基于储能的非电气化铁路新型牵引供电系统架构及关键技术

为解决非电气化铁路采用110 kV/220 kV强网传统方案构建电气化铁路牵引供电系统难度大、成本高的问题,提出一种基于储能的以风、光等新能源为主体的新型牵引供电系统。分别从储能技术类别、工作原理、数学模型和典型应用等方面对新型牵引供电系统进行总结,阐明适配新型牵引供电系统的储能技术属性,阐述新型牵引供电系统内涵、特征和形态,并建立新型牵引供电系统的电气拓扑、测控平台、监控网络和管控逻辑架构;面向新型牵引供电系统源-荷随机强波动特征,从整体视角论述组分相互作用机理、系统稳定运行机制、能量流均衡机制和系统效能涌现机理,以及规划与优化配置、电能高效变换、能量自洽调度、效能评估和性能保持等关键技术。结果表明:建立基于储能的非电气化铁路新型牵引供电系统,可实现非电气化铁路的绿色低碳、弹性自洽、经济高效的电气化升级;为后续开展“理论研究-仿真验证-试验验证-评估优化”循环迭代的闭环研究提供参考借鉴。

高速铁路10 kV变配电所馈线保护方式优化研究

铁路10 kV变配电所地方进线电源一般为中性点不接地系统。高速铁路变配电所内的馈线、贯通线多为全电缆线路,发生单相接地故障后,馈线电缆零序保护不跳闸只报警,允许故障馈线带故障运行。然而,电力电缆的绝缘裕度比架空线路的绝缘裕度小得多,承受过电压的能力低,一旦发生单相接地故障,易引起永久性的绝缘击穿,进而发展成为相间故障,使故障范围扩大。本文提出高速铁路变配电所故障馈线小电流选线方法,可准确判断出发生电缆单相接地故障的馈线,避免故障扩大。对于高阻接地故障,提出了采用基于暂态量的综合选线方法,除比对故障和非故障线路的零序电流幅值和相位,还利用暂态无功功率方向进行准确选线。

面向新工科建设的“牵引供电”课程科教融合式教学改革

轨道交通“牵引供电”课程具有知识点涉及多专业、综合性强、行业发展迅速、知识迭代快等特点,针对当前课程教学中的突出问题,以科研方向的交通强国、“双碳”战略和教学方向的新工科建设为双抓手,提出轨道交通“牵引供电”课程科教融合式教学改革方案。结合行业特色院校的学科优势,充分利用多样化软硬件平台,形成以学生为中心的“牵引供电”课程教学模式,提高学生的思想政治认识水平、自主学习能力、理论分析能力、动手实践能力、工程实践能力等,可为培养多样化、创新型、综合型轨道交通行业人才打下坚实的基础。

牵引供电系统宽频带阻抗测试技术及其应用的分析与思考

牵引供电系统阻抗是指从机车或动车组受电弓处向牵引网看去的端口输入阻抗,其在宽频带范围内的变化特性在供电能力评估、稳态潮流计算、谐波谐振治理、机车控制优化等领域均有重要作用。本文对自主研制的牵引供电系统宽频带阻抗测试技术及首套装置进行介绍,并进行测试应用,获得了京沈高铁阜新供电区间8种供电方式下的16组测试数据。本文研究成果验证且丰富了电气化铁路牵引供电专业理论,为既有线供电安全运维、新建线路联调联试提供有力保障,也为未来光伏、风能等清洁能源接入电气化铁路稳定可靠运行提供技术和设备支撑。

去碳化导向的轨道交通与新能源融合发展—形态模式、解决方案和使/赋能技术

该文以轨道交通能源供给去碳化为导向,以构建绿色、弹性、自洽和可持续发展的轨道交通能源系统为目标,尝试探索轨道交通用能需求与可再生能源资源禀赋适配的轨道交通能源供给去碳化技术路径和系统模式。首先,回顾国内外轨道交通既有的牵引供电制式、存在问题、研究方向与典型案例;其次,以可再生能源利用主线,系统阐述轨道交通能源绿色化的场景、模式与演进形态;然后,提出涵盖典型场景技术架构、组分优化配置原则、协同运行控制方法、能量调度管控策略、分层式管控设计的轨道交通与新能源融合系统解决方案;最后,概述支撑轨道交通与新能源融合发展的关键使/赋能技术。

