近年來，城市軌道交通因其運量大、速度快、無污染等優(yōu)點在大中型城市中得到了大力的推廣與應(yīng)用。城市軌道交通采用再生制動方式的電制動時，產(chǎn)生的再生制動能量首先被臨近列車吸收。但是當(dāng)這些能量不能被其他列車吸收時，牽引網(wǎng)壓會升高，從而影響列車的運行安全。

現(xiàn)有的電阻耗能型吸收裝置會導(dǎo)致隧道內(nèi)溫度上升，造成熱污染。超級電容儲能裝置存在串聯(lián)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(shè)備質(zhì)量和環(huán)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(yōu)點在我國城市軌道交通廣泛應(yīng)用。在國內(nèi)，重慶、北京、成都、南京等城市軌道供電系統(tǒng)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(tǒng)中的優(yōu)化配置方法尚待研究，逆變回饋裝置節(jié)能效果的評估標(biāo)準(zhǔn)仍不確定。

• 有學(xué)者考慮了不同類型的變電站，建立了一套關(guān)于直流鐵路網(wǎng)絡(luò)功率流模擬的穩(wěn)態(tài)模型。
• 有學(xué)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(tǒng)交直流統(tǒng)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(xué)者探討了一種考慮換流器之間的聯(lián)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(tǒng)一按照晶閘管模型建模，沒有考慮到逆變工況時功率反轉(zhuǎn)情況。
• 有學(xué)者對電壓源換流器（Voltage Source Converter, VSC）進行了合理的穩(wěn)態(tài)建模，提出了交直流混合系統(tǒng)潮流的交替求解算法，但是該交替法均應(yīng)用于高壓直流輸電，城市軌道牽引供電系統(tǒng)中移動負荷的建模與HVDC系統(tǒng)相比差異較大。

本文對城市軌道牽引變電所的整流、關(guān)斷、逆變的多種狀態(tài)進行建模，給出了城市軌道逆變回饋裝置的定牽引網(wǎng)網(wǎng)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(cè)電壓波動系數(shù)和牽引變電所多狀態(tài)切換的城市軌道交直流統(tǒng)一潮流計算方法。對城市軌道全日不同發(fā)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(tǒng)級節(jié)能效果評估指標(biāo)。

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(cè)有功功率、牽引網(wǎng)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(tǒng)日回饋能量和系統(tǒng)級節(jié)能率，說明該算法的有效性和節(jié)能效果評估指標(biāo)的合理性。

圖1 城市軌道牽引變電所的結(jié)構(gòu)

圖7 城市軌道供電系統(tǒng)交直流統(tǒng)一潮流計算流程

圖8 某地鐵工程供電系統(tǒng)圖

結(jié)論

本文對牽引變電所的各工作狀態(tài)建立潮流計算模型及狀態(tài)切換條件，提出含逆變回饋裝置系統(tǒng)的考慮交流側(cè)電壓波動系數(shù)和牽引變電所多狀態(tài)切換的城市軌道交直流統(tǒng)一潮流計算方法。該算法將城市軌道交流供電系統(tǒng)節(jié)點參數(shù)、直流牽引網(wǎng)節(jié)點參數(shù)和逆變回饋裝置參數(shù)等統(tǒng)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(cè)電壓波動系數(shù)和牽引變電所多狀態(tài)切換的城市軌道交直流統(tǒng)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(dāng)城市軌道牽引供電系統(tǒng)安裝逆變回饋裝置后，牽引變電所交流側(cè)有功功率、牽引網(wǎng)壓、鋼軌電位等會發(fā)生變化。全線安裝逆變回饋裝置后，最高牽引網(wǎng)壓下降3.08%，最低牽引網(wǎng)壓升高1.45%，最高鋼軌電位下降40.94%，牽引網(wǎng)壓波動得到改善，鋼軌電位均在安全范圍內(nèi)。

3）本文提出了計及發(fā)車對數(shù)與全日發(fā)車計劃的逆變回饋裝置系統(tǒng)節(jié)能效果評估指標(biāo)，包括系統(tǒng)日均回饋能量W和系統(tǒng)級節(jié)能率◆。根據(jù)某工程實例全日仿真結(jié)果分析，當(dāng)負載率為0.2時，W達到14 454.71kW?h，全日節(jié)省電費10841.03元，逆變回饋裝置的系統(tǒng)級節(jié)能率◆為8.71%，節(jié)能效果顯著。