基于Simulink/MATLAB的实际地铁线路供电系统短路试验仿真分析

直流牵引供电系统在城市轨道交通中扮演着关键角色,其安全可靠的运行对整个城市轨道交通系统的运行至关重要。该文首先介绍地铁牵引供电系统的结构和功能,并建立地铁外部交流电源、整流机组和牵引网络的仿真模型。该仿真模型根据实际地铁牵引供电系统的结构和参数进行构建,旨在研究不同短路情况下的短路特性,包括电源出口短路、近距离短路和远距离短路。通过评估供电系统在短路故障下的稳定性和可靠性,得出若干研究结果。这些结果为地铁供电系统选择合适的一次设备提供理论依据,有助于确保城市轨道交通供电系统的稳定性和可靠性。

城市轨道交通碳化硅三电平牵引变流器应用探索

城轨交通将绿色节能作为发展目标,城轨牵引变流器以低损耗为发展方向。碳化硅器件具有耐高温、所承受开关频率较高和功率损耗低的优势,应用于三电平变流器,可有效提高系统效率、降低能耗、减轻设备重量。针对碳化硅三电平牵引变流器在城轨牵引领域的应用,首先分析城轨牵引变流器功率器件和拓扑的发展现状,从牵引系统的发展需求提炼出牵引变流器的优化需求;结合材料特性研究碳化硅器件应用于城轨牵引领域的性能优势,以及可能给牵引系统设计带来的技术挑战。对比探究5种常用的三电平逆变器拓扑结构和各种牵引传动控制方法在城轨领域的适应性,总结其结构特点对碳化硅器件应用的促进作用。归纳三电平变流器在城轨牵引系统中的应用局限,探讨碳化硅器件对其输出性能的优化作用。讨论碳化硅三电平变流器拓扑在城轨牵引系统中的应用可能,通过仿真实验对比不同拓扑的器件损耗分布。研究结果表明:碳化硅器件本身即对降低功率损耗具有明显优势,三电平拓扑及合适的控制策略可降低碳化硅器件的应用成本,二者结合可进一步缩小变流器和相关设备的体积,延长系统使用寿命。因此,将碳化硅三电平变流器应用于城轨交通符合发展需求。研究可为后续城市轨道交通牵引变流器的优化提供参考。

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。

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。

城轨车辆牵引系统电磁发射机理分析与滤波研究

城轨车辆牵引系统采用脉宽调制控制,具有高电压、大电流、脉冲干扰特性,作为主要的电磁干扰源之一,对列车系统的电磁兼容性产生重要影响;文章根据车辆系统设计,结合电磁干扰电流流通路径,分析牵引逆变系统主要电磁发射回路;通过建立高频干扰电流简化计算模型,研究减小牵引系统电磁发射的滤波参数设计方法,仿真对比各种滤波方案的抑制效果;最后,通过列车对外辐射发射测试验证优化方法的有效性。

城市轨道交通车辆全寿命周期成本研究

车辆是城市轨道交通工程中的核心组成部分,通过全面分析车辆的购置、运营、维修和废弃等方面的成本,实现车辆成本的最小化和精细化管理,具有巨大的经济效益和社会效益。文章对轨道交通车辆全寿命周期各个阶段成本进行分解,建立全寿命周期成本(Life Cycle Cost,LCC)模型,针对轨道车辆项目成本中故障维修费用的复杂性,文章以车辆牵引系统为例,基于国内某地铁公司部分车型牵引系统维修数据,运用BP神经网络对轨道车辆牵引系统纠正性维修费用进行估算和预测。

