DCTPS在城市軌道交通牽引供電系統中的應用

邢玥，星成武

（中鐵電氣化局集團有限公司設計研究院，北京100000）

1 工程概況

昆明市軌道交通4 號線工程（以下簡稱“4 號線工程”），起于昆明西北部的陳家營站，終到昆明火車南站，全長約43.393km，全線設陳家營站、大河埂站、大塘子站、小屯站、昆明火車南站等29 座車站。供電系統采用110/35kV 兩級電壓集中供電方式，動力照明配電系統共用35kV 供電網絡。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17 座牽引降壓混合變電所（其中，正線14 座，車輛段和2處停車場各設1 座）。

2 直流牽引供電仿真系統

直流牽引供電仿真系統，通過牽引計算獲得站間運行時分、運行速度、平均速度等信息，同時，在此基礎上進行供電計算，對結果進行統計評估，并以文本、CAD 等形式輸出數據報表。直流牽引供電仿真系統框圖，如圖1 所示。

在DCTP 軟件仿真中，列車優化操縱策略，綜合考慮復雜線路條件，采用多質點列車模型模擬列車運行，對列車控制策略和控制策略轉換點位置采用統一的變長實矩陣編碼，通過多種群遺傳算法尋找合理的列車優化操縱序列[1]。列車運行仿真計算過程如圖2 所示。

圖1 直流牽引供電仿真系統框圖

在DCTP 軟件仿真中，24 脈波整流機組是由2 套12 脈波機組同時掛接在同一段母線上，并聯運行。其中，12 脈波牽引整流機組，如圖3 所示。對于單臺整流機組運行情況下，12 脈波的整流機組，空載直流輸出電壓Ud12為：

圖2 列車運行仿真計算過程

式中，U2為二次側線電壓額定值；ω 為工頻角頻率；t為時間。

圖3 12 脈波整流機組原理圖

當把2 臺整流機組并聯運行，得到24 脈波的整流機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線電壓。

圖4 2 臺整流電路并聯輸出的24 脈波電壓波形

在DCTP 軟件仿真中，按照節點電壓法建立直流系統網絡模型[2]，進行潮流計算，獲得各整流機組的工作負荷。

3 牽引變電所布點設計

牽引變電所布點設計應滿足以下原則：（1）根據車站、車場分布，線路平縱斷面、車輛選型等資料，通過牽引供電計算，并充分考慮各期工程的銜接和發展，經多方案比選后確定；（2）符合GB 50157—2013《地鐵設計規范》接觸軌額定電壓DC1500V最高、最低值的規定[3]；（3）正常運行時，正線牽引網由相鄰的牽引變電所雙邊供電，車場牽引網由車場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，當正線1 座牽引變電所解列時，對于線路中間牽引變電所，由相鄰的正線牽引變電所越區大雙邊；對于線路端頭牽引變電所，由相鄰的正線牽引變電所越區單邊供電。當車場牽引變電所解列時，由鄰近的正線牽引變電所向車場牽引網越區單邊供電。不考慮正線牽引變電所解列，由車場牽引變電所向正線牽引網越區供電的情況。

根據上述原則，確定4 號線采用6 輛編組列車（4 動2 拖）、在系統規模運營高峰小時時，對應單邊供電和雙邊供電情況下，牽引網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]，布點方案如圖5 所示。

圖5 牽引變電所布點方案

從圖5 可以看出，方案一：正線設置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 處車場內各設1 座牽引變電所。方案二：正線設置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 處車場內各設1 座牽引變電所。

4 牽引變電所布點的比選方案

在DCTPS 仿真系統中，通過牽引供電模擬仿真計算，得到牽引變電所布點的比選方案。

4.1 牽引整流機組容量配置

每座牽引變電所設置2 套12 脈波牽引整流機組、并聯運行構成等效24 脈波整流。方案一、二的牽引整流機組容量配置，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 主要技術指標

方案一、二的主要技術指標如表1 所示。通過對方案一和方案二的技術參數進行對比可以得到表2。通過表2 可以看出,根據設計階段的牽引模擬計算，鋼軌電位的電壓水平在最嚴重情況下一般不大于90V；在正常運行和非正常運行情況下的各項指標均滿足IEC 規范IEC62128—1—2003 及我國GB 50157—2013《地鐵設計規范》的要求，且方案一的供電質量稍優于方案二；方案一牽引變電所的數量比方案二少1 座，節約了工程投資量。同時，根據圖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組利用率更高。

表1 主要技術指標對比

表2 技術參數對比表

圖6 牽引整流機組容量配置

綜上所述，根據DCTPS 軟件牽引供電計算參數，以及考慮技術經濟因素和節約工程投資的因素，推薦4 號線工程牽引變電所布點方案采用方案一。