新一代智慧型城市轨道交通牵引供电系统创新理念与实践.pdf

城轨交通牵引供电系统的最新技术发展与应用实践系列论坛 主持人 刘志刚刘志刚 博士 北京交通大学教授 博士生导师 北京市轨道交通电气工程技术研究中心主任 中国城市轨道交通协会专家和学术委员会委员 全国工程硕士专业学位教育指导委员会委员 中国电工技术学会轨道交通电气装备专业委员会副主任 北京市电工技术学会副理事长 国务院政府津贴专家 茅以升铁道科技奖获得者 长期从事轨道交通车辆牵引传动系统，轨道交通供电系统，信息化与自动化及网络智能化，电磁长期从事轨道交通车辆牵引传动系统，轨道交通供电系统，信息化与自动化及网络智能化，电磁兼容，兼容，RAMSRAMS等技术研究创新性地提出了采用大功率等技术研究创新性地提出了采用大功率PWMPWM整流器技术进行城市轨道交通再生制动能量回整流器技术进行城市轨道交通再生制动能量回馈方法，完成了装置研制并实现产业化应用；率领团队完全自主研制了我国首列馈方法，完成了装置研制并实现产业化应用；率领团队完全自主研制了我国首列100%100%低地板轻轨车的低地板轻轨车的牵引传动系统，填补了国内空白；创新性地提出了高速铁路牵引系统的安全性预测与安全性控制等理牵引传动系统，填补了国内空白；创新性地提出了高速铁路牵引系统的安全性预测与安全性控制等理论方法。

主持完成了我国首列“混合动力动车组”牵引变流系统的研制主持完成了我国首列“混合动力动车组”牵引变流系统的研制 北京交通大学电气工程学院北京交通大学电气工程学院 刘志刚刘志刚 新一代智慧型城市轨道交通牵引供电系统的创新一代智慧型城市轨道交通牵引供电系统的创 新理念与实践新理念与实践 6 2 4 5 总结与展望总结与展望 创新理念及发展思路创新理念及发展思路 新一代智慧型牵引供电系统新一代智慧型牵引供电系统 关键核心技术关键核心技术 重要问题探讨重要问题探讨 大纲大纲 1 引言引言 -1- 6 2 4 5 总结与展望总结与展望 创新理念及发展思路创新理念及发展思路 新一代智慧型牵引供电系统新一代智慧型牵引供电系统 关键核心技术关键核心技术 重要问题探讨重要问题探讨 1 引言引言 大纲大纲 -2- 1.引言引言1.1 城市轨道交通大发展城市轨道交通大发展 2016年底，全国0个城市开通轨道交通运营线路1条，运营里程超过4152.8公里 2016年各城市的轨道交通运营线路长度年各城市的轨道交通运营线路长度 -- 2016年在建线路566.5公里，截止2016年末，共有58个城市城轨线网规划获批，规划线路总长达705.公里。

2016年各城市的轨道交通在建线路长度年各城市的轨道交通在建线路长度 1.引言引言-4- • 安装能馈装置，但是仅能量回馈用， 设备 四象限运行能力未发挥 问题1 问题1 问题2 问题2 问题 问题 问题4 问题4 系统结构复杂，建设投资大系统结构复杂，建设投资大 • 设备种类多，除了整流机组外，还需配 备能量回馈装置，无功补偿装置，融冰装 置等 缺乏系统综合优化缺乏系统综合优化 • 容量配置问题，车地配合问题 智能化程度不高智能化程度不高 • 缺乏对故障设备的精准定位以及故障分析，更做不到基于大数据的辅助维护维修 当前牵引供当前牵引供 电系统问题电系统问题 当前牵引供当前牵引供 电系统问题电系统问题 设备功能未充分发挥设备功能未充分发挥 1.2牵引供电系统牵引供电系统采用采用“打补丁打补丁”的方案的方案 1.引言引言-5- 1 6 4 5 引言引言 总结与展望总结与展望 新一代智慧型牵引供电系统新一代智慧型牵引供电系统 关键核心技术关键核心技术 重要问题探讨重要问题探讨 2 创新理念及发展思路创新理念及发展思路 大纲大纲 -6- 2.1 发展思路发展思路 坚持需求导向的创新 采用新技术是为了获得更好的性能、更完备的功能和取得系统全生命周期内的经济技术指标最优，避免为了创新而创新。