含双向变流装置的城市轨道交通牵引供电系统研究进展

[目的]我国城市轨道交通线路传统的牵引供电系统大多采用二极管整流机组,该方式存在电能只能单向流动、再生制动能量无法回馈到供电系统等问题。可有效解决此问题的基于IGBT(绝缘栅双极型晶体管)的双向变流装置已研制成功,并有应用案例。为了促进双向变流技术的进一步发展,需了解双向变流装置的研究进展。[方法]阐述了双向变流装置特点,整流/逆变双向变流技术概要及双向变流能量综合管理系统构架。分析了双向变流装置在国内外的应用现状,阐述了2个电压控制策略(恒压控制策略、下垂控制策略)的直流电压、电流输出外特性。介绍了既有的潮流计算算法,探讨了含双向变流装置的城市轨道牵引供电系统的算法要求。[结果及结论]双向变流装置在城市轨道交通供电系统中的成功应用,实现了列车的再生制动能量回馈,提高了整个供电系统的运行效率。

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。

多种新型城轨牵引供电系统仿真与节能分析

为降低城轨牵引供电系统中的能源消耗,对多种新型城轨供电系统的节能策略开展研究。首先,基于传统潮流计算求解方法,建立城市轨道交通牵引供电系统的等效电路模型,并考虑城轨车辆牵引能量的非线性特性及多车模型中的等效电路变化。然后,利用等效电路模型以及各节点电压,设计系统的潮流解析方法。最后,结合合肥市轨道交通1号线相关数据,利用多列车运行仿真模拟结果,分析现有牵引供电系统与逆变回馈、储能、光伏3种新型牵引供电系统的牵引变电站功率、电压、能耗等指标。研究结果表明:相比于现有牵引供电系统,具有逆变回馈的牵引供电系统可以显著减小牵引变电所能耗,具有储能系统的牵引供电系统能够有效降低牵引变电所峰值功率,具有光伏系统的牵引供电系统可减小24.89%的牵引变电站能耗。研究结果以期为提高城市轨道交通的节能减排效率提供参考。

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。

城轨交流3 kV牵引供电系统方案及其可靠性评估

城轨交流3 kV牵引供电系统为城轨交通提供了一种新的供电制式,对该系统进行可靠性评估具有重要工程价值。本文研究了无光伏接入和有光伏接入的城轨交流3 kV牵引供电系统方案,因光伏接入不会对城轨交流3 kV牵引供电系统的供电可靠性产生明显影响,两类方案可靠性基本相同。在基于GO法构建系统各部分可靠性评估模型的基础上计算系统整体可靠性,结果表明,采用电缆100%备用方式可显著提高牵引供电系统整体可靠性,接触网因无备用、可靠性低成为牵引供电系统中薄弱环节。

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。

轨道交通柔性交流牵引供电系统无源一致性稳定控制方法

针对以双向变流器为核心的轨道交通柔性交流牵引供电系多变量、强耦合、非线性特性,在dq坐标下建立双线性系统模型,满足状态变量与控制变量同步线性变换,设计形式简单的无源性控制律,将相邻双向变流器一致性误差嵌入无源性控制器输出量,实现变流器直流侧电压与dq轴电流期望轨迹同步快速跟踪,达成多变流器协同控制目标。基于MATLAB的仿真结果验证所提方法在列车负荷功率需求变化、控制器参数摄动情形下能实现多变流器功率精确分配,相比传统下垂PI控制,所提方法具有动态响应快、同步性好、稳定性高的特点。

基于机会约束规划的含电动汽车市域铁路牵引供电系统优化运行

市域铁路为市区和郊区提供了便捷通道,沿线车站不仅可实现电动汽车停车换乘,也为电动汽车接入铁路牵引供电系统提供了友好接口。为了提升列车再生制动能量利用率,降低市域铁路运营成本,本文提出了一种含电动汽车的同相牵引供电系统优化运行模型,以牵引变电所日电费成本最低为目标,优化电动汽车和超级电容的充放电策略、牵引变电所功率调控策略。为应对电动汽车到达时间、离开时间和初始荷电状态的不确定性,使用机会约束规划,利用概率约束代替传统确定约束,保证电动汽车充电方案满足驾驶要求的置信水平高于预定的置信水平。使用样本均值法将机会约束转换为确定性约束,得到混合整数线性规划模型,然后采用CPLEX求解器求解。仿真分析表明,提出的模型可以有效降低牵引变电所日电费20.37%,体现出了电动汽车在参与牵引供电系统负荷调节中具有良好的灵活性,有效提高了系统的运行经济性。

