新一代智慧型城市轨道交通牵引供电系统关键技术研究与应用—北京市轨道交通电气工程技术研究中心—张刚

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讲嘉宾张钢清华大学博士后北京千驷驭电气有限公司副总经理北京市轨道交通电气工程技术研究中心副主任中国电工技术学会轨道交通电气装备专业委员会委员十余年来一直从事城市轨道交通牵引供电新技术研究及创新应用实践，出版学术专著一部，主持和参加国家十一五、十二五重大科技支撑项目多项，发表核心论文20多篇，拥有发明及实用新型专利10余项。作为主要负责人，成功研发我国首套具有完全自主知识产权的能馈式牵引供电装置，相关技术指标达到国际先进水平。该产品在北京、郑州、成都、贵阳等城市10多条线路推广应用，取得了显著的节能效果。新一代智慧型城市轨道交通牵引供电系统关键技术与应用示范北京交通大学北京千驷驭电气有限公司2新一代智慧型牵引供电系统1技术现状3关键技术研究4工程应用5结束语-1-110kV35kV变电所变电所变电所接触网钢轨SVG变电所上行下行接触网钢轨1.1城轨供电系统的功能与构成1.1城轨供电系统的功能与构成-2-110kV35kV变电所变电所下行接触网下行钢轨SVG上行接触网上行钢轨传统牵引供电系统工作过程示意图牵引1.列车牵引时1.列车牵引时2.列车制动时2.列车制动时制动3.夜间无功补偿3.夜间无功补偿4.接触网融冰4.接触网融冰-3-“十一五”国家科技支撑计划重点项目“城市轨道交通能馈式牵引供电系统及传动系统研制”（项目编号：2007BAA12B07）的科技创新成果。由北京交通大学与北京千驷驭电气有限公司联合研制。1.2已经实现的创新及应用1.2已经实现的创新及应用国家支持-4-持续研发2009201020122014样机挂网示范线应用正线应用全线应用历经十余年的技术积累、产品研发，完成了从工程样机试制、型式试验、挂网试验、正线运营等多个环节的层层考验，最终实现产业化应用。2017推广应用-5-设备组成中压能馈装置设备组成直流电压兼容750V/1500V交流电压兼容10kV/35kV设备容量可选10kV/35kVNKBNKSG1NKDZ1H1750/1500V能馈变压器NKB#1#2++--能馈双向变流器柜NKS1QF2QF1KM2KM能馈低压柜NKD-6-变压器变压器低压开关柜低压开关柜变流器柜变流器柜-7-功率：1000-4000kW（30s/120s）；系统功能：逆变；功率器件：IGBT智能功率模块；交流网压：10kV/35kV；直流电压：750V/1500V(完全兼容)；功率因数：0.99；逆变器效率：98.5%；电流谐波畸变：3%；冷却方式：强迫风冷（根据温度控制）；主回路冲击耐受电压：18kV（1.2/50μs）主回路工频耐受电压：5.6kV，1min主要技术参数可靠性高设备体积小工作范围宽兼容性最好产品亮点-8-北京10号线二期广州地铁4号线(科技部项目)直线电机运输示范线贵阳地铁1号线成都地铁7号线郑州南四环至郑州南站北京14号线（中段、东段）北京6号线西延北京10号线一期改造天津1号线东延南宁地铁3号线由北京交通大学和北京千驷驭电气有限公司联合研制并产业化的能馈装置已率先在全国10多条线路推广应用。推广应用情况-9-主要应用业绩表序号工程项目名称数量电压等级投运时间备注1北京地铁10号线二期2套DC750V2013年1月国内最早正线应用，已安全运营4年多2北京地铁14号线（中段、东段）17套DC1500V2014年12月国内首条全线招标线路，安全运营2年多3广州地铁4号线新造车辆段1套DC1500V2011年3月2007年科技部立项，2011年科技部成果验收4内蒙古新型直线电机运输示范线2套DC750V2011年7月国家科技支撑项目工程应用5郑州市南四环站至郑州南站城郊铁路一期工程12套DC1500V2017年1月已投入运营，开通无功补偿功能6贵阳地铁1号线1标4套DC1