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含双向变流装置的城轨牵引供电系统协同供电潮流计算

刘炜,曾佳欣,马庆安,张戬,熊蓬,戚贺

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刘炜, 曾佳欣, 马庆安, 张戬, 熊蓬, 戚贺. 含双向变流装置的城轨牵引供电系统协同供电潮流计算[J]. 江南娱乐网页版入口官网下载安装学报, 2023, 58(5): 1145-1153. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20220494
引用本文: 刘炜, 曾佳欣, 马庆安, 张戬, 熊蓬, 戚贺. 含双向变流装置的城轨牵引供电系统协同供电潮流计算[J]. 江南娱乐网页版入口官网下载安装学报, 2023, 58(5): 1145-1153.doi:10.3969/j.issn.0258-2724.20220494
LIU Wei, ZENG Jiaxin, MA Qingan, ZHANG Jian, XIONG Peng, QI He. Calculation of Collaborative Power Flow for Urban Rail Traction Power Supply System with Bidirectional Converter Device[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2023, 58(5): 1145-1153. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20220494
Citation: LIU Wei, ZENG Jiaxin, MA Qingan, ZHANG Jian, XIONG Peng, QI He. Calculation of Collaborative Power Flow for Urban Rail Traction Power Supply System with Bidirectional Converter Device[J].Journal of Southwest Jiaotong University, 2023, 58(5): 1145-1153.doi:10.3969/j.issn.0258-2724.20220494

含双向变流装置的城轨牵引供电系统协同供电潮流计算

doi:10.3969/j.issn.0258-2724.20220494
基金项目:国家自然科学基金(51607148)
详细信息
    作者简介:

    刘炜(1982—),男,副教授,研究方向为牵引供电系统理论与仿真、杂散电流与钢轨电位和再生制动能量利用,E-mail:liuwei_8208@swjtu.cn

  • 中图分类号:TM922.3

Calculation of Collaborative Power Flow for Urban Rail Traction Power Supply System with Bidirectional Converter Device

  • 摘要:

    双向变流装置可以有效抑制牵引变电所直流侧网压的波动, 减小跨区间传输的电流,限制钢轨电位. 鉴于电双向变流装置与整流机组的协同控制策略会对城轨牵引供电系统潮流产生直接影响,提出双向变流装置与24 脉波整流机组协同供电的方案,分析该方案下牵引变电所的综合输出外特性;建立计及换流装置精确有功损耗的牵引变电所供电计算模型,并提出考虑滞环比较的多状态切换控制策略,实现含双向变流装置的城轨牵引供电系统协同供电潮流计算;通过与Simulink仿真结果对比,验证算法的有效性及准确性. 以某地铁工程为例进行仿真,仿真结果表明:协同供电方案下,牵引网网压上升,全线上、下行钢轨电位最大值分别降低12.6%~15.6%、14.7%~17.5%,直流牵引供电系统损耗、系统综合成本最多可分别降低9.7%、1.17%;随着双向变流装置整流启动电压增大,部分牵引变电所的整流/逆变功率增大,直流牵引供电系统损耗先升高后降低,但钢轨电位变化不大. 在实际工程中,双向变流装置的逆变启动电压一定时,适当提高其整流启动电压可以获得更佳的节能效果.

