Industrial frequency single-phase AC traction power supply system for urban rail transit and its key technologies

To avoid stray current and maintain the benefit of no phase-split in the DC traction power supply system, an AC traction power supply system was proposed for the urban public transport such as metro and light rail transit. The proposed system consists of a main substation （MSS） and cable traction network （CTN）. The MSS includes a single-phase main traction transformer and a negative-se- quence compensation device, while the CTN includes double-core cables, traction transformers, overhead catenary system, rails, etc. Several key techniques for the proposed system were put forward and discussed, which can be summarized as （1） the power supply principle, equivalent circuit and transmission ability of the CTN, the cable-catenary matching technique, and the selection of catenary voltage level; （2） the segmentation technology and status identification method for traction power supply network, distributed and centralized protection schemes, etc.; （3） a power supply scheme for single-line MSS and a power supply scheme of MSS shared by two or more lines. The proposed industrial frequency single-phase AC traction power supply system shows an excellent technical performance, good economy, and high reliability, hence provides a new alternative for metro and urban rail transit power supply systems.

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.

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。

城市轨道交通贯通供电方式牵引网分段供电方案及故障辨识方法

[目的]城市轨道交通线路采用贯通供电方式时,因牵引网结构复杂且无备用,牵引网发生故障时可能会扩大停电范围,为此需要对牵引网的分段供电方案进行优化。[方法]提出了一种适用于贯通供电方式的牵引网分段供电方案。基于牵引网分段供电拓扑特征,结合车-网耦合特性,提出了分段故障、过渡段故障的辨识方法。对牵引网分段短路和过渡区短路2个故障场景的控制方案进行了分析,描述了这2个故障场景下牵引网的自愈流程,并制定了这2个故障场景对应的断路器控制方案。以广州地铁18号线牵引供电系统为例,通过MATLAB/Simulink软件仿真,验证了所提分段供电方案及故障辨识方法的正确性和可靠性。[结果及结论]该方法可有效辨识故障区段。牵引网故障断路器控制方案可为分段和过渡区提供可靠的主保护,可保证广州地铁18号线牵引供电系统稳定、高效运行。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

城市轨道交通直流暂态短路计算

分析了直流牵引供电系统暂态短路过程,从系统角度构建了暂态短路计算模型。结合工程应用,开发TranShortCalcu进行暂态短路计算,并搭建MATLAB/Simulink直流牵引供电系统模型进行仿真计算。

城市轨道交通信号系统过分相限速保护方案研究

交流牵引供电制式线路由于接触网需设置电分相区域,存在列车采用惯性通过分相区的需求。因RM限速25 km/h,存在由于速度过低无法利用惯性通过分相区的情况。为此,文章以国内已投入运营的某条交流牵引供电线路为例,结合该线路已在分相区安装地面磁感应器用于断开、闭合车辆牵引系统主断路器的特点,通过在分相区适当位置新设地面磁感应器,在列车上对应新增位置读取设备,使列车通过新设的地面磁感应器时获得分相区位置信息,用于信号系统建立或退出“过分相驾驶模式”,以确保列车在该模式有效期间按列车利用惯性可通过分相区的限速运行,从而实现RM下提供超速防护以及确保列车正常通过分相区2个目标的兼顾。

城轨能馈型牵引供电系统仿真分析

城市轨道交通作为城市的用能大户,其绿色发展和低碳设计具有重要意义。本文针对城轨牵引供电系统,首先介绍了传统牵引供电系统的构成及不足、能馈型牵引供电系统的构成及相应优点,然后分析了能馈型牵引供电系统关键设备变流器的电路模型及控制算法,再通过仿真对比分析了两种供电方式下的电能质量,在此基础上,总结了能馈型牵引供电系统的节能效果与发展潜力。

基于模块占用的城市轨道交通牵引供电系统建模研究

目前已有的城市轨道交通直流牵引供电仿真模型未能较好地利用列车的实测数据。通过列车实际数据构建仿真模型,既能校验模型的准确性,又能还原列车实际过程中牵引供电系统的能量流动情况。本文基于MATLAB/Simulink构建了城轨车网仿真模型,从采集的列车实际运行数据出发,输入列车实际电流和位置,输出变电所和列车电压,从而还原牵引网的能量流动情况。同时,针对城轨牵引供电系统拓扑结构随列车移动时变的特点,采用列车模块占用的方法模拟列车的站间移动。最后,采用国内某条线路实际数据作算例分析,得到平均相对误差为1.93%,方差为0.13%,一定程度上验证了模型的准确性。