最新刊期
      2022 年 第 卷 3 期

        综述

      • 廖海朱,胡海涛,黄毅,葛银波,耿安琪,王科
        2022(3): 1-9. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2022.03.001
        摘要：为充分发挥“源-网-车-储”协同供能系统的潮流灵活控制能力，提升电气化铁路再生制动能量与新能源消纳能力，研究一种基于列车负荷与新能源发电预测数据的牵引变电所级“源-网-车-储”协同供能系统日前能量优化与调度策略。首先，以最小化牵引变电所日运行成本为总目标，建立了计及系统电能质量指标的“源-网-车-储”协同供能系统日前能量优化与调度模型；其次，对模型中的非线性约束进行线性化处理，将其转化为混合整数线性规划问题，并通过CPLEX求解器进行求解；最后，以某高速铁路牵引变电所为例进行了案例分析。结果表明，相比于既有基于规则的铁路能量管理策略，所提策略能够有效发挥系统的灵活性，进一步降低牵引变电所的单日运行成本，提升系统的再生制动能量和新能源消纳能力。  
        关键词：电气化铁路;源-网-车-储;混合储能;光伏;电压不平衡;混合整数线性规划;日前调度;高速铁路   
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      • 张明琦,郑泽东,李永东
        2022(3): 10-16. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2022.03.002
        摘要：能源与环境是当今世界各国共同关心的问题，交通运输业是能源消耗与污染排放的重要领域，发展新能源汽车是缓解能源危机、减少污染物排放的重要举措。近几年在国家政策的支持鼓励下，我国新能源汽车产业发展迅速，尤其是在乘用车领域，已有大量优秀的企业和产品，发展方向相对清晰，但其商用车领域尤其是公路货运的技术路线尚不明确。我国重型货车保有量约占汽车保有量的6.6%，但碳排放量占到50%以上，氮氧化物和颗粒物的排放量分别占到75%和50%以上，重型货车是节能减排的关键车型。分别分析实现重型货车电气化的3种可能方案——换电方案、氢燃料电池方案和电气化公路方案，可发现3种方案具有不同的特点，适用于不同的场景，3种方案在目前阶段也存在着各自的技术瓶颈。氢燃料电池方案在长途货运中有良好的应用前景，换电方案在线路不固定的短途货运中更具优势，电气化公路方案在线路固定的中短途运输中优于换电方案。  
        关键词：公路货运;碳减排;重型货车;氢燃料电池汽车;电气化公路   
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      • 王鑫,涂春鸣,郭祺,肖凡,李俊豪
        2022(3): 17-28. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2022.03.003
        摘要：随着我国电气化铁路规模逐步扩大，电分相与电能质量问题成为制约我国电气化铁路进一步发展的主要桎梏，贯通型牵引供电系统为解决上述问题提供了新的机遇。文章首先从贯通型供电系统的技术特点出发，系统性地总结了当前基于电力电子变换器型、基于电缆型和基于主变电站型的3类贯通型供电系统架构；其次，从高质量供电角度入手，对不同类型贯通型供电系统电能质量问题及其治理技术进行分析；最后，对贯通型供电系统发展进行探讨与展望，为我国电气化铁路架构体系的完善提供借鉴与参考。  
        关键词：电分相;电气化铁路;贯通型;高质量供电   
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      • 李明,张骄,崔霆锐,李倬
        2022(3): 29-36. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2022.03.004
        摘要：为落实“碳达峰、碳中和”相关政策要求，基于目前我国城市轨道交通发展现状，分析了国内外城市轨道交通的能耗特点、研究现状和发展趋势，结合当前北京地铁绿色低碳新产品、新技术创新研究的经验，从系统性节能的角度提出了北京地铁绿色低碳发展的技术路线，后续将持续开展新能源、新材料、新技术、新工艺和新产品在车辆、设备设施等方面的适用性研究和工程化应用，可为北京地铁绿色低碳技术创新和高质量发展提供支持。  
        关键词：城市轨道交通;碳达峰;绿色低碳;新能源;地铁   
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        低碳化铁路交通

      • 张岩,王跃,付刚,胡亮,李红波,张志学