动车组升弓电磁暂态的仿真与测试

用开关的闭合操作模拟受电弓滑板与接触线的触碰过程，进而将动车组和电力机车的升弓过程简化为RLC二阶等效电路模型，并给出其中考虑弧长变化的升弓电弧模型；以CRH2型动车组为例，利用Mat-lab／Simulink仿真软件建立包括接触网电源、受电弓及车顶高压电缆的升弓仿真模型，并进行了试验验证；仿真研究接触网电源等值参数和车顶高压电缆等值参数对升弓电磁暂态的影响，并提出改善对策。结果表明：在车顶电缆等值参数不变的情况下，升弓电磁暂态的振荡频率主要受接触网电源等值电感的影响，持续时间及过电压峰值受其等值电阻和等值电感的共同影响；在接触网电源等值参数不变的情况下，升弓电磁暂态过电压和电缆电流受车顶电缆等值电容的影响；CRH2型动车组升弓电磁暂态过电压峰值可达60~70kV，振荡频率一般在40～70kH2，振荡持续时间一般在0．2～0．8mS；在车顶高压电气系统串联电感和并联RC滤波器可以改善CRH2型动车组升弓电磁暂态。

Scott接线牵引变压器运行特性与等值模型研究

利用漏磁阻抗概念讨论了Scott接线变压器的负载特性 ,特别是中性点电位偏移问题 ;提出了Scott接线变压器的两相等效电路 ,并揭示出了与利用系统坐标变换方法一致的三相—两相阻抗变换关系。

星形延边三角形接线平衡变压器的阻抗匹配与数学模型

星形延边三角形接线平衡变压器是应用于我国电气化铁道的一种新型三相—两相平衡变压器。针对其特殊的接线形式,提出了以磁势平衡方程、绕组连接方程、端口输出方程和电压传递方程为基础的多绕组变压器系统化分析方法。根据理想平衡变压器的技术条件提出了基于绕组之间短路阻抗的阻抗匹配关系式,推广了以前的有关结论。讨论了星形延边三角形接线平衡变压器的等值模型、两相等值电路和中性点不接地运行等问题。给出了星形延边三角形接线平衡变压器在相坐标下的节点导纳矩阵,以便与电力系统其它部分接口进行有关分析。

电气化隧道中的导线—地回路阻抗

在电力系统,特别是在电气化铁道中,会遇到导线架设在隧道中的情况,过去一直采用Carson公式计算隧道中导线的阻抗,但采用Carson公式计算隧道中导线–地回路阻抗存在固有模型误差。在比较半无限平面大地模型和四周无限大地圆形隧道模型基础上,提出电气上的长大隧道概念。结合电气化铁道隧道实例,进行对比计算,给出Carson公式所导致的误差。结果表明阻抗误差随频率的增高而增大,随大地电阻率的增大而减小,即使在工频下仍超过5%。进而从物理概念上分析两种模型的差别,讨论在长大隧道中采用Tylavsky公式的合理性。

十字交叉接线牵引变压器的运行特性(Ⅰ)——数学模型与理论分析

十字交叉接线牵引变压器实际上是三相三绕组变压器,已应用于我国电气化铁道2×25kV自耦变压器(AT)供电系统。针对其特殊的接线形式,采用了以磁势平衡方程、绕组接线方程、端口输出方程和电压传递方程为基础的多绕组变压器系统化分析方法,阐明了负荷电流和可能的零序电流在绕组中的分配关系;推导出了二次侧端口电压方程;给出了该变压器在相坐标下的节点导纳矩阵,以便同电力系统和牵引网接口进行有关分析。最后,分析了省掉变电所内AT和中性点不接地运行等问题。

圆导线内阻抗的数值计算

当考虑集肤效应时,计算圆导线的内阻抗涉及到Bessel函数。在大参数下,直接利用Bessel函数的基本级数展开式并不能给出可靠的结果。利用Bessel函数的多项式近似,本文给出了在大参数条件下计算实心和管状圆柱形导线内阻抗的闭式公式。为方便应用,还给出了不同参数范围下的实心与管状圆柱形导线的集肤电阻比和内电感比曲线。

输电线谐波模型与算法研究

输电线是电力系统的重要元件之一。谐波下输电线模型的精确度直接影响电力系统谐波潮流分析和谐波分布计算的可用性。本文在讨论输电线谐波建模方法基础上，对输电线谐波模型的连续型算法和离散型算法作了较系统的研究，提出了各自有利的应用场合。