500V调试中完成安装7北京地铁6号线西延5套DC1500V执行中设备生产中8成都地铁7号线7套DC1500V调试中完成安装9北京10号线一期改造12套DC750V执行中完成生产10天津1号线东延9套DC750V执行中完成安装11南宁地铁3号线8套DC1500V执行中设计联路-10-2014年12月28日，正式开通运营；全国第一条中压能馈装置公开招标线路；采用4动2拖A型车；北京地铁14号线应用典型应用-11-北京14号线现场运行照片：-12-14号线能馈式牵引供电装置节能率统计14号线节能效果：1月2月3月4月5月6月7月8月9月求和回馈电量/kwh1940851688921949321891711975131821501742601781211794061658530牵引用电量/kwh13191151209961137390313275531443599141871215221321557035149120312663213节能率14.71%13.96%14.19%14.25%13.68%12.84%11.45%11.44%12.03%13.10%-13-1.中压能馈装置对列车运行安全无影响。2.北京10号线中压能馈装置实现4年多安全稳定运行。3.北京14号线中压能馈装置自2014年12月28日正式运营以来，运行安全可靠。安全性可靠性-14-1.3需进一步创新的地方1.3需进一步创新的地方•整合设备功能•提高设备性能•增强数据整合能力•提升智能化水平新一代智慧型牵引供电系统-15-2新一代智慧型牵引供电系统1技术现状3关键技术研究4工程应用5结束语-16-2.1新一代的概念2.1新一代的概念ACDC四象限变流“新一代”的显著特征是：变流器的四象限运行！牵引供电系统四象限变流器35kV变电所变电所变电所上行下行接触网钢轨-17-借助“四象限变流能力”，实现回馈节能、牵引供电、无功补偿、智能融冰等多功能整合。①将制动能量反馈到中压网再利用，节约能源。②参与牵引供电，提高直流供电品质。③对交流电网进行无功补偿，提高功率因数。④直流接触网智能融冰。-18-以四象限变流技术为根本，满足全方位的用户需求系统应用功能特性控制大功率四象限变流技术用户-19-可选应用方案-1能量回馈示意图牵引供电示意图目前，北京地铁10号线在国内率先开通了牵引供电功能，运行非常稳定。-20-可选应用方案-2能量回馈示意图牵引供电示意图-21-可选应用方案-3能量回馈示意图牵引供电示意图10kV/35kV接触网四象限变流器交流电网钢轨DC750V/1500V12脉波整流机组#110kV/35kV接触网交流电网钢轨DC750V/1500V能馈式牵引供电装置-22-2.2智慧型的概念2.2智慧型的概念当前智能智慧传统的功能设备具有一定的感知和适应能力的设备具有一定自学习和思维能力的设备智慧是智能的更高发展阶段！-23-智慧型牵引供电系统的特点高度互联全面感知数据共享有机融合-24-2.3新一代智慧型牵引供电2.3新一代智慧型牵引供电110kV35kV变电所变电所下行接触网下行钢轨上行接触网上行钢轨新一代智慧型牵引供电系统功能示意图牵引（1）牵引供电（1）牵引供电（2）能量回馈（2）能量回馈制动（3）无功补偿（3）无功补偿（4）接触网融冰（4）接触网融冰-25-2新一代智慧型牵引供电系统1技术现状4工程应用5结束语3关键技术研究-26-最先进的器件+最专业的设计IGBT智能功率模块并联大功率变流技术DCACIGBT集成散热器UOIGBT集成散热器UO冷却空气由风机送入风道变流模块UO变流模块UO独立风道设计-27-多应用模式下系统容量优化配置-28-高品质混合式牵引供电技术dcIdcU0①②doU1kUALIMUOVU逆变区整流区B外特性配合控制混合式供电能量控制-29-电流解耦控制技术采用基于同步旋转坐标系的电流解耦控制技术，实现有功功率、无功功率独立控制，为同一设备的功能复用奠定基础。