        2022(3): 37-44. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2022.03.005
        摘要：为实现多流制机车的轻量化设计和低碳运行，提出一种可复用储能系统的直流电压二次脉动有源抑制方法。该方法利用双向DC-DC电路将四象限变流器中固有的二次功率脉动转移到辅助LC支路上，实现对中间电压脉动的抑制。首先，通过PI控制确保辅助电容的直流电压稳定；其次，提取直流侧的二次脉动功率，并转换成辅助LC支路上的指令电流，采用比例谐振控制器对指令电流进行跟踪，以实现对相应二次脉动功率的补偿。最后，利用仿真工具对控制策略进行仿真，仿真结果显示二次脉动电压抑制效果显著，同时也验证了文章所述理论的可行性。  
        关键词：多流制机车;电力机车;二次脉动;有源抑制;双向DC-DC;自适应储能电路;仿真   
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      • 张伟秋,程鹏,张婧妍,侯大志,孙世杰,马静
        2022(3): 45-52. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2022.03.006
        摘要：随着低碳化交通的持续发展，铁路交通沿线所蕴含的太阳能资源禀赋开发利用势在必行。利用铁路沿线空间资源实施光伏发电，不仅可为铁路牵引系统提供清洁电力，也可拓展新能源发电消纳空间。因此，文章提出面向铁路牵引供电网的光伏发电混合电流控制策略。该控制实施于三相静止坐标系，构造由传输光伏功率所需的正序电流分量与补偿牵引负荷所需的负序电流分量的混合电流受控目标，实现光伏逆变器的并网发电与负序补偿的统一控制。同时，该控制策略可在无需相序分离与提取的条件下，完成对单相牵引负荷负序电流的补偿，增强高压侧电网电能质量。最后，在RTLAB硬件在环试验平台验证了文章所提控制策略的有效性。  
        关键词：电气化铁路;牵引供电;光伏发电;混合电流;负序补偿;仿真   
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      • 吕顺凯,张敏,张志学
        2022(3): 53-61. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2022.03.007
        摘要：加强再生制动能量利用技术研究及应用，是推进交流电气化铁路低碳发展的重要举措。为进一步提高再生制动能量利用率，有效解决电力负荷消纳能力不足问题，兼顾成本控制，提出一种转移和存储协同利用技术。首先，阐述协同利用装置的构成及其工作原理，研究基于主从控制的分层控制架构。然后，基于转移利用优先和最大化利用原则，制定计及再生制动功率、电力负荷需求功率和装置额定功率等多重条件共同约束的控制策略。其次，依据现场实测数据，对控制策略的正确性和有效性进行仿真验证，并分析节能效果。最后，综合考虑循环寿命、安全性和可靠性等多方面因素，确定选用钛酸锂电池作为储能介质，并在此基础上，测算投资成本与全生命周期收益。研究结果表明，协同利用技术能够实现再生制动能量高效利用，节能节支效果良好，具有较高的工程应用价值。  
        关键词：电气化铁路;电力机车;再生制动能量;协同利用;控制策略;转移;存储;仿真   
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        低碳化城轨交通

      • 张华志,付程成,郑毅,王青元,冯晓云,何斌
        2022(3): 62-68. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2022.03.008
        摘要：超级电容有轨电车具有高效环保的优点，研究其多区间运行时刻表和运行策略能够进一步降低运行能耗。文章首先介绍车载超级电容能量流动模型，建立列车动力学模型与超级电容模型，以列车系统总能耗最小为目标，建立协同优化列车运行时刻表和运行策略的节能控制模型；设计动态规划算法，求解列车多区间运行时刻表和运行策略；最后通过实车线路进行仿真验证。结果表明，在各区间均采用节能运行策略，相比于标准时刻表，优化时刻表能够进一步降低运行能耗；同时分析了多区间总运行时间与能耗的关系，可综合考虑列车运行能耗与效率制定运行时间，采用协同优化方法确定时刻表与运行策略，从而达到节能的目的。  
        关键词：超级电容;有轨电车;运行时刻表;动态规划;协同优化;仿真;城市轨道交通   
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      • 张超,李红波,赵丽颖,黄子昊,罗文广,王雄