  • 图 1BCD与整流机组下垂特性

    Figure 1.Droop characteristics of bidirectional converter and rectifier unit

    图 2牵引变电所综合输出外特性

    Figure 2.Integrated output characteristics of traction substations

    图 3牵引变电所交直流接口模型

    Figure 3.AC–DC interface model of traction substations

    图 412脉波整流机组单相等值模型

    Figure 4.Single phase equivalent model of 12-pulse rectifier unit

    图 5双向变流装置单相等值模型

    Figure 5.Single phase equivalent model of bidirectional converter

    图 6牵引变电所运行状态确定法

    Figure 6.Method of determining traction substation operation state

    图 73所4车供电系统结构

    Figure 7.Power supply system structure of 3 stations and 4 vehicles

    图 8TS2直流电流、网压对比

    Figure 8.Comparison of TS2 DC and network voltage

    图 9单车牵引等效电路

    Figure 9.Equivalent circuit diagram of bicycle traction

    图 10PnetEeq、x1变化三维图

    Figure 10.Three-dimensional diagram ofPnetvaried withEeqandx1

    图 11某地铁工程线路

    Figure 11.Subway line

    图 12t= 155 s时全线钢轨电位、牵引网网压分布

    Figure 12.Rail potential and traction network pressure distribution whent= 155 s

    图 13t= 155 s时牵引变电所功率分布

    Figure 13.Power distribution of traction substation whent= 155 s

    图 14直流牵引供电系统平均每小时损耗电能

    Figure 14.Average hourly power loss of DC traction power supply system

    表 1Ud0k2选取

    Table 1.Selection ofUd0andk2

    k2/k1 Ud0/Udr
    1 −δV 1 1 +δV
    1−δk 方案 1 方案 2 方案 3
    1 方案 4 方案 5 方案 6
    1 +δk 方案 7 方案 8 方案 9
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    表 2仿真参数

    Table 2.Simulation parameters

    仿真参数 数值 仿真参数 数值
    Udr/V 1 664 nb 6
    Udi/V 1720 VF/V 1.322
    Uon/V 1790 Rn/(Ω·km−1 0.0172
    SB/kW 2 000 Rt/(Ω·km−1 0.02
    SR/kW 3 000 ηs 0.25
    SN/kW 1 000 np 4
    VN/V 1 500 ns 1
    δV/% 2 δk/% 40
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    表 3变压器铭牌参数

    Table 3.Nameplate parameters of transformer

    变压器 短路损耗/kW 空载损耗/kW 穿越阻抗/% 空载电流/% 额定容量/
    (MV•A)
    半穿越阻抗/%
    整流变压器 21.544 4.407 7.67 0.256 3.0 6.38
    BCD 27.000 6.670 6.00 0.300 2.5
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    表 4PnetPdevice对比

    Table 4.Comparison ofPnetandPdevice kW

    控制方案 Pnet Pdevice
    模型 1 模型 2 模型 1 模型 2
    方案 0 965.941 948.997 78.367 82.017
    方案 1 839.404 858.485 129.585 140.863
    方案 2 791.650 765.166 156.914 168.105
    方案 3 763.240 740.965 186.323 194.123
    方案 4 864.456 876.991 131.281 135.308
    方案 5 795.564 801.213 147.300 147.922
    方案 6 774.569 782.603 159.613 175.122
    方案 7 881.667 867.185 127.999 134.818
    方案 8 824.344 832.667 138.419 140.062
    方案 9 790.304 784.278 152.234 156.016
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    表 5工程算例行车组织

    Table 5.Traffic organization of cases

    发车对
    数/对
    初期运营时
    每天持续时间/h
    近期运营时
    每天持续时间/h
    8 14 3
    10 4 11
    18 + 9 0 4
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    表 6综合成本参数

    Table 6.Overall cost parameters

    参数 取值 参数 取值
    BCDpc/万元 80 EFSpc/万元 40
    cmt/元 1000 Y/年 10
    N/个 14 Ey/(元·(kW·h−1−1 0.75
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    表 7算例综合成本

    Table 7.Overall costs of cases 万元

    控制方案 FSB,Udi,Udh,k2 控制方案 FSB,Udi,Udh,k2
    方案 0 88234.25 方案 5 90123.28
    方案 1 89834.89 方案 6 87200.14
    方案 2 91338.15 方案 7 89812.72
    方案 3 87969.00 方案 8 89235.79
    方案 4 89815.68 方案 9 87446.19
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出版历程
  • 收稿日期:2022-07-13
  • 修回日期:2022-11-04
  • 网络出版日期:2023-04-21
  • 刊出日期:2022-11-11

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