Overview of Resilient Traction Power Supply Systems in Railways with Interconnected Microgrid

In recent years,the achievement of a renewable and sustainable traction power supply system(TPSS)in the rail sector has become a significant challenge.Focusing on this issue,this paper firstly provides a comprehensive overview and classification of the state-of-art TPSSs in DC and AC railway.Then,together with low voltage(LV)DC,medium voltage(MV)DC,LV AC,and hybrid AC/DC interconnected microgrid(IMGs),various architectures of resilient TPSSs are proposed for renewable energy integration into DC and AC railway.The resilient TPSS offers on-site access and local consumption of renewable sources alongside railways and guarantees a sustainable power supply in the case of grid disturbances and failures,e.g.,voltage unbalance,harmonic and violent fluctuation,power outage,and extreme events in the wake of natural disasters and extreme weather.This approach also helps facilitate the development of the next generation TPSSs for enhanced flexibility and sustainability.Then,based on a comparative analysis of different resilient TPSSs,a brief outlook of the future trend is given.Finally,it is concluded that resilient TPSS provides a universal solution for both renewable energy integration and high-quality power supply against grid disturbances and failures.

大西高铁牵引供电系统提速方案研究

研究目的:大西高铁线下工程按时速350 km设计,时速250 km开通运营,拟提速至时速300 km。确定提速改造方案需对既有牵引供电系统供电能力及设备状况进行评估及校验,结合牵引负荷增长需求,按5 min、4 min追踪间隔对全线牵引网电压水平和接触网有效电流进行研究,通过牵引供电设施分布、牵引变压器容量和其他设备容量分析,确定设备补强方案;通过弓网仿真研究确定接触网系统张力,进而校核接触网基础容量及零部件的适应性并确定改造方案。研究结论:(1)经对既有牵引供电系统供电能力及设备仿真分析,既有供电设施分布满足提速要求,除西安北牵引变电所牵引变压器安装容量满足要求外,其余牵引变电所均需增容改造;(2)牵引变电所配电装置维持既有布置方案,对容量不满足要求的电流互感器和导线进行扩容改造;(3)接触悬挂线材维持既有型号,正线额定张力调整至28.5 kN+21 kN,同步改造部分接触网零部件;(4)本研究成果可为高速铁路牵引供电系统提速、达速及提质等类似工程提供借鉴和参考。

采用潮流控制器的贯通型牵引供电系统负序治理模型及控制策略

针对树形双边贯通牵引供电系统负序导致的电力系统侧公共连接点处三相电压不平衡问题,提出在树形双边贯通牵引供电系统中加装由降压变压器、潮流控制器(PFC)和控制器组成的补偿装置进行功率转移的负序补偿方案;在建立采用PFC的贯通型牵引供电系统拓扑结构和数学模型的基础上,设计合理的约束参数和控制策略,通过控制补偿装置改变电力系统侧功率分布,从而实现负序补偿;采用MATLAB/Simulink仿真试验平台,分析补偿装置所需容量随负序补偿程度的变化规律,并计算最小化负序补偿容量,对补偿方案进行验证。结果表明:基于功率转移的负序补偿方案能够灵活调节公共连接点处负序功率和无功功率含量;可将公共连接点处三相电压不平衡度的最大值降低至4%,95%统计值降低至2%,满足了国家标准,从而验证了基于功率转移负序补偿方案的有效性。

上海轨道交通9号线运能增加对牵引供电质量影响研究

[目的]结合上海轨道交通9号线增能改造项目,寻找简易运能估算方法,研究运能增加对供电质量的影响。[方法]电压是电能质量指标之一,查阅相关文献发现,牵引网最大电压损失、牵引网平均电压损失与牵引变电站站间距及区间列车数量(运营能力)呈正相关性。从文献中收集相关电气参数、设备数量及相应单价,并总结得到区间开行列车数量估算公式。为进一步比较设计方提出的供电系统改造方案,从技术和资金两方面进行分析。在技术方面,建立了三站两区间电力计算等效模型,结合数据及公式进行分析比较;在资金方面,基于技术方面数据对工程金额进行估算。最终进行方案比选。[结果及结论]运能增加对电能质量的影响是电压降低,基于数据分析得出,牵引网最大电压损失更能直观反映牵引变电站站间距和运能的关系。增加泗泾牵引变电站的改造方案能够同时满足技术和资金两方面需求。基于模型和公式,可以估算线路的运能上限以及牵引供电系统非正常工况下区间开行列车数量。

