中国天辰技术人员提出中压柔性直流铁路牵引供电系统的运行域模型
单相工频交流牵引供电系统自20世纪50年代研制成功后，以其良好的经济性沿用至今。随着铁路高速化、重载化发展，单相工频交流牵引供电系统面临电分相导致的机车速度损失和接触网电压闪变问题，以及负序、谐波和无功等电能质量问题，影响电气化铁路的安全、绿色运营。针对上述问题，研究人员开展了对铁路新型牵引供电制式的探索。近年来，基于全控型电力电子器件的柔性直流技术在输配电领域的快速发展，催生了中压柔性直流铁路牵引供电系统。该系统采用模块化多电平换流器（modular multilevel converter, MMC）进行交直流变换，可完全取消电分相，实现全线贯通供电，解决了机车速度损失、接触网电压闪变及电能质量问题。此外，该系统中的MMC易于实现潮流反转，使机车再生制动产生的能量得以回流利用。在此背景下，中压柔性直流铁路牵引供电系统获得了广泛关注，国铁集团已于2021年启动科研开发计划重点课题《电气化铁路柔性直流供电技术研究》。目前，中压柔性直流铁路牵引供电系统仍在探索中。现有文献论述了其结构与优势，并围绕其运行控制开展研究。有关研究虽有助于提高中压柔性直流铁路牵引供电系统的安全性，但为获取机车各运行位置下系统供电安全状态，还需对系统进行在线供电安全性评价，关于此问题，尚无文献报道。反观单相工频交流牵引供电系统，接触网电流过载、机车网压越限是影响供电安全的主要问题，现有研究对接触网电流、机车网压分别单独进行监测和评估。由牵引网潮流模型可知牵引网各类电气变量相互关联，若能通过对最少变量的监测来完整描述系统的供电安全状态，则可减少监测成本，且便于铁路调度部门对系统供电安全性的整体把控，进而指导优化行车组织方式。运行域刻画了系统安全运行的最大允许范围，要求以能完整描述系统状态的一组无冗余变量建立工作点，可根据工作点是否在运行域内直观判断系统状态是否安全，还可采取预防控制措施，提高安全裕度。有学者提出主动配电网中分布式电源和微电网运行域的模型，但因采用仿真方法，未能得到完整反映运行域边界的解析表达式。还有学者建立交流配电网和柔性直流配电网的运行域模型，采用解析法求得运行域解析表达式。对中压柔性直流铁路牵引供电系统开展运行域研究，能够通过对最少关键变量的监测实现系统在线供电安全性评价。由于牵引负荷具有移动性，配电网的运行域模型不再适用于牵引供电系统。为此，中国天辰工程有限公司的莫少雄在2022年第10期《电气技术》上撰文，首次提出中压柔性直流铁路牵引供电系统的运行域模型，旨在通过对最少变量的监测实现系统供电安全性评价，为中压柔性直流铁路牵引供电系统的安全运行和调度提供参考。作者首先阐述了中压柔性直流铁路牵引供电系统的结构。然后依次建立工作点向量、系统等式约束、系统不等式约束，形成中压柔性直流铁路牵引供电系统运行域模型，并给出模型的解析化求解方法。最后，通过算例求解得到机车牵引电流和机车运行位置需满足的运行域解析表达式，实现对中压柔性直流铁路牵引供电系统的供电安全性评价。据作者介绍，牵引供电安全性评价的任务是在机车运行过程中，分析牵引供电系统的所有电气变量是否均处于各自允许的安全范围内，评价的目的在于指导行车组织方式的优化调整。基于运行域的供电安全性评价方法有可减少监测变量、供电安全状态整体可观可控等优势。基于运行域的供电安全性评价方法如下：求解模型得到机车在各运行位置下牵引电流需满足的运行域解析表达式；据此，以牵引电流为观测量，获取随着机车运行位置实时变化的可视化运行域图像；实时监测工作点涉及的状态变量即机车的牵引电流和运行位置，通过监视工作点是否处在可视化运行域内部，来判断各运行位置下的牵引电流是否满足运行域解析表达式，由此实现供电安全性评价。作者指出，本研究首次将电力系统运行域理论扩展到中压柔性直流铁路牵引供电系统，与现有的配电网运行域模型相比，该模型计及了机车的移动性，因而能适用于中压柔性直流铁路牵引供电系统的供电安全性评价。本研究求得了中压柔性直流铁路牵引供电系统安全运行时机车牵引电流和机车运行位置需满足的运行域解析表达式，准确刻画了中压柔性直流铁路牵引供电系统安全运行的最大允许范围。在一定的机车运行位置下，可根据机车牵引电流是否满足运行域解析表达式即工作点是否在运行域内进行供电安全性评价，实现对中压柔性直流铁路牵引供电系统的在线实时安全监视。作者表示，与现有方法相比，该供电安全性评价方法可通过对最少的变量即机车牵引电流和运行位置的监测来完整描述系统供电安全状态，减少了监测成本。另外，该模型在后续应用中，将根据牵引供电系统各电气量的实测数据，进一步验证基于运行域的供电安全性评价的准确性。本文编自2022年第10期《电气技术》，论文标题为“中压柔性直流铁路牵引供电系统运行域模型”，作者为莫少雄。
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