环境风下高铁双弓-网系统动态受流特性研究

为了研究环境风对高速铁路双弓-网系统动态受流性能的影响,首先,以位于我国西部大风区的兰新高铁为研究对象,基于模态分析法建立双弓-网耦合系统模型;其次,运用空气动力学理论推导作用于接触网线索上的环境风载荷;然后,考虑横风向空气阻尼的影响,探究空气阻尼作用下双弓受流特性;最后,采用4阶自回归(autoregression,简称AR)模型建立接触网沿线脉动风场,着重分析风速和风攻角对双弓受流的影响。结果表明:横风向空气阻尼对双弓受流产生的影响较小;脉动风下风速越大则风向越趋于垂向,双弓受流性能更易恶化;后弓受流性能相较前弓对风速和风攻角的变化更加敏感。双弓-网系统风振响应分析可为优化风环境下弓网受流质量和接触网防风参数设计提供参考。

基于单相双旋转移相变压器的高速铁路系统负序补偿方法

针对高速铁路供电系统在高压电网引起的负序问题,该文参考旋转潮流控制器(RPFC)和静止无功补偿器(SVG)结构,提出一种基于单相双旋转移相变压器(S-DRPST)的新型负序补偿拓扑。首先,分析S-DRPST的工作原理并建立其稳态电压源模型。其次,在V/x牵引供电系统应用场景下,提出S-DRPST的负序电流补偿方法,即根据供电臂负载功率计算所需补偿电流表达式,进而得到两台S-DRPST输出电压幅值与相位,通过调节移相角大小实现电网侧电流的平衡。在此基础上,对单台S-DRPST移相角控制进行设计,补偿设备投入前利用柔性合环减小对牵引网的冲击,投入后采取移相角协调变速控制,使得移相角在接近设定值时降低转速,同时根据角度偏差协调转速控制,从而抑制输出电压振荡现象。最后,利用Matlab/Simulink软件搭建牵引供电系统进行仿真验证,在合环场景下将S-DRPST柔性投入牵引网,仅a相供电臂带负载的情况下,电压不平衡度从4.81%降低到了0.05%,在计及供电臂制动状态时不同工况的不平衡电压均被控制在0.1%以下,在牵引负载快速连续变化下S-DRPST能及时响应补偿负序电流,结果表明S-DRPST在高速铁路供电系统中具有良好的负序补偿效果。

基于频率响应与图像特征提取的动车组变压器绕组状态诊断方法研究

动车组变压器是保障高速铁路稳定运行的核心设备,频率响应法是目前检测变压器绕组状态的有效方法。为提升车载变压器绕组状态诊断的准确性,结合暂态信号与频率响应法提出基于频率响应与图像特征提取的动车组变压器绕组状态诊断方法。搭建试验车载变压器绕组故障模拟平台,获取不同故障类型和故障位置的频响曲线,利用类Gram矩阵结合幅频和相频曲线信息,再利用密度分层法转换为伪彩色图,提取对应的灰度共生矩阵和灰度差分矩阵特征值,根据鹈鹕优化支持向量机方法对绕组故障进行诊断。试验结果表明:车载变压器绕组故障发生时,伪彩色图能够反映出故障信息,有利于图像分析和特征提取,采用基于频率响应与图像特征提取的动车组变压器绕组状态诊断方法能够识别车载变压器绕组的典型故障类型和位置。

考虑架构灵活重构的混合式贯通牵引供电装置应急管控与故障恢复策略

基于牵引变压器与两相交流输入至单相交流输出(两相-单相)变换单元的混合式贯通牵引供电系统(HATPSS)凭借其设备利用率高、改造成本低等优势而受到关注。然而,两相-单相变换单元作为系统中的薄弱环节,其任意端口故障会导致系统出现负序电流与功率缺失等问题,严重者将引发整个贯通系统失稳。此外,受HATPSS供电架构特殊性及其控制目标多样性的影响,传统牵引系统冗余备用方案与应急管控技术适用性差等问题突出。鉴于此,该文针对两相-单相变换单元的输入/输出端故障工况,综合考虑牵引站中既有设备应急管控潜能与两相-单相变换单元控制自由度的特点,分别提出面向HATPSS的应急管控与故障恢复策略。仅通过牵引变压器、联络开关、两相-单相变换单元等系统既有装置间的协同配合,实现在不同故障工况下HATPSS额定功率运行与负序电流抑制。最后,仿真与实验验证了在不同工况下该文所提应急管控策略的可行性与有效性。

