DC Traction Power Supply System Based on Modular Multilevel Converter Suitable for Energy Feeding and De-icing

A novel DC traction power supply system suitable for energy feeding and de-icing is proposed in this paper for an urban rail transit catenary on the basis of the full bridge submodule (FBSM) modular multilevel converter (MMC). The FBSM-MMC is a novel type of voltage source converter (VSC) and can directly control the output DC voltage and conduct bipolar currents, thus flexibly controlling the power flow of the urban rail transit catenary. The proposed topology can overcome the inherent disadvantages of the output voltage drop in the diode rectifier units, increase the power supply distance and reduce the number of traction substations. The flexible DC technology can coordinate multiple FBSM-MMCs in a wide area and jointly complete the bidirectional control of catenary power flow during the operation of the electric locomotive, so as to realize the local consumption and optimal utilization of the recovered braking energy of the train. In addition, the FBSM-MMCs can also adjust the output current when the locomotive is out of service to prevent the catenary from icing in winter. The working modes of the proposed topology are illustrated in detail and the control strategy is specially designed for normal locomotive operations and catenary de-icing. Simulation cases conducted by PSCAD/EMTDC validate the proposed topology and its control strategy.

新型混合式贯通牵引供电系统及其复合控制策略

电分相与负序等电能质量问题是制约电气化铁路向高速化、重载化发展的桎梏。贯通牵引供电系统为消弭上述问题提供了契机,但既有贯通方案依然存在所需器件数目多、改造成本高、可靠性差等弊端。为此,在充分利用既有牵引变压器基础上,该文设计一种新型混合式贯通牵引供电装置。该装置通过共直流侧与功率均分手段有效抵消输入侧纹波功率,降低有源/无源器件数目与电容容量。同时,针对直流侧二次纹波与负荷功率冲击,提出一种输入端口复合控制策略,有效解决纹波传递与冲击波动问题。最后通过仿真与实验验证所提装置及其控制策略的可行性与可靠性。

基于GOOSE通信的城市轨道交通直流牵引供电系统双边联跳与自愈方案

[目的]城市轨道交通直流牵引供电系统的结构复杂且无备用,一旦故障将直接引发停车事故。针对传统牵引供电系统双边联跳方案在实际工程中暴露出的不足,以及直流牵引供电系统智能化程度较低的现状,需研究出利用智能化手段提高直流牵引供电系统双边联跳可靠性的方案。[方法]提出了一种基于GOOSE(面向通用对象的变电站事件)通信的直流牵引供电系统双边联跳与自愈方案。该方案在直流牵引供电系统内构建了GOOSE过程层通信网络,通过牵引变电所内及牵引变电所间各类信息的快速实时交换实现了直流牵引供电系统的双边联跳与自愈重构。对所提出的方案进行了实验室模拟与现场验证。[结果及结论]基于GOOSE通信的城市轨道交通直流牵引供电系统双边联跳与自愈方案具有更高的可靠性与实时性,且方案智能化程度较高,可进行推广应用。

工矿机车牵引双供电系统及其下垂控制策略

为了应对工矿机车距离和载重日益增长的发展趋势,同时满足工矿机车牵引对突变负荷的运行稳定性提升的要求,提出一种双供电系统及其下垂控制方法的工矿机车牵引供电方案。针对工矿牵引具有负荷突变、往返载荷差异大等工矿行业的特殊性,对比分析了站间精确均流和非精确均流策略对工矿机车牵引的适用性,根据分析结果提出了工矿机车双供电系统方式及其站间协同下垂控制策略,在此基础上引入电流前馈控制策略。搭建了仿真模型和包含牵引变电站的工矿机车低压试验牵引物理动模平台,试验结果表明所该策略在负荷突变工况下的机车电压稳定性显著优于与常规下垂控制方法。该研究为工矿机车牵引向大容量、远距离、高可靠性未来发展提供了有力的技术支撑。

基于车体接地电流的故障列车精准识别方法

针对专用回流轨直流牵引供电系统发生正极与车体短路故障时,故障列车不能被精准识别的问题,首先给出了双边供电牵引系统等值模型,其次分析了故障列车和正常列车的车体接地电流特征差异,最后提出了一种基于车体接地电流的故障列车精准识别方法。所提方法采用列车的车体接地电流幅值和方向作为故障识别判据,当其幅值小于整定值时判断列车正常,当大于等于整定值时继而采用其方向进行判断,电流为正方向的列车被判为故障车,电流为反方向的列车被判为正常车。该方法原理简单,实现方便,实用性强,采用双重判据能有效避免误判,可靠性高。通过Matlab仿真和现场试验录波验证了方法的可行性和有效性。