适用于AT供电系统的二次侧中点抽出式Scott接线牵引变压器

分析了可用于电气化铁道AT供电系统的二次侧中点抽出式Scott接线变压器电气特性和阻抗取值问题。在对AT供电系统不同接线形式变压器进行技术性能比较的基础上,提出了我国高速客运专线牵引变压器的选型建议。试制了一台50kVA的二次侧中点抽出式Scott接线变压器模型,实际测试结果证明了技术方案的可行性和相关数学模型的正确性。二次侧中点抽出式Scott接线变压器具有抑制负序能力强、能省掉变电所内AT、简化变电所主接线、减小变电所占地面积等优点,具有实际应用价值。

电气化铁路接入电网谐波预评估有关问题分析及谐波国家标准修订建议

针对电气化铁路接入电网谐波预评估中,经常出现公共连接点电压总谐波畸变率合格而牵引变电所向电网注入谐波电流明显超标的结论,分析评估中的谐波标准、谐波电流限值等问题。揭示了谐波国标(GB/T14549—93)确定接入高压环网母线非线性用户的谐波电流允许值的方法存在不足。指出目前电铁接入电网谐波预评估结果不宜直接作为供电方强制要求用电方采取滤波措施的依据。对谐波国标修订中的电压总谐波畸变率限值和谐波电流提出了建议。

电力系统与牵引供电系统三相谐波模型

电牵引负荷谐波在电力系统的分布计算宜采用三相分析法。本文在用节点导纳矩阵法讨论了同步发电机、电力变压器、输电线、并联补偿装置、综合负荷和牵引变电所的三相谐波模型的基础上，建立了全系统的三相谐波模型，从而为应用三相分析法进行谐波分布计算奠定了基础。

同相供电对称补偿的接线形式与补偿装置容量选择

:讨论了同相供电对称补偿的不同接线形式 ,比较了各自的优缺点 ,给出了统一相量图。以满足负序和功率因数电能指标为目标 。

电气化铁道牵引网的统一链式电路模型

针对交流电气化铁道不同供电方式牵引网,建立统一复合链式电路模型。牵引网中的各种电气元件,包括短路和断线故障,都描述为纵向串联元件或横向并联元件。按照链式电路结构,可方便地利用各电气元件的节点导纳矩阵构建出整个牵引网的数学模型。考虑到回流网络存在较大对地漏泄电导,对牵引网均匀多导体传输线段采用多相等值π型电路。在牵引网端部截断处理上,引入了半无限长多导体传输线的特征导纳矩阵模型,利用相–模变换理论给出相关计算公式。牵引网统一数学模型的建立为进一步研究潮流计算,即一定负荷条件下的电压电流分布奠定了基础,同时该模型也可用于牵引网稳态短路电流计算和谐波谐振等研究。

电牵引负荷谐波在三相电力系统中的分布计算——算法、程序设计与算例

在讨论了供电臂谐波电流概率模型基础上，提出了随机仿真方法，以揭示电牵引负荷谐波在三相电力系统中的分布规律，指出谐波水平计算应采用基于电流注入技术的平均有效值算法。最后，利用所开发的电牵引谐波渗透程序ＥＴＨＰ对一规模较大的实际电网进行了谐波分布计算，并分析了计算结果。

Scott接线平衡变压器数学模型与阻抗匹配的实验验证

从磁势平衡方程、绕组接线方程和电压传递方程出发分析Scott接线平衡变压器的运行特性,阐明为使Scott接线变压器三相-两相平衡变换性能达到理想状态应满足的设计条件;推导出用绕组间短路阻抗表达的阻抗匹配关系式;试制了一台50 kVA小容量模型,实际测试结果验证了相关分析的正确性。讨论了Scott接线变压器的励磁电流特性;给出Scott接线变压器的二次侧两相端口电压输出方程、两相等值电路和相坐标下的节点导纳矩阵,以便同电力系统和牵引网接口进行有关问题的分析计算。

牵引变电所采用220kV进线的优越性

通过简化分析计算表明 ,牵引变电所采用 2 2 0 k V进线将使电压总谐波畸变率、三相电压不平衡度和电压波动降低 .建议设计部门在合适条件下考虑在实际工程中采用。