电气化铁路“车-网”系统串/并联双模式宽频谐波扰动产生装置设计与测量方法

精确测量动车组与电力机车(简称机车)四象限变流器(four-quadrant converter,4QC)和牵引网的宽频带阻抗特性是识别电气化铁路“车-网”系统振荡和不稳定问题的重要途径。然而,已有研究采用单一电压/电流扰动注入方式对牵引网或机车4QC阻抗进行测量,可能造成部分谐波扰动流向非目标测量对象,导致被测对象的谐波扰动信噪比低,影响阻抗测量精度。因此,该文提出一种适用于电气化铁路“车-网”联合系统的串/并联双模式宽频谐波扰动产生装置与阻抗测量方法,装置具有电压和电流两种工作模式,可以发出频带为1~3000Hz的宽频谐波扰动。扰动产生装置拓扑主要由多绕组降压变压器、谐波功率放大单元、并联LC谐振电路和反串联绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)模块等部分构成,结合双闭环dq解耦控制和载波移相开环脉宽调制(pulse-width modulation,PWM)控制策略,实现频带双边可控、幅值可控且分布均匀的大功率谐波扰动输出。最后,利用MATLAB/Simulink仿真和RT-Lab硬件在环实验验证该文串/并联双模式宽频谐波扰动产生装置设计方案及阻抗测量方法的正确性与有效性。

双制式列车接地系统的车-地联合牵引供电计算

为研究双制式列车在不同供电制式区段下的车体环流和车体—轴端电位分布,针对某型双制式列车构建列车接地系统的链式电路模型,并提出车-地一体化的交、直流区段联合牵引供电计算方法;同时,建立列车接地保护电阻优化模型,并分析2种列车接地系统配置方案.以国内某条双制式线路为算例进行仿真验证,研究结果表明:方案1相较方案2,列车的车体—轴端电位最大值降低36.58%~41.04%,车体环流最大值降低18.49%~22.97%;并且在方案1中,头尾车保护电阻设置为20 mΩ,可使列车的车体—轴端电位最大值为1.15 V,车体电流最大值为50.30 A,达到抑制车体—轴端电位的最优效果.该车-地一体化的交、直流区段联合牵引供电计算方法可适用于单一供电制式或者多供电制式列车接地系统的分析.

基于自适应阈值分割的动车组辅助供电系统单芯动力电缆故障定位方法研究

单芯动力电缆是动车组辅助供电系统能量传输通道之一,其故障后准确定位对检修具有重要意义。当前,电缆故障定位使用较为广泛的方法为时频域反射法,但在对反射信号进行时频分析过程中,产生的交叉项是制约定位准确度的重要原因。为此提出一种基于自适应阈值分割的Wigner-Ville变换方法:在70 m长的电缆样品中设置低阻、高阻、开路和短路四种缺陷故障样本,对时频域法检测到的信号使用Wigner-Ville变换进行时频分析,说明原始Wigner-Ville变换产生交叉项的原因,并据此提出基于自适应阈值分割的Wigner-Ville变换方法,解决交叉项干扰问题;将本文方法与当前交叉项抑制方法进行测试效果对比。结果表明:提出的基于自适应阈值分割的Wigner-Ville变换方法可以有效消除交叉项,且对于单个缺陷故障和多个缺陷的电缆均可适用;对于所设置的单个缺陷故障位置的定位误差均小于0.80%,对于双缺陷故障检测结果的定位误差小于0.40%,验证了本文方法的有效性。

基于潮流转移装置的混合储能接入牵引供电系统控制策略研究

采用单相工频交流制式的电气化铁路具有无污染、运输效率高的优点,但在现有的牵引供电系统中,负序和再生制动能量利用的问题较为突出。因此,文章提出了一种集成混合储能系统的潮流转移拓扑。文章分析了集成混合储能的潮流转移装置的拓扑结构,研究了削峰、填谷、再生制动和同相运行模式及其能量管理策略;为减少系统损耗,进一步提高系统再生制动能量利用率和削峰填谷的控制精度,文章提出了一种协调控制策略,并采用无源控制的非线性电流控制器提升变流器控制响应速度。仿真结果表明,该系统可以充分利用牵引供电系统的再生制动能量,提高系统中能量流动的灵活性,并且解决了牵引供电系统中的负序问题。

高速列车大功率操纵过程分数阶建模及速度时滞预测

针对现有司机操纵策略难以完整描述列车大功率操纵过程的微观变化,设计机理特性和数据驱动模型联合驱动的分数阶建模策略,来满足高速列车无级调速下安全平稳运行的要求。针对高速列车大功率操纵模式下的大惯性特性和司机反应时间,该文首先对大功率牵引系统和制动系统的时滞特性进行分析,进而对列车操纵策略设计精简冗余工序编码策略,从闭环控制角度实现速度时滞特性精准预测;其次提出了一种新的分数阶建模方法,并设计分数阶最小二乘算法对模型中的时变参数进行精细化辨识;最后基于现场实验数据验证了所提方法的有效性。