铁路牵引供变电数字化设计平台规划

随着数字化转型的提出,数字化能力建设,提升数字化服务水平,推动高质量发展,已成为工程勘察设计企业转型升级的重要方向。本文讨论了铁路工程设计行业的信息化发展现状和趋势,并重点介绍了牵引供变电专业数字化设计平台规划。为了实现牵引供变电专业内部软件之间及专业之间软件的数据流转与数据级协同设计,本文从应用层、接口层、数据层三个层次进行对牵引供变电数字化设计平台架构进行细致规划。

基于毫米波多普勒雷达和绿激光束的牵引变电所驱鸟装置设计

为解决因鸟害引起牵引变电所断路器跳闸问题,利用鸟类对波长为532 nm绿光敏感的特性,研制基于毫米波多普勒雷达和绿激光束的牵引变电所驱鸟装置。介绍驱鸟装置工作原理和整体架构,详细阐述核心处理单元毫米波多普勒雷达云台激光控制装置,并在现场试用驱鸟装置。试用结果表明,驱鸟装置效果良好,性能稳定可靠,满足牵引变电所的驱鸟需求。

电气化铁路牵引变电所群贯通供电系统及其关键技术

结合电气化铁路外部电源供电方式及牵引供电系统供电方式,提出一种牵引变电所群贯通供电系统,并研究相关关键技术方案。首先,根据负序补偿方式将牵引变电所群贯通供电方案分为集中式补偿和分布式补偿两类,其中,集中式补偿方案分为N模式和N+1模式。其次,针对无功型负序补偿方式,将其分为二端口和三端口补偿模式,以YNd11联结变压器为例阐述负序补偿的基本原理,并介绍集中式补偿方案的潮流控制系统。然后,介绍贯通牵引网分段保护与状态辨识技术方案。最后,探讨外部电源方案,并以某线路实测数据为例,研究树形结构下的均衡电流情况,结果表明,构成树形结构的供电方式能够最大限度实现无均衡电流供电。

交流牵引供电系统仿真通用数学模型及其应用

对交流牵引供电系统进行统一的数学建模,是实现数字化仿真的关键。以多导体传输线模型为基础,构建了适用于不同供电方式的牵引网统一数学模型;基于牵引变电所端口电气量通用变换关系,推导了适用于不同变压器接线形式和不同相序接入的牵引变电所通用等值电路;在链式网络结构的基础上,建立了交流牵引供电系统仿真通用数学模型,并改进潮流计算方法。以此为基础,开发交流牵引供电仿真软件。实例计算表明,该模型具有良好的通用性和较高的精确度,适用于高速、重载电气化铁道牵引供电系统仿真。

基于一种新型牵引补偿变压器的牵引变电群贯通供电系统负序补偿

针对牵引变电所群贯通供电系统负序补偿问题,该文提出基于一种新型牵引补偿变压器与静止无功发生器的负序补偿方案和控制策略。研究牵引补偿变压器的拓扑结构和负序补偿方案,根据无功补偿单元的数目将补偿方案分为补偿模式Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ。从牵引负荷电流有功分量和无功分量角度出发,分别定义负序和无功的约束因子,基于变压器磁动势平衡方程、端口接线方程和对称分量法等构建不同补偿模式下的负序与无功综合补偿数学模型。定义最大无功功率补偿量,将其作为确定补偿方案的依据。提出适用于负序补偿方案的电压和电流双闭环控制策略,通过仿真验证了补偿方案及控制策略的正确性和有效性。基于牵引变电所实测数据分析补偿方案的确定方法,结果表明,合适的补偿方案可以降低补偿装置容量。

外部电力系统对高速铁路供电的RAMS评估及其灵敏度分析

以高速铁路客运专线牵引供电项目建设为背景,提出了高速铁路牵引供电系统可靠性-可用性-可维护性-安全性(RAMS)评估的5个层次HL1～HL5。然后针对HL1的可靠性评估,以高速铁路所有牵引变电站的供电可靠性和铁路的通过能力为评估对象,建立了在考虑越区供电前提下外部电力系统对高速铁路牵引供电的RAMS评估模型,推导了供电可靠性指标和铁路通过能力对电力系统元件可靠性参数的解析表达式和灵敏度表达式。以IEEERTS79给一条高速铁路供电为例,给出了可靠性评估和灵敏度分析的结果,确定了该系统的薄弱环节,验证了所提出的模型和算法的正确性。

