轨道交通交流牵引供电系统及关键技术研究

摘要：轨道交通交流牵引供电系统作为轨道交通系统中的重要组成部分，具有供电可靠、供电质量高、能效优越等特点。本文以交流牵引供电系统为研究对象，对其基本结构、关键技术、存在问题以及未来发展方向进行了探讨。主要内容包括：轨道交通交流牵引供电系统的概述、基本结构、主要技术、存在问题及未来发展趋势等方面。通过对轨道交通交流牵引供电系统的分析，提出了解决存在问题和促进未来发展的建议，为轨道交通交流牵引供电系统的发展提供了借鉴和参考。

关键词：轨道交通；交流牵引供电系统；基本结构；关键技术；存在问题；未来发展

引言：

随着城市化进程的加速和轨道交通系统的迅速发展，轨道交通交流牵引供电系统作为轨道交通系统的重要组成部分，对于保障城市交通运输的可靠性、安全性和舒适性具有至关重要的作用。作为轨道交通系统中的重要组成部分，交流牵引供电系统具有供电可靠、供电质量高、能效优越等特点，因此在国内外的轨道交通系统中得到了广泛的应用和推广。随着轨道交通系统的不断发展和进步，交流牵引供电系统的技术和设备也在不断更新和改进，以满足日益增长的交通运输需求。因此，对于轨道交通交流牵引供电系统的研究和发展，具有重要的理论和实践意义。

一、牵引变电站技术

（一）牵引变电站的拓扑结构

牵引变电站的拓扑结构通常采用双供双备或三供三备的结构，以保证供电系统的可靠性。其中，双供双备结构的特点是供电可靠性高，但建设和维护成本较高；而三供三备结构的特点是建设和维护成本相对较低，但供电可靠性稍低。

（二）牵引变电站的控制策略

牵引变电站的控制策略包括电压控制、功率控制和电流控制三种方式。其中，电压控制方式适用于较为稳定的负载情况；功率控制方式适用于负载波动较大的情况；电流控制方式适用于系统频繁变化的情况。

（三）牵引变电站的保护策略

牵引变电站的保护策略主要包括过压保护、过流保护、欠压保护、过温保护等。其中，过电压保护是保护牵引变电站的重要措施，其采用过电压继电器实现。

二、牵引系统装置技术

（一）牵引变压器技术

为了提高牵引变压器的转换效率，主要采取以下技术措施。一是采用合适的铁心材料和绕组结构，降低磁通密度、铁损和铜损，提高效率。二是采用合适的冷却方式，如强迫风冷、强迫水冷等，降低温升，提高效率。三是采用合适的电气绝缘材料和结构设计，减小绝缘损耗和局部放电，提高效率。另外，为了减小牵引变压器的体积和重量，也采取了多种技术措施。一是采用高压绕组分裂技术，将一个大的高压绕组分裂成多个小的高压绕组，降低绕组大小，减小体积和重量。二是采用混合介质绝缘技术，用油纸绝缘和SF6气体绝缘相结合，减小绝缘材料的体积和重量。三是采用新型材料和新工艺，如有机硅复合绝缘材料、热塑性复合材料等，减小绝缘材料的体积和重量。

（二）牵引变频器技术

1.硬件设计：牵引变频器的硬件设计主要包括电路设计、电源设计、散热设计和机械设计等方面。要求在满足功率输出和转换效率的前提下，尽可能地减小其体积和重量，并提高其可靠性和稳定性。

2.控制策略：牵引变频器的控制策略对系统的性能和效率有着重要影响。目前，常用的控制策略包括电压源逆变控制、电流源逆变控制、空间矢量调制控制等。在控制策略的选择上，需要根据具体应用场景和要求，选择最适合的控制方式。

3.软件开发：随着计算机技术的不断发展，牵引变频器的控制系统已经越来越多地采用嵌入式系统和数字信号处理器等技术。软件开发是保证系统功能稳定和性能优良的关键。同时，随着人工智能技术的发展，智能化控制也成了研究热点之一。

三、交流牵引供电系统关键技术研究

（一）供电系统拓扑结构

交流牵引供电系统的拓扑结构主要包括三级结构和双馈结构两种形式。其中，三级结构的供电系统主要由变电站、牵引变压器、牵引变频器和接触网等组成，其主要特点是结构简单、适用范围广，但存在电网损耗大、调节能力较弱等问题。而双馈结构的供电系统则通过引入馈电变压器和馈电逆变器，实现了对牵引电机电磁转矩和转速的控制，从而具有更好的调节性能和运行稳定性。但其成本较高，需要占用更多的空间。

（二）供电系统电力电子技术

交流牵引供电系统的电力电子技术主要包括牵引变频器技术和馈电逆变器技术。其中，牵引变频器技术是实现牵引电机调速控制的核心技术，其采用高功率的IGBT器件作为开关元件，实现对电机转速、电磁转矩等参数的精确控制。馈电逆变器技术则是实现牵引供电系统能量回馈的关键技术，其采用PWM技术实现高效的能量回馈，从而实现能量的节约和回收利用。

（三）供电系统信号采集与处理技术

交流牵引供电系统中，信号采集与处理技术主要用于获取牵引电机的运行状态、牵引电流和电压等参数，并实时反馈给牵引变频器进行控制。其主要包括传感器技术、信号采集和处理技术等方面。目前，采用无触点式电流传感器和电压传感器进行信号采集，并通过高速ADC芯片实现对电流和电压信号的高速采集和处理。

（四）供电系统运行控制技术

交流牵引供电系统的运行控制技术主要包括能量回馈控制技术、转速控制技术和制动控制技术等方面。能量回馈控制技术主要用于实现能量的回收和利用，降低系统能耗，提高能源利用效率；转速控制技术则是实现牵引电机精确调速的关键技术，通过控制牵引变频器输出的电压和在交流牵引供电系统中，控制装置是一个重要的部分。为了确保系统的正常运行，控制装置需要实现多种功能，如牵引供电系统的调度控制、牵引负载的控制、系统的保护等。其中，保护功能尤为重要，能够有效地保护系统的设备和人员的安全。常见的保护装置有短路保护装置、接地保护装置、过电压保护装置等。在轨道交通交流牵引供电系统的研究中，关键技术的研究和应用也是不可或缺的。

结束语：

总之，轨道交通交流牵引供电系统是轨道交通运行的重要组成部分，其性能和可靠性直接影响着轨道交通的安全和运营效率。因此，需要加强对该系统的研究和开发，提高其技术水平和可靠性，以满足城市轨道交通不断增长的运输需求。

参考文献：

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[2]张萌，徐兴海.新一代智能化城市轨道交通牵引供电系统关键技术[J].信息记录材料，2019，20（12）：226-227.

[3]靳晶.城市轨道交通交流牵引供电系统及其关键技术[J].城市建设理论研究（电子版），2018（21）：75.

（作者单位：中国铁路通信信号上海工程局集团有限公司西安分公司）