用新技术提升牵引供电系统技术水平 结合智能化，互联网＋，大数据技术等现代最新技术，主动实现装备升级 1 2 有意识的布局科学技术研究 在基础研究，装备研制，系统集成三个层次上，摆正关系、合理布局 2.创新理念及发展思路创新理念及发展思路-7- 2. 2 系统最优的概念系统最优的概念 系统整体优化， 寻求综合最优 优化设计牵引供电系统设备布局和容量配置，考虑车的牵引与制动特性 结构最简， 多功能于一体 简化供电系统结构，减少设备种类，降低综合建设成本和后期运营维护成本 1 2 增强性能，提高供电品质 直流供电质量提高，谐波含量低，动态响应快 2.创新理念及发展思路创新理念及发展思路-8- 2. 经济合理性经济合理性 1. 降低综合建设成本 功能复合：牵引供电；能量回馈； 无功补偿；接触网融冰 2. 减少使用维护成本 智能化：高可靠性、低故障率、免维护设计、智能故障诊断、寿命预测 经济合 理性 CESR预期剩余寿命40.5 10 h故障态亚安全态440.5 10~ 2 10hh4>2 10 h安全态威布尔分布100%ESR260%ESR0%C5%C2.创新理念及发展思路创新理念及发展思路-9- 6 2 4 5 总结与展望总结与展望 创新理念及发展思路创新理念及发展思路 关键核心技术关键核心技术 重要问题探讨重要问题探讨 1 引言引言 新一代智慧型牵引供电系统新一代智慧型牵引供电系统 大纲大纲 -10- .新一代智慧型牵引供电系统新一代智慧型牵引供电系统.1 对比与启发对比与启发 高铁供电及 牵引传动系统示意图 城轨供电及 牵引传动系统示意图 四象限 变流牵引逆 变器MM电机接触网列车牵引逆 变器MM 地面供电三相 5kV接触网钢轨列车电机AC DC AC -11- .2 核心技术基础核心技术基础——四象限变流器四象限变流器 大功率四象限变流器（又称PWM整流器），它是基于PWM脉宽调制技术的一种功率变换装置。

主电路 等效电路 .新一代智慧型牵引供电系统新一代智慧型牵引供电系统-12- 四象限运行工作原理四象限运行工作原理 aeaLIjaUaeaLIjaUaI(1) 功率因数为1(2) 功率因数为-1aIaeaLIjaUaeaLIjaU() 电流滞后90度(4) 电流超前90度aIaI等效电路 .新一代智慧型牵引供电系统新一代智慧型牵引供电系统-1- 第一代第一代 第一代第一代 解决基本牵引供电需求 解决基本牵引供电需求 第三代第三代 第三代第三代 第四代第四代 第四代第四代 具备能量回馈、牵引供电、分布式无功补偿 及故障诊断等功能 具备能量回馈、牵引供电、分布式无功补偿 及故障诊断等功能 四象限变流，且具备智能故障诊断与寿命预 测等功能 四象限变流，且具备智能故障诊断与寿命预 测等功能 第二代第二代 第二代第二代 解决基本牵引供电需求，同时考虑回馈节能 解决基本牵引供电需求，同时考虑回馈节能 . 什么是新一代牵引供电系统？什么是新一代牵引供电系统？ ①① 牵引供电系统牵引供电系统“四代四代”划分划分 .新一代智慧型牵引供电系统新一代智慧型牵引供电系统-14- ②② 技术成熟度技术成熟度 .新一代智慧型牵引供电系统新一代智慧型牵引供电系统应用成熟 正在推广 研发阶段 第二代 第三代 第四代 -15- ③③ 未来发展未来发展——高度智能化（第四代）高度智能化（第四代） 系统网络信息化与控制系统网络信息化与控制 系统网络信息化与控制系统网络信息化与控制 智能故障诊断智能故障诊断 智能故障诊断智能故障诊断 智能寿命预测智能寿命预测 智能寿命预测智能寿命预测 状态修状态修 状态修状态修 .新一代智慧型牵引供电系统新一代智慧型牵引供电系统-16- ④④ 技术及经济指标对比技术及经济指标对比 系统特点系统特点 节能效节能效 果果 系统系统 构成构成 综合建综合建 设成本设成本 运营维护运营维护 成本成本 智能化智能化 程度程度 第一代 二级管整流供电+电阻 吸收+SVG 无 复杂 高 高 低 第二代 二级管整流供电+能量 回馈+SVG 有 复杂 高 高 低 第三代 二级管整流供电+中压 能馈（含无功补偿） +故障诊断 更好 简化 低 降低 较高 第四代 四象限变流 +智能故障诊断 +寿命预测 更好 进一步 简化 低 进一步 降低 高 .新一代智慧型牵引供电系统新一代智慧型牵引供电系统-17- ⑤⑤ 新一代供电系统的特征新一代供电系统的特征 .新一代智慧型牵引供电系统新一代智慧型牵引供电系统系统构成简化系统构成简化 节能效果显著节能效果显著 智能化水平提高智能化水平提高 综合建设成本降低综合建设成本降低 运营维护成本降低运营维护成本降低 灵活性和可扩展性灵活性和可扩展性 -18- .新一代智慧型牵引供电系统新一代智慧型牵引供电系统新一代牵引供电系统功能示意图新一代牵引供电系统功能示意图 110kV5kV变电所变电所下行接触网下行钢轨上行接触网上行钢轨牵引 （（1）牵引供电）牵引供电 （（1）牵引供电）牵引供电 （（2）能量回馈）能量回馈 （（2）能量回馈）能量回馈 制动制动 （（）无功补偿）无功补偿 （（）无功补偿）无功补偿 （（4）接触网融冰）接触网融冰 （（4）接触网融冰）接触网融冰 -19- 6 2 5 总结与展望总结与展望 创新理念及发展思路创新理念及发展思路 新一代智慧型牵引供电系统新一代智慧型牵引供电系统 重要问题探讨重要问题探讨 1 引言引言 4 关键核心技术关键核心技术 大纲大纲 -20- 4.1 谐波抑制技术谐波抑制技术 DC变压器变压器#1#2电电 网网谐波对消原理 综合运用多种技术手段，确保交流电网电能质量优于IEC及国家标准的要求，降低成本。