牵引变电所群贯通供电系统负序补偿模型及控制策略

针对牵引变电所群贯通供电系统存在的三相电压不平衡问题,提出一种基于三相变压器与静止无功发生器(SVG)的负序集中补偿方案及控制策略。首先,根据牵引变压器的功率变换关系及不同的负荷情况,推导了2种模式下补偿装置对牵引负荷的补偿功率通用表达式。根据中国的电能质量标准,提出了以负序满意补偿为目标的双限值补偿方案,方案包括了模式选择方法、SVG容量配置方法及SVG运行方法。根据补偿方案,设计了带有模式判别的SVG双闭环补偿控制策略。然后,采用牵引变电所实测数据对补偿方案进行验证,证明了方案具有良好的补偿效果,与全补偿方案相比,所提方案需要的装置容量更小。最后,通过仿真证明了控制策略对负序补偿的有效性和较快的响应速度。

牵引供电系统设计方案的综合评判

电气化铁道牵引供电系统设计方案的选择需要考虑众多定量和定性因素的影响,是一个复杂的模糊多属性决策问题。为此,基于牵引供电系统设计原则,建立了方案优选的分层评价指标体系;提出了一种改进的层次分析法与逼近理想解排序法相结合的综合评判决策方法,利用加权平均属性重要度的计算,改进了评价指标权重的求解,通过群决策将专家主客观权重合理组合,集结了决策者的权威性和意见一致性,引入垂面距离的定义度量各方案与模糊理想解之间的贴近度,实现了方案的比较和排序;以某新建客运专线为例进行验证,结果表明:该方法理论清晰,可操作性和通用性强,是牵引供电方案优选的一种有效决策方法。

基于可信性理论的电气化铁路牵引供电系统RAMS的模糊评估

应用故障树分析法建立了牵引变电所和接触网的可靠性模型,进而建立了整个牵引供电系统的可靠性模型.在大量调研的基础上,用梯形模糊变量来描述接触线、承力索和绝缘子的故障率及修复率,用三角形模糊变量来描述牵引变电所和接触网其他部件的故障率和修复率,将牵引供电系统的故障率、修复率和可用度等RAMS指标均视为随机模糊函数,利用可信度理论,实现了牵引供电系统的RAMS模糊评估.计算结果表明,牵引供电系统的可靠性主要取决于接触网的可靠性,而且只要知道了各部件故障率和修复率的大致分布,就可较准确地计算出牵引供电系统的RAMS指标,最大误差只有7%左右,满足工程精度的要求.

铁路枢纽大型客站的牵引供变电设计

研究目的:铁路枢纽大型客站是多条铁路干线的交汇处,是铁路枢纽的客运负荷中心,是涉及车站、联络线、动车所和机务等多种技术设施构成的大型铁路综合设施,对牵引供电的可靠性和灵活性要求较高。本文从铁路枢纽大型客站的自身特点出发,结合牵引供电系统运营维护管理特点,对大型客站在牵引供变电设计中需要考虑的因素及提高牵引供电可靠性和灵活性的措施进行了分析和讨论。

基于阻抗分析法的牵引供电低频网压波动研究

随着CRH系列动车组和和谐系列大功率电力机车的广泛应用,牵引供电系统出现了一系列新的问题,其中牵引供电系统低频网压波动是比较严重的问题。为考察其发生机理,本文建立符合牵引供电低频网压波动实际情况的车网互联系统阻抗模型,利用基于阻抗的系统稳定性分析方法,分析不同阻抗条件下车网互联系统的稳定性,发现机车数量不同时,系统阻抗发生变化,且随着机车数量的逐渐增多,车网互联系统稳定性逐渐降低。基于Matlab/Simulink建立车网互联系统的仿真模型,结合现场实测及仿真分析,验证理论分析的正确性。该研究结果对认识和改善牵引供电系统低频网压波动有一定的参考价值。