        2022(3): 69-75. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2022.03.009
        摘要：为推动主动式供电中双向变流器的智能应用，针对其数学模型和调度控制策略展开了研究。利用满功率和恒电压模型分别模拟双向变流器的2种不同工况，并采用内外双层迭代算法进行潮流计算。当所有双向变流器处于恒电压模式时，提出以全网能耗最小为目标函数，求解牵引变电所输出电压的含等式和不等式约束的优化模型。当双向变流器中存在处于满功率模式时，提出抬升或降低相邻牵引所电压以分担功率的策略，从而降低双向变流器满功率持续时间。经实际地铁线路数据仿真，结果表明纯牵引能耗下降12.97%，满功率持续时间下降62.4%，提高了牵引系统能量利用率，减少了双向变流器出现限功的场景。  
        关键词：双向变流器;双层迭代算法;能耗;仿真;城市轨道交通;地铁列车   
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      • 杨丰萍,周铭栀,程权,张殷
        2022(3): 76-81. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2022.03.010
        摘要：对于传统PI控制的城轨混合储能系统，存在着参数调节烦琐，列车启停工况响应滞后等问题，提出一种改进多步预测的城轨混合储能系统控制算法，采用多步预测电流控制环代替传统PI电流内环，规避单步预测存在预测误差缺陷的同时提升系统动态响应速度。针对预测电流算法中等效占空比非“0”即“1”导致电流纹波较大的问题，对最优开关时刻的电流波动范围进行实时计算，在线更新开关作用时间。在MATLAB/Simulink平台上搭建城轨列车混合储能系统模型，仿真结果表明，在列车加速与制动运行工况下网压恢复时间各自减小了0.543 s和0.644 s，超调量降低了5.98%和4.83%，并且电流纹波变化率明显改善，验证了所提策略的正确性和优越性。  
        关键词：城轨混合储能系统;预测电流控制;电流纹波;动态响应速度;城市轨道交通;地铁列车   
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      • 胡卫丰,彭思敏,胥峥,徐璐
        2022(3): 82-88. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2022.03.011
        摘要：为满足轨道交通装备及电动汽车在能量和电压级方面的需求，常将多个锂离子电池单体通过串联形成串联型电池系统。针对串联型电池系统中因电池单体不一致导致其功率状态（SOP）预测不准的问题，提出一种基于SOP差值预测器的串联型电池系统多约束动态功率预测方法。一方面，根据串联型电池系统工作特性及运行参数约束条件，采用基于多约束动态的功率预测法获得电池系统SOP预测基值；另一方面，根据串联型电池系统中各电池单体端电压的不一致性，提出一种基于神经网络法的电池系统SOP差值预测器，产生因电压不一致引起的电池系统SOP差值，并与基于多约束动态法的电池系统SOP预测基值叠加，得到电池系统SOP预测值。为验证所提方法的准确性，在MATLAB/Simulink环境下建立了系统仿真模型。分别在30 s、2 min及5 min持续时间下，采用所提方法进行串联型电池系统SOP预测，其预测值始终跟随电池系统SOP实测值，预测误差约为额定持续峰值功率的2%。同时，通过与不同算法的预测结果对比，得出文章所提算法的电池系统SOP预测值更接近其SOP实测值。由此表明，对于含电池单体不一致的串联型电池系统，文章所提算法能准确预测其SOP，为提升大容量电池系统全生命周期管理能力提供一种思路。  
        关键词：电池系统;电池不一致;功率状态;荷电状态;多约束动态法;仿真   
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        混合动力及氢能应用

      • 张弛,吴健,张维戈,郑鑫杰,车张航,朱真林
        2022(3): 89-101. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2022.03.012
        摘要：混合动力系统的配置参数将影响机车的全寿命周期成本，该参数是开发混合动力机车的关键。传统的双环优化匹配方法，虽然能够求解出优化的配置参数，但利用动态规划算法作为优化能量管理的内环，导致了优化计算的时间十分漫长。为了解决该问题，本文提出了一种快速的双环优化匹配方法。在外环，粒子群算法以减少全寿命周期成本为目标，优化配置参数。在内环，庞特里亚金极小值原理(Pontryagin's minimum principle, PMP)以减少列车油耗、提高电池寿命为目标，针对外环优化过程中的每一种配置参数均优化其能量管理，并将优化结果反馈给外环。仿真表明，与传统的双环优化匹配方法相比，文章提出的快速双环优化匹配方法不仅能够获取与其相同的优化配置参数，而且计算速度得到了极大改进。  