基于改进秃鹰算法的牵引供电系统储能容量配置方法

牵引供电系统的储能容量配置是一个复杂的非线性多目标优化问题。为实现在良好节能率和稳压率的前提下降低储能容量,提出一种改进秃鹰算法。首先,建立牵引供电系统的潮流仿真模型。然后,利用改进秃鹰算法对储能容量配置问题进行改造。最后,构建多目标函数并计算最优储能容量。算例分析证实,改进秃鹰算法不仅具备比传统遗传算法和秃鹰算法更好的收敛性和稳定性,而且在改进秃鹰算法的最优配置容量下牵引供电系统的综合性能表现更好。

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。

光储接入牵引供电系统应急供电方案下低频稳定性研究

“双碳”目标背景下,新能源较大规模接入牵引网可能成为铁路运输新趋势。为对意外失电的列车紧急牵引并打破铁路领域传统用能壁垒,实现铁路能源自给型低碳供电并与电网互为备用,各系统能量互联互通,首次提出一种应急供电方案灵活利用牵引网侧接入的光储装置牵引列车并对“光-储-车网”耦合系统的低频稳定性展开研究。首先,制定RPC双模式单相全桥逆变器的控制方法结合光储运行状态协调控制策略划分工作模态;然后,利用小信号及状态空间平均法建立光储、客车(CRH3型动车)以及投影到dq坐标系下铁路功率调节器直流侧阻抗模型;最后,利用所得“光-储-车网”3个子系统的导纳模型,引入一种适应多工况的无源判据,揭示控制器参数及多源对牵引供电系统电气稳定性的影响规律。研究结果表明:所提方案通过新能源及储能装置在昼夜多工况下均能长时持续稳定牵引列车,当新能源或电网供电出现意外二者可互补切换,故障条件下机车仍可受电稳定行走。此外,光储电压环比例增益对该系统阻抗匹配性稳定性有较强的电气敏感性,所建模型结合无源判据指导调参接入不同供电源补偿系统阻抗可治理部分失稳现象,该方案下储能系统具有良好的补偿特性。在Starsim半实物实验平台验证了“光-储-车网”耦合系统应急供电方案的可行性及稳定性研究的正确性。

接触网侵限异物检测与挂网异物清除技术综述

随着高速铁路大规模成网运行,接触网分布范围日益扩大,异物挂网引发的安全事故逐渐增多,成为影响高速列车行车安全的重要因素之一。目前,针对接触网侵限异物的检测与挂网异物的清除方法研究颇少,而电力系统输电线路异物检测、清除的研究成果颇丰。详细综述了接触网侵限异物检测技术的原理、方法以及在铁路领域的应用,重点分析了不同方法的适用场景和优缺点。同时,借鉴电力系统领域异物清除技术研究,重点探讨了挂网异物清除技术的原理、特点,以及在接触网清异的可能性及局限性,结合接触网的特点和运维需求,从远距离实时检测、远距离快速清除以及检测清除装置的小型化与轻量化3个方面,探讨了接触网异物检测清除技术未来的发展方向。

高速列车过绝缘节轮轨间拉弧机理分析及抑制

随着高速铁路运营密度、运行速度和牵引功率的不断提升,车辆移动回流系统与轨道固定回流系统耦合复杂造成过绝缘节时绝缘节间拉弧频发,电弧侵蚀绝缘节,导致轨道电路串接、串码等故障,严重威胁行车安全。围绕高速列车过钢轨绝缘节时车轨间回流耦合引起的绝缘节间拉弧问题开展研究,解析轮对接近、跨接、驶离绝缘节时回流途径拓扑结构及阻抗的动态变化过程,基于牵引系统的实采阻抗参数构建“车-轨”移动接地系统三维等效电路模型,解析列车各轮对滚动过绝缘节各接地轮轴回流路径及大小的动态变化规律。基于系统实际结构参数构建“转向架-钢轨”3D多物理场耦合模型,揭示回流耦合作用下的轮轨燃弧动态演化规律,探明接地电流、钢轨端压等因素对绝缘节间拉弧的影响机制。同时提出一种新型绝缘节间拉弧抑制装置,仿真分析抑制效果。

