CN114268119A - 一种轨道交通长距离用电设备直流配电方案设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种轨道交通长距离用电设备直流配电方案设计方法，配电方案采用柔性直流配电系统，主要包括整流器、直流电缆、逆变器。设计方法包括以下步骤：确定用电设备的额定电压U_n和额定功率P_n以及供电距离l，计算配电线路中用电高峰期所有用电设备功率总和P_e；综合考虑负荷等级以及负荷特性的要求确定线路设计方案；根据用电高峰期功率总和P_e确定整流器和逆变器的容量；根据电缆载流量和电压降公式初步选择直流电缆截面积；建立直流配电系统数学模型，校验设备正常启动和运行过程中线路电压损耗、用电设备端电压、线路空载电压、启动电流情况，确定电缆截面大小。本发明采用柔性直流配电系统作为轨道交通长距离用电设备配电方案，相比于常规交流配电方案，线路损耗小，电压质量有了较大改善，供电可靠性高，节约电缆造价。

Description

一种轨道交通长距离用电设备直流配电方案设计方法

技术领域

本发明应用于轨道交通长距离低压配电技术领域，具体涉及一种轨道交通长距离用电设备直流配电方案及其设计方法。

背景技术

随着城市群概念的提出，城市之间依托发达的交通基础设施网络联系更加紧密，城市的发展逐渐由核心区向周围延伸，轨道交通区间距离随之增大。作为一级负荷的区间水泵、风机类等用电设备，供电距离较长，采用常规交流配电方案，难以满足运行中电压质量要求。当电缆截面一定时，电缆的阻抗随电缆长度增加而增加，线路阻抗产生的压降随之增大，为了满足配电线路末端用电设备的电压要求，只能采用较大截面的电缆来减少线路电压损耗，使得工程投资大幅度增加。大负荷设备低压长距离配电采用常规交流配电方案存在如下问题：

(1)在低压配电系统中，长距离配电电能传输损耗较大，线路电压降过高，导致线路末端电压过低，影响设备的正常启动或运行，能源利用率低。

(2)为保证长距离配电线路末端电压符合要求，只能通过增大电缆截面的方法来提高供电质量。但随着电缆截面增大到一定程度，线路阻抗降低效果越不明显，因此对降低电压损耗的作用也十分有限。

故采用现有技术中的交流配电方案，难以满足远距离大负荷用电设备的运行电压要求。

发明内容

本发明提供了一种轨道交通长距离用电设备直流配电方案设计方法，其能实现轨道交通长距离低压用电设备配电安全经济的目标。

为了解决上述问题，本发明按以下技术方案予以实现的：

一种轨道交通长距离用电设备直流配电方案设计方法，包括步骤：

确定用电设备的种类、数量、额定电压、额定功率和供电距离，计算配电线路中用电高峰期所有用电设备的功率总和；

确定线路设计方案，采用双回路配电方案，从低压变电所馈出双回路经柔性直流配电系统至双电源切换箱，经双电源切换箱向用电设备供电；

根据用电高峰期功率总和确定整流器和逆变器的容量；

确定直流电缆线路的电压等级、电缆类型，根据电缆载流量或直流线路电压降公式初步确定直流电缆的截面积；

建立柔性直流配电系统的数学模型，进行潮流计算，在仿真平台上进行建模仿真，获取配电方案的运行特性以及损耗情况；

校验用电设备正常启动和运行过程中线路电压损耗、用电设备端电压、线路空载电压、启动电流情况，确定电缆截面大小。

作为本发明的进一步改进，所述根据用电高峰期功率总和确定整流器和逆变器的容量，具体为：

根据用电高峰期功率总和，并结合功率因数、柔性直流配电系统特性，确定整流器和逆变器容量。

作为本发明的进一步改进，所述柔性直流配电系统中，整流器和逆变器均采用模块化多电平换流器。

作为本发明的进一步改进，逆变器采用交流电压的控制策略，直流电缆的截面积由电缆载流量确定。

作为本发明的进一步改进，所述建立柔性直流配电系统的数学模型的步骤，包括如下步骤：

将低压变电所的母线排等效成一个电压源，直流电缆线路的阻抗用电阻进行等效，用电设备采用感应电机+恒阻抗综合负荷模型进行等效；

整流器采用定交流电压和定直流电压的控制方法，逆变器采用定交流电压和定频率控制。

作为本发明的进一步改进，用电设备采用错峰启动的方式投入运行。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明采用双回路配电方案和柔性直流配电系统，不涉及相位问题，供电可靠性高。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，其中：

图1为实施例1所述轨道交通长距离用电设备直流配电方案设计方法的流程图；

图2为实施例1所述轨道交通长距离用电设备直流配电方案示意图；

图3为实施例1中的柔性直流配电系统MMC换流器拓扑结构图；

图4为实施例1中提供的电机启动过程中端电压波形图；

图5为实施例1中提供的两台电机启动过程中线路电流波形图；

图6为实施例1中提供的电机启动过程中转速变化波形图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本实施例公开了一种轨道交通长距离用电设备直流配电方案设计方法，如图1所示，包括步骤：

S1、确定用电设备的种类、数量、额定电压、额定功率和供电距离，计算配电线路中用电高峰期所有用电设备的功率总和；在本实施例中，用电设备为地铁区间废水泵，数量为两台，一台为主用，一台为备用，额定电压U_n＝380V，额定功率P_n＝11kW，功率总和P_e＝22kW。

S2、确定线路设计方案，如图2所示，采用双回路配电方案，从低压变电所馈出双回路经柔性直流配电系统至双电源切换箱，经双电源切换箱想用电设备供电；图中L₀为换流器桥臂电感，U_dc为直流电压，SM表示子模块，u_sm为子模块电压，C₀为子模块电容。在本发明实施例中，柔性直流配电系统整流和逆变器均采用模块化多电平换流器(MMC换流器)，MMC换流器占地面积小，波形质量高，如图3所示。