全方位多角度考虑谐波的抑制与优化全方位多角度考虑谐波的抑制与优化  高精度网压同步技术  SVPWM优化调制技术  先进的谐波对消技术  滤波电感优化取值 4.关键核心技术关键核心技术  设备容量的选择设备容量的选择 -21- 中压 电网直流接 触网整流变隔离变4.2 系统保护技术系统保护技术 1 2 4 四象限变流器对牵引供电系统保护的影响和应对策略，满足保护四性 牵引供电系统建模，研究其交直流短路特性、保护配置原则 四象限变流器与所内各既有设备之间的安全闭锁逻辑，确保设备安全 在实际线路完成相关保护配置技术的工程应用验证 1 2 4 4.关键核心技术关键核心技术 -22- 4. 电磁兼容技术电磁兼容技术  完善的电磁兼容理论作为指导  大功率系统电磁防护核心技术  经受严格测试及考核 干扰 干扰 序号 检验项目 要求标准 1 浪涌抗扰度试验 A 2 静电放电抗扰度试验 A 电快速瞬变脉冲群抗扰度试验 A 4 射频场感应的辐射骚扰度扰度试验 A 5 射频场感应的传导骚扰度扰度试验 A 6 工频磁场抗扰度试验 A 7 电压暂降、短时中断和电压变化抗扰度试验 A 4.关键核心技术关键核心技术 -2- 4.4 车地配合技术车地配合技术  高效率牵引系统传动高效率牵引系统传动  电空制动配合电空制动配合  制动能量回馈制动能量回馈  牵引供电牵引供电 车车-地配合地配合 进行车地一体化的综合考虑和系统设计 4.关键核心技术关键核心技术 -24- 4.5 再生制动能量优化利用技术再生制动能量优化利用技术 经过优化的再生制动能量流动路径 基于分布式协同吸收技术，实现再生制动能量在地铁系统内部更好的被利用，降低电能 反送城市电网的概率。

5kV环网整 流 机 组接触网钢 轨1#母线2#母线四 象 限 变 流 器4.关键核心技术关键核心技术 -25- 4.6 功率因数补偿技术功率因数补偿技术 交流进线中压环网DC1500V/750V主变电所中压 能馈 装置 #1钢轨直流接触网中压 能馈 装置 #2中压 能馈 装置 。