牵引变电所用变压器非同期合闸电磁暂态研究

以Dy0型牵引变电所用变压器为例,建立该变压器非同期空载合闸等效电路,分析过电压和励磁涌流的产生机理,并利用电磁暂态仿真软件PSCAD仿真研究变压器非同期合闸时的电磁暂态。结果表明:非同期合闸时的过电压由稳态分量和暂态分量决定,而稳态分量由牵引供电系统的参数决定,暂态分量由合闸时电压向量的合闸角决定;当两相合闸角为90°时,最大过电压为额定电压的1.98倍,基本无励磁涌流;当A相合闸角为0°或180°,且B相未合闸时,变压器不饱和磁通增加,导致未合闸相的电压及励磁电流陡增,最大过电压为额定电压的4.37倍,最大励磁涌流为额定励磁电流的184.5倍,形成严重的励磁涌流;提出采用中间继电器实现两单相断路器同期合闸、在断路器上装设选相合闸装置以及串入合闸电阻以抑制合闸电磁暂态等解决方案。

新型电缆贯通供电系统载流机制

新型电缆贯通供电系统能够取消电分相环节,延长供电距离,并有效治理电气化铁路中的电能质量问题.但电缆牵引网(cable traction network,CTN)包含不同的电压等级,基波电流要首先经过牵引网的各个环节,最终汇聚到列车负载;而列车发射的谐波电流要经过两级渗透,最终返送到公用电网.为研究电缆贯通供电系统的载流机制,针对CTN的特殊拓扑结构,根据双口网络分析方法,建立了车网耦合系统等值电路;分析了CTN中的电流传输规律;利用仿真模型,研究了CTN中的谐波电流分布与中心变电所(main substation,MSS)的谐波电流含量.研究结果表明:当系统内有8个短回路时,单车工况下,基波电流主要在列车所在的单侧供电区间传输;机车电流与MSS电流之比小于4(牵引变压器变比);MSS谐波电流含量较列车处最多降低了43.5%.

能量融通型STATCOM提高牵引变电站供电能力研究

针对重载铁路大秦线扩能引起的电压质量问题,提出采用能量融通型STATCOM对牵引变电站低压侧进行综合补偿,在不新增牵引变压器容量和更换设备的条件下,将轻载臂的能量融通至重载臂,并补偿重载臂无功,从而有效提高牵引变压器容量利用率和牵引网电压水平。重点分析了Scott型牵引变压器低压侧补偿模型和容量利用率,并建立了相应的PSCAD仿真模型和实验室样机,验证了所提出的能量融通型STATCOM对提高牵引供电能力的有效性。

同相供电直挂变流器拓扑结构与容量匹配关系

为优化同相供电变电所变流器的拓扑结构,改善补偿容量,并减少设备占地,运用牵引变电所三相-单相电气量通用变换方法,研究了功率直通型、有功补偿型和无功补偿型3类直挂变流器.结合有源综合补偿特性和功率子模块特点,设计了同相供电直挂变流器的拓扑结构,研究了牵引变电所接线形式与直挂变流器容量匹配关系,最后分析了直挂变流器的器件容量利用率.研究结果表明:有功补偿型和无功补偿型直挂变流器容量不仅与牵引变电所接线形式有关,还与牵引负荷的接入端口和负载类型有关;对有功补偿型,当负荷功率因数大于0.961时,宜选择90°接线牵引变压器,当负荷功率因数小于0.961时,宜选择120°接线牵引变压器,且牵引负荷接入超前相;对无功补偿型,当为交-直-交牵引负荷时,宜选择90°接线牵引变电所,当为感性牵引负荷时,宜选择120°接线牵引变电所.在相同的交-直-交牵引负荷及调制比为0.8条件下,有功补偿型直挂变流器的器件容量利用率最高,达到11.34%.

地铁牵引变电所直流保护隔离放大器的研制

研究和开发了一种地铁直流保护隔离放大器模块,用于地铁直流高压母线的电压隔离、数据采集和传输。该模块应用数字信号处理器实现直流母线电压和电流等相关数据的采集,并且以光纤为媒介实现数据的传输。介绍了该装置的实现方案。试验和实际应用表明,该装置不仅能够满足保护设备工作环境的高绝缘要求,也保证了数据传输的高速和高可靠性。