学术简报︱计及城市轨道逆变回馈装置的交直流统一供电计算
西南交通大学电气工程学院的研究人员刘炜、娄颖、张戬、叶小雯、周瑞兵，在2019年第20期《电工技术学报》上撰文指出，城市轨道逆变回馈装置的供电计算对逆变回馈装置的系统设计和节能效果评估有着重要的作用。
该文提出一种考虑逆变回馈装置交流侧电压波动系数和牵引变电所多状态切换的城市轨道交直流统一潮流计算算法。针对逆变回馈装置的节能效果评估，提出计及列车发车密度和全日行车计划的逆变回馈装置系统级节能效果评估指标。
以某地铁工程实例为供电计算实例，在全变电所安装逆变回馈装置的情况下，牵引网压的波动得到明显改善，钢轨电位下降40.94%，当降压所负载率为0.2时，逆变回馈装置系统级节能率为8.71%，节能效果显著。
近年来，城市轨道交通因其运量大、速度快、无污染等优点在大中型城市中得到了大力的推广与应用。城市轨道交通采用再生制动方式的电制动时，产生的再生制动能量首先被临近列车吸收。但是当这些能量不能被其他列车吸收时，牵引网压会升高，从而影响列车的运行安全。
现有的电阻耗能型吸收装置会导致隧道内温度上升，造成热污染。超级电容储能装置存在串联均压、占地面积大、投资成本高的问题。飞轮储能型装置工作时损耗较大，并且对设备质量和环境要求都很高。
逆变回馈装置因其能量回馈效率高、兼具无功补偿功能、综合性价比较高等优点在我国城市轨道交通广泛应用。在国内，重庆、北京、成都、南京等城市轨道供电系统都采用了逆变回馈装置吸收和再利用列车再生制动能量。
逆变回馈装置虽已得到广泛使用，但是含逆变回馈装置的城市轨道供电计算算法仍不成熟，装置在系统中的优化配置方法尚待研究，逆变回馈装置节能效果的评估标准仍不确定。
有学者考虑了不同类型的变电站，建立了一套关于直流铁路网络功率流模拟的稳态模型。
有学者采用改进的牛顿-拉夫逊法和高斯-赛德尔法探讨了一种基于整流机组模型的城市轨道牵引供电系统交直流统一的牵引供电计算方法，但该方法中没有考虑逆变回馈装置模型。
有学者探讨了一种考虑换流器之间的联系以及再生制动工况的交直流混合迭代的方法，该方法中将整流、逆变装置统一按照晶闸管模型建模，没有考虑到逆变工况时功率反转情况。
有学者对电压源换流器（Voltage Source Converter, VSC）进行了合理的稳态建模，提出了交直流混合系统潮流的交替求解算法，但是该交替法均应用于高压直流输电，城市轨道牵引供电系统中移动负荷的建模与HVDC系统相比差异较大。
本文对城市轨道牵引变电所的整流、关断、逆变的多种状态进行建模，给出了城市轨道逆变回馈装置的定牵引网网压、定无功功率的控制模型，提出了一种考虑逆变回馈装置交流侧电压波动系数和牵引变电所多状态切换的城市轨道交直流统一潮流计算方法。对城市轨道全日不同发车间隔进行供电计算模拟，提出了计及主变电所返送能量的逆变回馈装置系统级节能效果评估指标。
以某地铁工程为算例，研究城市轨道安装逆变回馈装置后的牵引变电所交流侧有功功率、牵引网压、钢轨电位等的变化情况并分析动力负荷负载率为0.2时，全线的系统日回馈能量和系统级节能率，说明该算法的有效性和节能效果评估指标的合理性。
图1 城市轨道牵引变电所的结构
图7 城市轨道供电系统交直流统一潮流计算流程
图8 某地铁工程供电系统图
本文对牵引变电所的各工作状态建立潮流计算模型及状态切换条件，提出含逆变回馈装置系统的考虑交流侧电压波动系数和牵引变电所多状态切换的城市轨道交直流统一潮流计算方法。该算法将城市轨道交流供电系统节点参数、直流牵引网节点参数和逆变回馈装置参数等统一进行迭代求解。
1）本文提出一种考虑逆变回馈装置的交流侧电压波动系数和牵引变电所多状态切换的城市轨道交直流统一潮流计算算法，用于求解含逆变回馈装置的城市轨道供电计算。该算法收敛性良好。
2）当城市轨道牵引供电系统安装逆变回馈装置后，牵引变电所交流侧有功功率、牵引网压、钢轨电位等会发生变化。全线安装逆变回馈装置后，最高牵引网压下降3.08%，最低牵引网压升高1.45%，最高钢轨电位下降40.94%，牵引网压波动得到改善，钢轨电位均在安全范围内。
3）本文提出了计及发车对数与全日发车计划的逆变回馈装置系统节能效果评估指标，包括系统日均回馈能量W和系统级节能率。根据某工程实例全日仿真结果分析，当负载率为0.2时，W达到14 454.71kW·h，全日节省电费10841.03元，逆变回馈装置的系统级节能率为8.71%，节能效果显著。