门，这部分电能的反送意味着从电网吸收的有功功率没有被充分利用，还存在被罚款的可能,是造成经济损失的一大原因。综上所述,科学利用再生制动电能是牵引供电系统节能的关键，也是能够使电网和铁路部门双赢的有效措施。本文提出了利用背靠背变流器实现牵引供电节能的控制策略，建立经济性模型，并对节能效益进行评估，分析方法与结论可用于铁路节能改造的投资决策。1?牵引供电系统及负荷分析电气化铁路牵引供电系统是一种特殊的两相供电系统，通过牵引变压器与电网连接,牵引变压器实现了从三相到两相的电能变换，其低压侧分别接供电臂供电臂,从而向铁路线路两侧的电力机车供电。牵引供电区间内的电力机车与供电臂供电臂的电能流动是双向的,在电力机车制动时，产生的再生制动电能仅有在同供电臂内存在处于牵引状态的电力机车时才能被回收利用，否则需经牵引变压器反送至电网。牵引供电系统的结构示意如图1所示。电能流动方向供电臂吉图1牵引供电系统的结构示意某牵引变电站的实测日有功负荷曲线如图2所示。由图2 可见，牵引供电系统与电网之间无论是正向功率还是反向功率都有功率等级大、波动频繁、不平衡的特性。50250-2505025-250图2 某牵引变电站的实测日有功负荷曲线牵引负荷及电量如表1所示。通过表1对图2 的牵引负荷进行分析可见，牵引供电系统中存在大量反送电网的再生制动电能，若将这部分电能有效利用起来，可显著提高牵引供电的用电效率，同时避免对电网造成负面影响。表1牵引负荷及电量最大牵引最大制动牵引制动制动供电功率/功率电量/电量/电量/牵情况MW臂44.3臂35.1两臂54.52背靠背变流器及控制策略针对电气化铁路特殊的供电形式，采用背靠背变流器实现两供电臂再生制动的回收利用，以V型接线牵引供电系统为例，背靠背变流器通过电网两台降压变压器连接于臂臂之间,降压变压牵引变压器器的低压侧分别与两台单相四象限变流器连接，供电臂两台单相四象限变流器共用一个直流侧电容，构成背靠背结构。背靠背变流器拓扑结构如图3所示。图3中,Pl、Pi g 分别为供电臂、供电臂一.7 1 一148时间/h(a)相48时间/h(b)相MWMWh17.7163.220.3109.821.1273.012121616MWh引电量/%5.63.4315.113.7520.77.5820202424电器与能效管理技术(2 0 2 3No.6)能效管理供电区间内的牵引负荷有功功率,其方向为双向;Pc、Ps 分别背靠背变流器与供电臂、供电臂之间的有功功率流动，其方向也为双向。背靠背变流器的控制策略如表2 所示。设P,表示背靠背变流器中每一侧单相变流器的容量,其原则：当两供电臂出现一供电臂消耗电能，另一供电臂反送电能的情况时,在不引起前一供电臂反送电能的前提下,尽可能多地将后一供电臂的反送电能转移至前一供电臂。条件Pl.PRP.=0PlP,P=0P.a=00PreP,Pe=0P.-Pp-P,P0Pes=PvePe=P,Pa-P.Pe=-P.3节能效益评估3.1节能改造成本加装背靠背变流器的节能改造成本包括初始投资成本和运维成本。初始投资成本指的是为节能改造而产生的一次性投入资金,其中与设计、土建等相关的费用相对固定，可视为固定成本；背靠背变流器等设备费用通常与容量成正比 18,19 ,初始投资成本C,为C;=Cr+k;P.(1)式中：C固定成本;k;一一单位容量的投资成本。运维成本指的是背靠背变流器在运行过程中所产生的运维支出，通常与背靠背变流器的容量成正比。用Com（y)表示每年的运维成本,则Com(y)=kom P,式中：km单位容量的年运维成本；y一年。3.2节能改造收益节能改造收益指的是通过背靠背变流器实现两供电臂间的电能转移，减少牵引供电系统向电一7 2 一电网牵引变压器Pla.供电臂Pco背靠背变流系统图3背靠背变流器拓扑结构表2 背靠背变流器控制策略0PlP,P.a=0P.=0P.=0Pes=0Pe=min Pla,-PyePep=-min Pla,-Pup Pea=PiaPe=-Pla网取用电能从而降低的电费。Q.表示一天内背靠背变流器累计吸收的电能，Q.表示一天内背靠背变流器累计释放的电能，则年节能收益Bec(y)为365Be(y)=ZQ.AB=ZnQ.ABd=1d:二式中：背靠背变流器的平均效率；B。单位电价;d一天。3.3丝经济性评价方法及指标针对牵引供电系统加装背靠背变流器进行节能改造作以下假设。（1）忽略建设期、价差、设备残值等影响造价的因素；(2)（2 考虑到牵引负荷的日周期性 2 0 1，假设牵引负荷不变,即每日的节能量固定；（3）假设背靠背变流器寿命期内牵引供电系统的电价保持不变。内部收益率(IRR)是评价节能改造项目盈利能力的常用动态指标，是进行投资决策的重要依供电臂P-P,Pl0Pl-P,Pea=PiaP.a=-P.Peg.=,-PlaPe=P.Pec=-min-Pla,Pp Pa=-PPep=min-Pla,-P,pPas=PveP=0P=0Pe=0P=0P.=0Pe=0Pe=0Pe=0365(3)Pi能效管理电器与能效管理技术(2 0 2 3No.6)据。IRR指的是项目所有成本和收益的现值总额相等,即净现值等于零时所对应的折现率。