计及稳压率和经济性的城轨直流牵引供电光储系统深度Q网络优化控制方法

光伏应用于直流牵引供电系统可提高新能源渗透率、降低系统能耗,但可再生能源出力的不确定性及列车负荷的强波动性增加了控制策略的寻优难度。针对该问题,提出一种基于深度强化学习的控制策略优化方法。该方法基于深度Q网络,将源-储-荷能量管理系统作为智能代理,通过光伏出力、储能荷电状态、牵引网压等外部状态训练代理,得到可实现系统经济可靠运行的优化策略。介绍源-储-荷综合系统的框架结构及传统控制策略,并对各设备进行外特性建模;对源-储-荷综合系统的能量管理问题开展马尔可夫决策过程建模,确立强化学习框架;根据某市域线路数据在MATLAB平台上进行仿真以验证所提方法的有效性。研究结果表明,所提方法通过动态调整储能电压阈值,可实现控制策略优化;通过与几种传统控制策略对比可知,所提方法在兼顾系统稳压水平与运行经济性方面占据优势;不同环境下的收敛效果对比体现了所提方法的可继承性,并在多组测试样本下验证了该方法的普适性。

基于健康指数的直流断路器状态评估模型

[目的]直流断路器是地铁牵引供电系统的关键设备。为了通过采取合理的维保策略提高牵引供电系统可靠性,需准确评估直流断路器健康状态。[方法]采用健康指数表征设备整体健康状态,构建设备健康状态的综合评估模型。基于设备特征参数变化反映设备健康状态,合理选择评估指标建立设备运行状态多指标评估体系;结合层次法和熵权法改进各分项指标权重的计算方式,使得设备健康状态评估模型的建立更加合理;依据该评估模型计算设备健康指数,并建立基于历史健康数据的使用寿命模型来拟合设备健康指数的变化趋势,评估设备未来健康状态与预测设备剩余使用寿命;以某牵引变电站实际数据为例,对所提评估模型进行验证。[结果及结论]实例分析结果表明:该直流断路器状态评估模型具有一定的有效性与合理性,能够科学地对直流断路器健康状态与剩余使用寿命进行判断与预测。

城轨直流牵引供电多回流路径耦合建模及回流安全参数动态分布

当前,城轨直流牵引供电系统回流安全已成为影响线路安全运行的关键问题之一。为研究多回流路径耦合对回流安全参数及周边关键金属工程的影响,该文提出多回流路径耦合情况下直流牵引供电系统动态仿真模型,构建多回流路径耦合矩阵,建立多回流路径耦合情况下多区间回流安全参数动态分布计算方法,实现回流安全参数动态分布规律分析。基于实际线路参数,分析了不同类型多回流路径耦合时钢轨电位和杂散电流分布规律。研究结果表明,该文所提出的方法可有效模拟多回流路径耦合情况下回流安全参数动态分布及对周边关键金属工程的影响;针对走行轨回流不畅及多回流路径耦合,分别提出并联电缆及单向导通控制的治理方法,并基于该文所建立的模型进行仿真分析,验证了其有效性。

轨道交通直流牵引供电系统线路测试回路短路试验案例分析

为研究在接地短路情况下,直流电流方向对线路测试回路的影响,该文通过详细介绍轨道交通牵引供电系统线路测试功能原理,并分析广州地铁1号线西塱站线路测试回路短路试验案例与接触器正反向电流试验,结果表明线路测试回路反向电流影响接触器内部电弧,造成燃弧时间长且容易烧损接触器,并且,电弧碰撞叠加导致接触器内部两对触点短接,即1 500 V母线短路。故线路测试回路必须正确接线且需完成短路测试以确保功能正常。

轨道交通直流牵引供电系统中AC/DC变流器的技术性能评估

传统轨道交通直流牵引供电系统采用多脉波二极管整流器作为主变流器,其性能指标主要依据国标GB10411-2005进行评价。但随着PWM整流技术的发展,该标准对整流器的性能指标评估已显不足。文章从变流器与电力系统、变流器与牵引负载以及整流器自身3个方面对整流器的性能指标进行了分析与评估,并用一个仿真算例验证了这些评估标准的有效性,为推动PWM整流技术在轨道交通牵引供电系统中的应用提供一定的理论依据。

DC 1500V接触轨应用的若干关键技术

对DC 1 500 V接触轨授流方式设计方案进行分析,并针对该项技术在城市轨道交通工程中的应用,重点对几项关键技术进行论述,提出了相应的技术要点和建议。

轨道交通车辆段双流制牵引供电系统在交直流切换供电方式下的电磁场分析

[目的]交直流双流制牵引供电系统车辆段内股道分布密集,接触网距离较近,不同的供电制式会影响车辆段空间电磁场的分布,因此有必要对轨道交通车辆段双流制牵引供电系统在交直流切换供电方式下的电磁场进行分析。[方法]以重庆市郊铁路跳磴至江津线双福车辆段为依托,运用CDEGS软件构建了车辆段交直流双流制牵引供电系统仿真模型,分析了不同运行工况下车辆段空间电磁场强度分布特性。针对车辆段库内接触网的异常电压现象,综合评估了双流制牵引供电系统车辆段电磁场空间分布对接触网感应电压的影响程度,并提出相应的抑制措施。[结果及结论]交流供电制式和直流供电制式下,接触网空间电场均以带电导体为中心呈对称分布,但空间磁场不完全呈对称分布;带电导体数量越多,空间电场强度和磁场强度越大;交流供电制式下,周围导体的静电感应电压大小与导体间距和电压有关;电磁感应电压与电流成正比;采用直流供电制式时,各种工况下导体的静电感应电压均超出人体安全限值36 V。