abcqtdov0t)sin(tVa同步旋转坐标系交流电流有功电流无功电流坐标变换0id0iq电流解耦控制-30-RRU1KrrrS2S1S3I2I3U1KU1KI1Itrain系统等效电路Itrain为列车制动电流，R为线路阻抗，r为虚拟阻抗。基于虚拟内阻的分布式协同吸收技术dcIdcU0①②doU1kUAOVUX逆变区整流区LIMU变压吸收技术通过改变吸收装置的直流工作特性，实现列车再生制动能量的分布式协同吸收（又称变压吸收）。-31-110kV35kV变电所2直流接触网钢轨+-+-+-变电所3变电所N能量流动通路能量流动通路中压环网整流机组四象限整流机组四象限整流机组能馈装置主变电所融冰区段国内首创的新型智能融冰技术，不需要额外硬件投入，只需在系统软件中植入相应功能，就可以实现恶劣气象条件下对接触网的自动融冰。直流接触网智能融冰-32-信息化智能化技术海量数据采集网络信息综合故障智能诊断寿命预测技术交流开关柜变压器直流开关柜其它设备变流器TCP/IP通信模块底层设备智慧终端软件和硬件资源进行规划，为相关功能扩展奠定基础。-33-2新一代智慧型牵引供电系统1技术现状3关键技术研究5结束语4工程应用-34-公司拥有多个省部级的创新及研究成果转化平台，长期致力于轨道交通节能技术研究与创新产品开发。北京市科委北京交通大学北京千驷驭电气有限公司北京市发改委北京城建设计发展集团北京千驷驭电气有限公司中节能工程技术研究院创新平台-35-序号项目名称类别/编号资助方1城市轨道交通能馈式牵引供电系统及传动系统研制科技支撑项目2007BAA12B07国家科技部2轨道交通列车节能产品优势及工程应用科技支撑项目2013BAG24B00国家科技部3城市轨道交通能馈式供电与牵引传动装备研制及工程应用中央在京高校重大成果转化项目（高端装备制造）北京市教委4完全自主创新的城市轨道交通电力牵引传动系统产业化应用示范中央国有资本经营预算节能减排项目国家财政部已完成的重大科研项目-36-序号项目名称类别/编号资助方1功能复合型牵引供电系统关键技术研究与应用示范十三五重点研发计划项目国家科技部2双向能量控制城市轨道交通牵引供电系统研制北京市科技计划北京市科委3城市轨道交通接触网新型智能融冰技术研究北京市科技计划北京市科委4城市轨道交通牵引供电系统的综合节能技术优化研究横向项目中国中铁正在开展的科研项目-37-工程实施项目-1——北京地铁10号线二期“能量回馈+牵引供电”双向变流技术应用验证dcIdcU0①②doU1kUALIMUOVU逆变区整流区B主接线图外特性配合曲线-38-试验验证：10kV网压Ua中压能馈电流Ia110kV网压Ua中压能馈电流Ia11#整流机组电流Ia21#整流机组电流Ia210kV网压Ua中压能馈电流Ia110kV网压Ua中压能馈电流Ia11#整流机组电流Ia21#整流机组电流Ia22#整流机组电流Ia32#整流机组电流Ia3列车牵引工况时各机组交流侧电压电流波形列车制动工况时各机组交流侧电压电流波形-39-二极管整流机组直流电流中压能馈装置直流电流-40-中压能馈装置直流侧电压、电流波形-41-项目1小结：中压能馈装置开通整流不影响既有整流机组均流；中压能馈装置开通整流功能提高了直流供电品质；中压能馈装置能够在整流和逆变之间平滑切换；中压能馈装置开通整流功能后，设备稳定可靠；-42-工程实施项目-2——郑州城郊线“能量回馈+分散式无功补偿”技术验证我国首条开通分散式无功补偿功能的线路共计12套，单套容量1.6MW-43-#2#1EFTDCS负极隔离柜直流开关柜断路器1QF2QF1KM2KM35kV电网所内母线450VAC1500VDC正极隔离柜ZK+-设备一次系统构成图-44-现场运行照片-45-010020030040050060070080090010001100120013001400150016001700180019000:00:000:42:211:24:422:07:032:49:243:31:454:14:06