        关键词：混合动力系统;双环优化;能量管理策略;粒子群优化;庞特里亚金极小值原理;仿真   
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      • 郑恒亮,侯大志,孙士杰,刘文泉,贾利民
        2022(3): 102-109. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2022.03.013
        摘要：氢动力机车的氢能系统在并/离网切换时存在暂态过程，影响切换效果。文章提出了一种氢能与弓网并联供电系统的无缝切换控制方法。该方法将氢能供电侧Boost变换器并网状态与离网状态下的受控功率目标相联系，制定了Boost变换器统一功率指令配置策略，可实现Boost变换器受控功率目标对氢能与弓网供电系统并/离网状态的自适应调节，进而保证了并联系统的直流母线电压的稳定。该方法无需检测弓网侧AC/DC变换器状态，实现了氢能供电侧Boost变换器在并/离网控制状态下的平滑切换。通过分析下垂系数、直流母线电压和最小受控功率目标的关系，给出了氢能供电侧Boost变换器的最佳下垂系数设计方法。最后进行了RTLAB硬件在环试验，验证了所提方法在不同负载工况下稳定直流母线电压和实现氢能系统并/离网状态的平滑切换的有效性。  
        关键词：Boost变换器;氢能供电;无缝切换;并网模式;离网模式   
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      • 王旭海,齐红瑞,孙凤霞,赵志芳
        2022(3): 110-115. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2022.03.014
        摘要：随着新能源在轨道交通领域应用的不断发展，新能源混合动力机车在节能减排等方面的优势愈加明显，而以氢燃料电池和锂电池为动力的混合动力机车也具有越来越广阔的前景。通过对调车机车作业工况的分析，提出了适用于调车机车工况的氢燃料电池“增程式”混合动力机车动力系统，并分析了该系统的特点和优势。结合中车大同电力机车有限公司研制的700 kW氢燃料电池混合动力机车，对动力系统的结构参数、组成部分和控制方式等进行了介绍，重点对动力系统的匹配性设计和能量管理进行了分析研究。通过对动力系统的研究，结合机车实际运行的数据，证实了该“增程式”混合动力机车动力系统的可行性，并提出了后续研究的方向。  
        关键词：氢燃料电池;混合动力;动力系统;增程式;调车机车;能量管理   
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      • 温吉斌,赵刚,柳占宇,杜霏,吕婷婷,孙志伟
        2022(3): 116-124. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2022.03.015
        摘要：为适应轨道交通绿色低碳和节能环保的发展需求，结合中国国家铁路集团有限公司科研立项任务，以平台化和模块化的设计理念为指导，研制开发2 237 kW（3 000马力）混合动力（重混）调车机车，运用大容量锂离子动力电池和装车功率为1 250 kW的6240H型柴油机混合供电，实现短时1 900 kW的轮周牵引功率需求。文章通过分析混合动力（重混）调车机车牵引力选择依据、电气系统设计原则、系统组成和传动系统拓扑结构等，形成了电气系统的设计方案，并通过试验验证了电气系统的稳定性、参数设置的合理性和各项性能指标。验证结果表明，机车牵引力选择合理，机车具有启动加速快、节能减排、环保降噪等优点，满足调车作业需求，实现了预期设计目标。  
        关键词：重混;混合动力;节能环保;电气系统;动力电池;FXN3D   
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      • 齐洪峰,郭爱,陈超,王颖民,石俊杰
        2022(3): 125-129. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2022.03.016