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。

城市轨道交通列车折返能力仿真系统设计与实现

城市轨道交通列车折返能力与城市轨道交通线路运输能力密切相关,通过列车折返能力仿真系统能够检验牵引特性、线路条件和停站时间等因素对列车折返能力的影响,对研究提高折返能力提供有效的帮助。文章介绍了城市轨道交通列车折返能力仿真系统的设计与实现过程,结合列车牵引计算、设备选型、线路条件等因素,该系统实现了对列车折返过程中速度曲线与折返时间的计算与仿真。以郑州轨道交通某折返站为例,对该系统的功能及技术可行性进行了验证,验证结果基本符合我国实际情况,该系统能够作为城市轨道交通列车折返能力相关工作的辅助工具。

一种适用于长距离牵引供电的变电所方案

针对部分城市轨道交通线路存在长大区间且难以设置区间牵引变电所的工程难点,从优化变电所自身设计角度,提出了在区间两端牵引变电所内设置两套互为备用的牵引供电设备以增加其牵引供电能力的实施方案,同时对基于该方案下的变电所运行方式切换、保护配置、供电可靠性等方面进行了分析,形成了一套切实可行的设计方法,可有效解决区间内无法加设牵引变电所带来的长距离牵引供电能力不足的问题。

城市轨道交通低碳节能技术下牵引供电系统仿真分析

目的:针对目前多项低碳节能技术同时应用到一条城市轨道交通(以下简称“城轨”)线路上的节能效果尚缺乏评估,无法为最优节能方案的制定与决策提供支撑,因此需要通过多种低碳节能技术下牵引供电系统的仿真分析研究其节能效果。方法:介绍了城轨牵引能耗的构成。从供电设备、牵引电机类型、列车质量及行车组织等多个角度出发,介绍了双向变流技术、永磁同步牵引传动技术、列车轻量化及列车驾驶策略与运行图优化等4种低碳节能技术的原理及特点。搭建了城市轨道交通牵引供电系统仿真平台。以国内某地铁线路为研究背景,对牵引供电系统进行仿真建模,分析了多种低碳节能技术单独应用与综合应用的节能效果。结果及结论:永磁同步牵引电机效率更高,其消耗电能不仅低于异步牵引电机,且其再生能量也高于异步牵引电机;整流装置采用双向变流器的条件下,牵引网损耗减小了7.88 kWh,节能率达16.00%;列车采用铝合金车体后,相同行驶条件下消耗的电能较优化前减少了39.70 kWh,节能率为2.75%;列车运行图优化后,列车消耗电能比优化前减少了48.56 kWh,节能率为3.37%;多种低碳节能技术综合应用的条件下可将牵引供电系统节能率提升至15.79%,节能效果明显。

牵引系统引发BTM天线受扰的预测模型研究

车载BTM(Balise Transmission Module)天线是列车应答器系统的核心部件,处于车底复杂电磁环境中,易受到电磁干扰影响列车正常运行。近期出现的车载应答器受扰问题多是由于牵引系统引发的干扰信号耦合到BTM天线中导致的,针对牵引系统引发BTM天线受扰问题,开展列车车载BTM天线受扰的干扰预测模型研究。首先,通过分析城轨列车牵引系统干扰源产生机理及完整的干扰传递路径,搭建车载BTM天线受扰的全链路电磁干扰预测仿真模型;其次,将仿真获取的干扰电压传递函数与现场测得的变流器整流侧共模电流在频域进行叠加,得到车载BTM天线干扰预测电压;最后,将仿真结果与测试结果进行对比,验证干扰预测模型的准确性。研究表明,通过仿真获取的干扰预测电压与现车实测结果在2~6 MHz内具有一致性,覆盖车载BTM天线工作频段,可对车载BTM天线的受扰情况进行有效预测。研究成果为进一步探究干扰控制方法,提高列车运行的安全性奠定了基础。

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。