DCTPS在城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)中的應(yīng)用

邢玥，星成武

（中鐵電氣化局集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)研究院，北京100000）

1 工程概況

昆明市軌道交通4 號(hào)線工程（以下簡(jiǎn)稱“4 號(hào)線工程”），起于昆明西北部的陳家營(yíng)站，終到昆明火車(chē)南站，全長(zhǎng)約43.393km，全線設(shè)陳家營(yíng)站、大河埂站、大塘子站、小屯站、昆明火車(chē)南站等29 座車(chē)站。供電系統(tǒng)采用110/35kV 兩級(jí)電壓集中供電方式，動(dòng)力照明配電系統(tǒng)共用35kV 供電網(wǎng)絡(luò)。牽引供電制式采用直流1500V 接觸軌供電、走行軌回流方式。全線設(shè)17 座牽引降壓混合變電所（其中，正線14 座，車(chē)輛段和2處停車(chē)場(chǎng)各設(shè)1 座）。

2 直流牽引供電仿真系統(tǒng)

直流牽引供電仿真系統(tǒng)，通過(guò)牽引計(jì)算獲得站間運(yùn)行時(shí)分、運(yùn)行速度、平均速度等信息，同時(shí)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行供電計(jì)算，對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)評(píng)估，并以文本、CAD 等形式輸出數(shù)據(jù)報(bào)表。直流牽引供電仿真系統(tǒng)框圖，如圖1 所示。

在DCTP 軟件仿真中，列車(chē)優(yōu)化操縱策略，綜合考慮復(fù)雜線路條件，采用多質(zhì)點(diǎn)列車(chē)模型模擬列車(chē)運(yùn)行，對(duì)列車(chē)控制策略和控制策略轉(zhuǎn)換點(diǎn)位置采用統(tǒng)一的變長(zhǎng)實(shí)矩陣編碼，通過(guò)多種群遺傳算法尋找合理的列車(chē)優(yōu)化操縱序列[1]。列車(chē)運(yùn)行仿真計(jì)算過(guò)程如圖2 所示。

圖1 直流牽引供電仿真系統(tǒng)框圖

在DCTP 軟件仿真中，24 脈波整流機(jī)組是由2 套12 脈波機(jī)組同時(shí)掛接在同一段母線上，并聯(lián)運(yùn)行。其中，12 脈波牽引整流機(jī)組，如圖3 所示。對(duì)于單臺(tái)整流機(jī)組運(yùn)行情況下，12 脈波的整流機(jī)組，空載直流輸出電壓Ud12為：

圖2 列車(chē)運(yùn)行仿真計(jì)算過(guò)程

式中，U2為二次側(cè)線電壓額定值；ω 為工頻角頻率；t為時(shí)間。

圖3 12 脈波整流機(jī)組原理圖

當(dāng)把2 臺(tái)整流機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行，得到24 脈波的整流機(jī)組空載直流輸出電壓波形，如圖4 所示，它的脈波寬度為π/12，其脈波幅值為倍的閥側(cè)線電壓。

圖4 2 臺(tái)整流電路并聯(lián)輸出的24 脈波電壓波形

在DCTP 軟件仿真中，按照節(jié)點(diǎn)電壓法建立直流系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型[2]，進(jìn)行潮流計(jì)算，獲得各整流機(jī)組的工作負(fù)荷。

3 牽引變電所布點(diǎn)設(shè)計(jì)

牽引變電所布點(diǎn)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下原則：（1）根據(jù)車(chē)站、車(chē)場(chǎng)分布，線路平縱斷面、車(chē)輛選型等資料，通過(guò)牽引供電計(jì)算，并充分考慮各期工程的銜接和發(fā)展，經(jīng)多方案比選后確定；（2）符合GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》接觸軌額定電壓DC1500V最高、最低值的規(guī)定[3]；（3）正常運(yùn)行時(shí)，正線牽引網(wǎng)由相鄰的牽引變電所雙邊供電，車(chē)場(chǎng)牽引網(wǎng)由車(chē)場(chǎng)牽引變電所單邊供電。全線只考慮任意1 座牽引變電所解列的情況，當(dāng)正線1 座牽引變電所解列時(shí)，對(duì)于線路中間牽引變電所，由相鄰的正線牽引變電所越區(qū)大雙邊；對(duì)于線路端頭牽引變電所，由相鄰的正線牽引變電所越區(qū)單邊供電。當(dāng)車(chē)場(chǎng)牽引變電所解列時(shí)，由鄰近的正線牽引變電所向車(chē)場(chǎng)牽引網(wǎng)越區(qū)單邊供電。不考慮正線牽引變電所解列，由車(chē)場(chǎng)牽引變電所向正線牽引網(wǎng)越區(qū)供電的情況。

根據(jù)上述原則，確定4 號(hào)線采用6 輛編組列車(chē)（4 動(dòng)2 拖）、在系統(tǒng)規(guī)模運(yùn)營(yíng)高峰小時(shí)時(shí)，對(duì)應(yīng)單邊供電和雙邊供電情況下，牽引網(wǎng)電壓水平和鋼軌電位均滿足要求的牽引變電所分布的最大距離[4，5]，布點(diǎn)方案如圖5 所示。

圖5 牽引變電所布點(diǎn)方案

從圖5 可以看出，方案一：正線設(shè)置14 座牽引變電所，正線牽引變電所的最大間距離為4054m，最小間距為2881m，平均間距3316m。3 處車(chē)場(chǎng)內(nèi)各設(shè)1 座牽引變電所。方案二：正線設(shè)置15 座牽引變電所，正線牽引變電所的最大間距離為4054m，最小間距為2268m，平均間距3079m。3 處車(chē)場(chǎng)內(nèi)各設(shè)1 座牽引變電所。

4 牽引變電所布點(diǎn)的比選方案

在DCTPS 仿真系統(tǒng)中，通過(guò)牽引供電模擬仿真計(jì)算，得到牽引變電所布點(diǎn)的比選方案。

4.1 牽引整流機(jī)組容量配置

每座牽引變電所設(shè)置2 套12 脈波牽引整流機(jī)組、并聯(lián)運(yùn)行構(gòu)成等效24 脈波整流。方案一、二的牽引整流機(jī)組容量配置，如圖6 所示。其中，方案一總安裝容量為83200kV·A, 方案二總安裝容量為88200kV·A。

4.2 主要技術(shù)指標(biāo)

方案一、二的主要技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。通過(guò)對(duì)方案一和方案二的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比可以得到表2。通過(guò)表2 可以看出,根據(jù)設(shè)計(jì)階段的牽引模擬計(jì)算，鋼軌電位的電壓水平在最嚴(yán)重情況下一般不大于90V；在正常運(yùn)行和非正常運(yùn)行情況下的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足IEC 規(guī)范IEC62128—1—2003 及我國(guó)GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，且方案一的供電質(zhì)量稍優(yōu)于方案二；方案一牽引變電所的數(shù)量比方案二少1 座，節(jié)約了工程投資量。同時(shí)，根據(jù)圖6可知，方案二的安裝容量高于方案一，方案一的牽引整流機(jī)組利用率更高。

表1 主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

表2 技術(shù)參數(shù)對(duì)比表

圖6 牽引整流機(jī)組容量配置

綜上所述，根據(jù)DCTPS 軟件牽引供電計(jì)算參數(shù)，以及考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)因素和節(jié)約工程投資的因素，推薦4 號(hào)線工程牽引變電所布點(diǎn)方案采用方案一。