城市轨道交通牵引供电系统直流快速断路器开断及灭弧分析

[目的]直流灭弧技术是城市轨道交通牵引供电系统的设计难点之一,因此有必要对主要直流快速断路器的直流开断及灭弧原理进行分析。[方法]介绍了直流电流开断及电弧熄灭原理;介绍了直流电流的稳定燃烧点及熄灭条件;分析了直流电弧的开断参数,介绍了直流快速断路器的灭弧设计原理;分析了地铁供电系统直流快速断路器易烧损的原因。[结果及结论]要开断直流电弧,需产生一个高于电源电压的电弧电压,即加大电弧电压能够熄灭直流电弧;直流快速断路器的开断过程要综合考虑燃弧时间和系统过电压因素;在直流断路器设计研发时,需重点关注非稳定弧电压和小电流开断弧电压;在电弧熄灭时,设置一个额外的RC(电阻电容电路)吹弧线圈,同时结合灭弧室金属格栅设计,可以稳定燃弧电压。

基于电弧电压判据的直流断路器磁吹控制研究

针对城市轨道交通直流牵引供电系统存在的直流断路器小电流分断问题,提出一种基于电弧电压判据的直流断路器磁吹控制代替基于电弧电流判据的磁吹装置来驱动磁吹线圈,避免电流零漂现象导致磁吹装置频繁无效动作而发生故障。通过不同电压和不同电流参数下断路器分断试验,验证了基于电弧电压判据的直流断路器磁吹控制能输出正确稳定的磁吹线圈作用方向,从而有效提高磁吹控制回路的稳定性和断路器触头的使用寿命以及开断性能。

地铁直流进线振荡电流识别算法研究

针对地铁直流进线的振荡电流容易引起继电保护系统频繁误动作的问题,文章提出以变分模态分解、样本熵、TOPSIS为核心的故障诊断分析算法,并搭建实时数字仿真试验平台,以地铁继电保护装置为应用场景,通过将改进的进线保护算法与传统逆流保护算法进行试验对比分析,验证了方法在工程实践中的可行性和有效性。结果表明,该方法可有效识别直流进线特殊振荡电流,提高继电保护的可靠性。

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%。

基于模型辨识的新型牵引供电系统直流馈线保护原理

基于双向换流器的柔性直流牵引供电系统中,直流线路故障电流上升速度极快,且机车启动同样会造成馈线电流快速增长,其暂态特征和远端故障电流相似,要求保护在极短时间内区分两者。对此,提出基于模型辨识的直流馈线保护方法,通过模型辨识原理求解时域微分方程,从而求解不同时刻的等效电阻,同时对所计算的等效电阻进行统计分布验证,并利用方差系数构造保护判据。所提方案能够在5 ms内准确区分故障电流和机车启动电流,实现保护的可靠动作。大量仿真结果表明,在过渡电阻为100Ω的短路故障下保护依然能可靠动作,同时具有30 dB的抗噪声能力和100μs的耐同步误差能力。

城轨交通直流供电系统仿真建模

随着地铁、轻轨、有轨电车等轨道交通的大力发展,城市轨道交通牵引供电系统是否正常运行直接关系到城轨交通的安全稳定运营,进行城市轨道交通直流供电系统的仿真建模对轨道交通牵引供电系统设计、施工和运营阶段判断可能的故障类型和制定可行的处理方案具有重要作用,本文首先介绍了城市轨道直流供电系统的结构组成,然后采用MATLAB/Simulink对城轨直流供电系统进行仿真建模,分别介绍了35KV中压电源、整流机组和牵引网的仿真建模方法和仿真参数的计算方法。

城市轨道交通柔性直流牵引供电系统钢轨电位快速计算方法

近年来,柔性直流牵引供电系统由于能够灵活控制电压,提高再生能量利用率,越来越受重视。钢轨电位是柔性直流牵引供电系统设计的重要依据和安全稳定运行的重要指标。由于全控变流器和协同控制的引入,柔直系统钢轨电位分布特性与传统系统有显著差异,并且在钢轨电位计算精度和速度方面提出更高要求,有必要研究柔直系统钢轨电位的高效建模计算方法。文中提出一种接触网与回流网解耦的两阶段潮流计算法,提高柔直系统潮流计算的效率,并基于此分析钢轨电位的时空分布特性,发现钢轨电位的重要影响因素为柔直系统的端口电压,为钢轨电位实时抑制控制策略提供一定理论基础。

直流牵引供电系统新型钢轨回流方案及钢轨绝缘检测方法

直流牵引供电系统的走行轨兼作回流轨时,因钢轨对地不能完全绝缘,从而产生杂散电流。以钢轨绝缘为研究目标,通过详细分析国内外杂散电流防护中的各项要求,以及现阶段钢轨绝缘水平和测试方法,提出了一种新型的钢轨回流方案和钢轨绝缘检测方法。该方案和方法可便捷、准确地测量钢轨的绝缘水平,指导杂散电流防护工作的实施,可应用于城市轨道交通新建线路或既有线路供电系统改造项目中。