基于数学建模的通信载荷异常智能监测方法

由于现有的监测方法识别过载数量均没有达到5个,监测精度低,为此研究基于数学建模的通信载荷异常智能监测方法。根据通信载荷信息流对无线通信网络中的显著特证数据进行描述,运用泊松分布的方式对随机负荷的总量进行描述,将所有类型的载荷描述进行综合,建立在通信网络中的载荷智能模型提取异常载荷。通过模态分解的方式得到载荷的包络特征,得到固定模态时频特征分量。利用相像参数法进行通信网络异常载荷的特征提取建立通信网络传输过程中的特征经验库。通过获取载荷种类,运用PSO算法来对于通信载荷异常智能监测。根据实际情况设定阈值,判断最优解与阈值的关系,得到异常和正常通信载荷从而完成基于数学建模的通信载荷异常智能监测。实验结果表明,实验组在不同时序点中均能够监测出5个过载,达到良好且准确的监测效果。同时,10测试计算得到的AB指数均在0.01~0.03内,达到了较高的监测精度,更准确地监测异常情况。

有轨电车混合储能系统的能量管理策略与容量优化

现代有轨电车混合储能系统的关键问题在于制定高效科学的能量管理策略,其结果可以实现储能元件之间的合理功率分配,影响各个储能元件的性能。文中提出一种改进的新型能量管理策略,根据有轨电车的实际需求,采用带有能量互补的恒定功率比例能量管理策略,对混合储能系统分配负载功率。以系统总质量最小为目标进行容量优化,用Matlab进行算例仿真分析,结果表明,提出的能量管理策略优化了超级电容的工作状态,减轻了系统的质量,能使混合储能系统提供足够的牵引功率并吸收列车的制动能量,可以满足列车的功率需求。

基于多电平滞环电流控制的牵引供电系统可控宽频带阻抗测量技术

精确获取牵引供电系统的宽频带阻抗特性,是分析车-网耦合系统的宽频带振荡问题的关键途径,对保障电气化铁路的安全稳定运行具有重要意义。目前的阻抗测量技术大多难以兼顾大功率与频带可控的测量要求,因此,该文提出一种基于多电平滞环电流控制的牵引供电系统可控宽频带阻抗测量技术,测量频带为10 Hz~5 kHz,可通过一次谐波扰动注入快速获取目标频带的系统阻抗,相比于传统的滞环电流控制方法,具有更低的开关频率,并且能有效避免死区效应,改善输出电流的波形,更适用于宽频信号的跟踪控制。最后,通过仿真和硬件在环实验验证了该测量技术的有效性。

高铁新能源混合储能系统低碳经济优化运行研究

随着“双碳”目标的全面推进,对新能源的需求日益增加,迫切需要推进铁路、新能源、储能的耦合互联,推动铁路低碳绿色发展。为此,提出一种高铁新能源混合储能系统低碳经济优化运行模型。首先,为进一步调动铁路行业的减碳积极性,将碳收益纳入到高铁系统运行模型中,并建立由钒电池和超级电容组成的混合储能系统数学模型;然后,采用拉丁超立方机会约束规划法处理新能源的不确定性,提出一种混合储能系统能量管理策略,以钒电池停止充放电阈值与储能容量配置参数为优化变量,以新能源混合储能系统在全寿命周期内为高铁系统带来的总净收益最大为优化目标,采用基于柯西变异的自适应粒子群算法对实际算例进行求解;最后,通过对比与分析,验证了所提方案和算法的有效性和优越性。

直流牵引供电回流系统与杂散电流扩散的联合仿真模型

直流牵引供电系统杂散电流产生的直流干扰问题日趋严重。为研究杂散电流的干扰程度,将直流牵引供电回流系统与杂散电流扩散模型进行联合仿真。考虑段场与正线之间的互相影响,建立段场集中点电流源泄漏与正线沿线钢轨分布式泄漏共同作用下的动态杂散电流在分层介质中的扩散模型。提出分层模型的精细积分主元加权迭代方法,从而避免一般方法求解失败的问题,实现高精度、高效率求解分层格林函数。以中国实际地铁工程为例,采用该文模型对段场的杂散电流和附近土壤地表电位梯度的现场测试进行过程还原,实测与仿真结果误差在8.46%以内。直流牵引供电系统正线与段场之间采用阻断式连接方案,可使得附近土壤的地表电位梯度降低46.53%。

高速铁路牵引变电所智能化建设方案研究

智能牵引变电所是智能牵引供电系统的核心,由智能化一次系统、广域保护测控系统和智能辅助系统构成。为提高目前在建高铁牵引供电系统智能化水平,探讨并提出了针对其牵引变电所的智能化改造方案。