在加装背靠背变流器的节能改造中,IRR满足：TBee(y)-Com(y)-C.+2y=1式中：T一改造项目的寿命期;RIR内部收益率。对于一般的投资项目，一般认为内部收益率大于8%时项目具备投资价值 2 1。4算例分析在上文所述控制策略及节能效益评估模型的基础上，可对牵引供电系统加装背靠背变流器的节能效益进行计算。节能效益评估基准条件如表3所示。其中电价参考浙江地区2 2 0 kV大工业用电电价。表3节能效益评估基准条件C/kom/（元W-l）（元W-）（元kWh-)元2 10背靠背变流器容量变化时，牵引供电系统可通过背靠背变流器实现两供电臂之间转移的电量。变流器容量与转移电量的关系如图4所示。16840图4变流器容量与转移电量的关系由图4中可见，当背靠背变流器的容量 12 MW时,转移电量基本保持固定，而通过上文可知，牵引供电系统两供电臂的制动功率均 12 MW，说明此时牵引负荷的特性是影响转移电量的首要因素。研究不同固定成本、容量成本、电价下加装背靠背变流器的内部收益率与变流器容量的关系。不同条件下的内部收益率如图5所示。=0(4)(1+Rir)*AB.20.0548变流器容量/MW3020%/率100222018-1016141234-200302010020T/-10%a0.624 195101216*固定成本降低2 0%一固定成本降低10%+基准固定成本一固定成本增加10%固定成本增加2 0%244(a）固定成本变化时的内部收益率*容量成本降低2 0%一容量成本降低10%一基准容量成本一容量成本增加10%一容量成本增加2 0%25151234-20030201002520-1015101234-20020图5不同条件下的内部收益率分析图5可得以下结论：(1)加装背靠背变流器的节能效益可观,在基准边界条件下，变流器容量在0.4 6.8 MW均可实现内部收益率达到8%的阈值，此时加装背靠背变流器具备投资价值；内部收益率在变流器容量为2 MW时取得最大值，为2 0.7%。(2)结合图4,当变流器容量 6.8 MW时，由于转移电量随变流器容量增大而增大的速率减缓，新增的变流器容量无法带来充足的边际收益，因此此时容量成本是内部收益率不足的原因。(3)在固定成本、容量成本、电价变化时，内部收益率随变流器容量的变化趋势基本保持一致，但在固定成本、容量成本变化时，内部收益率取得最大值的变流器容量发生变化。当固定成本变化时，内部收益率取得最大值的变流器容量与固定成本正相关；当容量成本变化时，内部收益率取得最大值的变流器容量与容量成本负相关。(4)在基准边界条件下,不同因素对内部收益率的影响程度为电价 容量成本 固定成本。5 结 语本文利用典型参数，结合实测牵引负荷数据，对牵引供电系统加装背靠背变流器的节能效益进行评估，主要结论如下：(1)加装背靠背变流器的节能效益可观，具备投资价值。(2)加装背靠背变流器的经济性在变流器容量较小时主要受固定成本影响，在变流器容量较大时主要受容量成本影响。(3）加装背靠背变流器取得最大内部收益率的变流器容量与固定成本正相关，与容量成本负相关。(4)不同因素对加装背靠背变流器的内部收益率的影响程度为电价 容量成本 固定成本。【参考文献】【1郑漳华，倪宇凡，冯利民，等.欧洲能源发展趋势分析及其对能源碳中和的启示 J.电器与能效管理技术,2 0 2 1(10):1-6.2黄黄黎晨，曹乔松.碳中和目标下交通领域绿色发展对策分析 J.城市交通,2 0 2 1,19（5）：36-42.3董志杰，杨振龙，林晨，等.电气化铁路再生电能利用研究 J.电气化铁道,2 0 2 1,32（2）：6-8.4黄文龙，胡海涛，陈俊宇，等.枢纽型牵引变电所再生制动能量利用系统能量管理及控制策略 J.电工技术学报,2 0 2 1,36(3）：58 8-59 8.【5杨播.高速铁路牵引供电系统能耗计算及节能评估 J.铁道运输与经济，2 0 2 1,43（9）：12 2-12 8.6黄雨涵，丁涛，李雨婷，等.碳中和背景下能源低碳化技术综述及对新型电力系统发展的启示 J.中国电机工程学报，2 0 2 1,41（增刊1）：2 8-51.7王永泽，荆晓霞.日本铁路节能环保新技术应用现状及发展趋势分析 J.铁路节能环保与安全卫生,2 0 2 0,10(5):2 7-32.8孟凡强.铁路实现绿色发展的路径探讨 J.铁路节能环保与安全卫生，2 0 19,9(5）：14-17.9满朝翰.关于铁路节能效应对策研究 J.铁道运输与经济,2 0 18,40(10）:7 6-8 0.10胡海涛，陈俊宇，葛银波，等.高速铁路再生制动能量储存与利用技术研究 J.中国电机工程学报,2 0 2 0,40(1):2 46-2 56,39 1.【11袁佳歆，曲错，郑先锋，等.高速铁路混合储能系统容量优化研究 J.电工技术学报，2 0 2 1，36(19):4161-4169,4182.【12 王科.高速铁路牵引供电系统动态能耗分析及优化研究 D.重庆：西南交通大学,2 0 2 0.13 李昱.京沪高速铁路牵引供电系统能耗分析 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