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

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1、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,发表核心论文国家十一五、十二五重大科技支撑项目多项,发表核心论文2020多篇,拥有发明及实用新型专利多篇,拥有发明及实用新型专利1010余项。余项。 作为主要负

2、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、贵阳等城市国际先进水平。该产品在北京、郑州、成都、贵阳等城市1010多条线路推广应用,取得了显著的节能效果。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

3、SVG变电所上行下行接触网钢 轨1.1 城轨城轨供电系统的功能与构成供电系统的功能与构成 1.1 城轨城轨供电系统的功能与构成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传统牵引供电系统工作过程示意图 牵引 1. 列车牵引时列车牵引时 1. 列车牵引时列车牵引时 2. 列车制动时列车制动时 2. 列车制动时列车制动时 制动制动 3. 夜间无功补偿夜间无功补偿 3. 夜间无功补偿夜间无功补偿 4. 接触网融冰接触网融冰 4. 接触网融冰接触网融冰 -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

4、牵引供电系统及传动系统研制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已经实现的创新及应用 1.2 已经实现的创新及应用已经实现的创新及应用 国家支持国家支持 -4- 持续研发持续研发 2009 2010 2012 2014 样机挂网 示范线应用 正线应用 全线应用 历经十余年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- 设备组成设备组成 中压能馈装

5、置设备组成中压能馈装置设备组成 直流电压兼容直流电压兼容 750V/1500V750V/1500V 交流电压兼容交流电压兼容 10kV/35kV 设备容量可选设备容量可选 10kV/35kVNKBNKSG1NKDZ1H1750/1500V能馈变压器 NKB#1#2+-能馈双向变流器柜 NKS1 QF2 QF1 KM2 KM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);

6、 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(1.2/50s) 主回路工频耐受电压:5.6kV,1min 主要技术参数主要技术参数 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

7、条线路推广应用。 推广应用情况推广应用情况 -9- 主要应用业绩表主要应用业绩表 序号序号 工程项目名称工程项目名称 数量数量 电压等级电压等级 投运时间投运时间 备注备注 1 北京地铁10号线二期 2套 DC750V 2013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 DC1500V 2014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 DC1500V 2011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 DC750V 2011年7月 国家科技支撑项目

8、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 DC1500V 2017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年年12月月28日,正式开通运营;日,正式开通运营; 全国第一条中压能馈装

9、置公开招标线路;全国第一条中压能馈装置公开招标线路; 采用采用4动动2拖拖A型车;型车; 北京地铁北京地铁14号线应用号线应用 典型应用典型应用 -11- 北京北京14号线现场运行照片: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号线能馈式牵引供电装置节能率统计 14号线节能效果:号线节能效果: 1 1月月 2 2月月 3 3月月 4 4月月 5 5月月 6 6月月 7 7月月 8 8月月 9 9月月 求和求和 回馈电量回馈电量/ /kwh 194085 168892 194932 189171 197513 182150 174260 178121 179406 165

10、8530 牵引用电量牵引用电量/ /kwh 1319115 1209961 1373903 1327553 1443599 1418712 1522132 1557035 1491203 12663213 节能率节能率 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,运行安全可靠运行安全可靠。 安全性可靠性安全性可靠性 -14-

11、1.3 需进一步创新的地方需进一步创新的地方 1.3 需进一步创新的地方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 新一代的概念新一代的概念 2.1 新一代的概念新一代的概念 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- 借助借助“四象限变流能力四象限变流能力”,实现回馈节能、牵引供电、无功补偿、智能,实现回馈节

12、能、牵引供电、无功补偿、智能 融冰等多功能整合。融冰等多功能整合。 将制动能量反馈到中压网再利用,节约能源。 参与牵引供电,提高直流供电品质。 对交流电网进行无功补偿,提高功率因数。 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。号线在国内率先开通了牵引供电功能,运行非常稳定。 -20- 可选应用方案可选应用方案-2

13、能量回馈示意图 牵引供电示意图 -21- 可选应用方案可选应用方案-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 智慧型的概念智慧型的概念 2.2 智慧型的概念智慧型的概念 当前当前 智能智能 智慧智慧 传统的功能设备传统的功能设备 具有一定的感知和适具有一定的感知和适 应能力的设备应能力的设备 具有一定自学习和具有一定自学习和 思维能力的设备思维能力的设备 智慧是智能的更高发展阶段! -23- 智慧型

14、牵引供电系统的特点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新一代智慧型牵引供电 2.3 新一代智慧型牵引供电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新一代智慧型牵引供电系统功能示意图 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 (3)无功补偿)无功补偿 (3)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 -25- 2 新一代智慧型牵引供电系统

15、 1 技术现状 4 工程应用 5 结束语 3 关键技术研究 -26- 最先进的器件最先进的器件+最专业的设计最专业的设计 IGBT智能功率模块并联智能功率模块并联 大功率变流技术大功率变流技术 DC AC IGBT 集成散热器IGBT 集成散热器冷却空气由风机送入风道 变流模块变流模块独立风道设计独立风道设计 -27- 多应用模式下系统容量优化配置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高品质混合式牵引供电技术 dcIdcU0doU1kUALIMUOVU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。 abcqtdov0t)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- RRU1KrrrS2S1S3I2I3U1KU1KI1 Itrain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基于虚拟内阻的分布式协同吸收技术 dcIdcU0doU1kUAOVUX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-

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