        摘要：为了避免车载燃料电池在加载工况下电堆出现“氧饥饿”现象，提升其响应速度，提出了一种计及电堆允许电流的燃料电池空气流量控制方法。首先，依据电堆阴极实时空气流量，估算电堆允许电流用以限制电堆电流；然后，根据负载需求功率实时获取需求电流；最后，动态计算所需空气流量，控制空压机转速。同时，设计补偿环节，修正参考电流使其与电堆电流保持一致。仿真结果表明：当负载需求功率急剧增加时，计及电堆允许电流的控制方法可以在避免“氧饥饿”的基础上缩短实际电堆功率加载时间。  
        关键词：燃料电池;空气流量;过氧比;氧饥饿;电堆允许电流;仿真;有轨电车   
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        节能技术及应用

      • 陈涛,苏亮亮,张志学,漆宇,刘红强,冯钊赞
        2022(3): 130-137. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2022.03.017
        摘要：随着半导体及磁性材料技术的发展，电力电子变压器近年来成为研究热点，相较于传统工频变压器，它具有功率密度高、效率高、高压侧电能全控、保护更加迅速等优点，是“双碳”背景下电能变换的重要技术发展方向。在牵引领域，国外较早开展牵引电力电子变压器的研究，但主要针对15 kV/16.7 Hz牵引网制式。在国内牵引网制式为25 kV/50 Hz的条件下，电力电子变压器的应用面临紧凑空间要求与更高工作电压的矛盾，导致高压主电路拓扑选型、绝缘系统小型化、冷却系统绝缘安全等一系列难题。目前世界上暂无25 kV/50 Hz牵引电力电子变压器研制情况的报道。文章针对适用于我国牵引网制式的牵引电力电子变压器系统，开展了主电路拓扑及控制、高压绝缘设计、冷却设计等关键技术的研究，分析并采用了基于3 300 V 硅基半导体器件的中性点箝位(Neutral point clamped, NPC)三电平高压高频DC-DC隔离型主电路及双边同步调制策略，实现牵引制动能量迅速切换；提出基于复合材料的绝缘系统设计方法，实现了主回路对地的高绝缘耐压；提出泵驱相变蒸发冷却关键技术，实现了变压器和变流器一体化冷却，并完成了电力电子变压器单支路样机及工程化整机的研制及装车试验，试验结果表明了设计方法的有效性。  
        关键词：牵引电力电子变压器;三电平;复合绝缘;相变冷却;牵引网制式   
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        发布时间：2024-08-02
      • 罗文广,易康,邹扬举,刘少奇,王康豫
        2022(3): 138-147. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2022.03.018
        摘要：混合式直流断路器作为直流系统的核心保护装备，其关键参数是制约产品设计和应用的首要前提，而关键参数的影响因素研究对于系统和设备之间的匹配设计及适应性运行具有重要意义。文章首先提取了混合式直流断路器开断电流、开断过电压及能量吸收等核心关键参数，并分别从系统运行和装置设计层面对影响关键参数设计的主要因素进行了分析；然后搭建了混合式直流断路器及牵引供电系统等效模型，并对各个影响因素进行了仿真验证；最后，根据关键参数设计要求，成功研制了轨道交通地铁车辆工程应用的1.8 kV/1 kA混合式直流断路器样机，并开展了大量试验验证。结果表明，综合考虑各影响因素的多参数优化断路器样机可满足直流应用系统对快速开断能力的要求，且相较于既有机械式直流断路器具有明显优势。  
        关键词：轨道交通;混合式直流断路器;关键参数;影响因素;样机研制;仿真;地铁车辆   
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        发布时间：2024-08-02
      • 黄宜山,唐润忠,旷明秋,刘建华,赵凯辉,程翔
        2022(3): 148-155. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2022.03.019
        摘要：针对永磁同步电机驱动控制系统应用传统无模型滑模方法时性能指标达不到预期的问题，提出了一种基于快速趋近律的改进无模型滑模控制方法。首先，根据永磁同步电机参数摄动时的数学模型，建立速度外环的超局部模型；其次，设计一种基于改进快速趋近律的速度外环新型无模型滑模控制器，同时为了提高电机转速的控制精度，采用扩展滑模观测器实时观测超局部模型中的未知部分；最后，通过与PI控制、传统无模型滑模算法进行仿真和试验对比，验证所提算法能降低对电机模型的依赖，提高了永磁同步电机的暂稳态控制性能，保证系统的抗扰能力和强鲁棒性。  
        关键词：永磁同步电机;快速趋近律;无模型滑模控制;扩展滑模观测器;仿真;超局部模型   
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