S3、根据用电高峰期功率总和确定整流器和逆变器的容量；在本实施例中，功率总和P_e＝22kW，考虑功率因数和柔性直流配电系统特性，确定整流器和逆变器容量为100kVA；

S4、确定直流电缆线路的电压等级、电缆类型，根据电缆载流量或直流线路电压降公式初步确定直流电缆的截面积；

低压动力用电中直流电压等级可选择为1000V、750V、600V、440V、400V，在本发明实施例中，根据直流电缆电压等级及保护设备对电压的要求，确定直流电压等级为750V，轨道交通作为重要的市政工程，距离变电所较远的水泵、风机类等用电设备作为一级负荷，相应直流电缆应选用低烟无卤阻燃耐火交联聚乙烯绝缘聚乙烯护套型(WDZB1N-YJY)电缆。

根据电缆载流量确定直流电缆的截面积具体为：

电力电缆的选择需要满足系统载流量的要求，同时还应满足最大运行方式下的载流量要求。

在本实施例中，供电负荷主要是两台水泵，正常情况是一主用一备用，必要时需两台同时运行，因此电缆载流量需满足两台水泵同时运行时的要求，按实际载流量要求选择电缆截面为50mm²。

根据直流线路电压降公式确定电缆的截面积，采用如下公式进行计算：

式中，Δu％为线路电压损失百分数，R'_O为线路单位长度电阻，单位为：Ω/km，U_dc为直流线路电压等级，等位为：kV，P为负荷有功功率，单位为：KW，l为线路长度，单位为：km，C为计算系数，

γ为电缆线路电导率，S为线芯标称界面，单位为：mm²。

根据直流电缆电压降计算公式，至少需选用截面120mm²以上的电缆才能满足相应的电压要求，在本发明实施例中，逆变器采用定交流电压的控制策略，能够维持末端电压稳定，电压质量有了很大的提高，因此只需按载流量要求选择电缆截面，故选取截面为50mm²的电缆。

S5、建立柔性直流配电系统的数学模型，进行潮流计算，在仿真平台上进行建模仿真，获取配电方案的运行特性以及损耗情况；具体为：

在仿真平台PSCAD中搭建相关设备模型，将低压变电所0.4kV母线排等效成一个电压源，直流电缆线路阻抗用电阻进行等效，两台废水泵采用感应电机模型进行等效。整流器采用定交流电压+定直流电压的控制方式，逆变器采用定交流电压+定频率控制。系统稳定运行后，两台电机采用错峰启动的方式投入运行，其中第一台电机在5s启动，第二台电机在10s启动，仿真总时长为15s。

S6、校验用电设备正常启动和运行过程中线路电压损耗、用电设备端电压、线路空载电压、启动电流情况，确定电缆截面大小。

如图4所示，根据仿真波形图将电机启动过程中端电压数据记录在表1中，分析电机启动暂态过程中电机端电压变化情况。

表1直流配电方案下电机启动过程中端电压数据

根据图4和表1数据可知，直流配电方案下，系统启动后很快达到稳定状态，由于采用了定交流电压的控制方式，线路末端空载电压稳定在380V。t＝5s时第一台电机启动，启动时机端电压迅速下降，电压跌落至341.9V，电压偏差为-10.03％，但随着启动过程暂态电流的减小以及控制策略的作用，电压迅速抬高，最大电压为394V，电压偏差为+3.68％，t＝6.5s时机端电压恢复至稳定值；t＝10s时，第二台电机启动，启动时机端电压再次下降，电压跌落至312.06V，电压偏差达-17.88％，1.5s后电压恢复稳定值。两台电机启动过程中机端电压虽跌落较大，但均能满足电机启动的要求。同时，在逆变器定交流电压的控制策略下，机端电压能够稳定在380V附近，电压质量有了很大的提高，能够保证用电设备的正常启动和正常运行。

如图5所示，根据仿真波形图将电机启动过程中线路电流数据记录在表2中。

表2电机启动过程中的电流数据

图5和表2的结果表明，直流配电方案下，两台电机同时启动时的暂态电流最高可达267A，若采用错峰启动的方法，两次启动过程中的暂态电流最高为151.2A，明显低于同时启动的电流值。轨道交通配电系统中若存在多台用电设备需同时运行时，采用错峰启动可明显减小启动电流，减弱水泵、风机类等用电设备启动时大电流对电网的冲击。

如图6所示，启动过程中，电机转速逐步上升，1.5s后转速达到稳定值，在第二台电机启动瞬间，第一台电机由于机端电压突然降低导致转速出现轻微波动，但很快恢复，第二台电机转速逐步上升，1.5s后两台电机均以额定转速运行。可见采用错峰启动方式，第二台电机的启动对第一台电机的运行基本无影响。

校验用电设备启动过程中线路电压损耗、用电设备端电压、线路空载过电压情况及用电设备启动电流，最终确定电缆截面大小，保证配电系统的可靠性。

故在保证配电系统可靠性的前提下，本发明实施例最终确定电缆截面为50mm²。

综上所述，本发明具有以下有益效果：采用双回路配电方式和柔性直流配电系统，不涉及频率及相位问题，供电可靠性高；逆变器采用定交流电压控制，线路末端电压稳定、电压质量相比常规配电方案有了较大的改善；电缆截面只需满足载流量，且直流配电线路只有正负两极，相较于常规配电方案，减少了铜金属的使用，同时所需电缆截面积小，能较好地降低配电电缆的成本，尤其当配电距离超过一定长度时，采用该配电方案所带来的经济效益更加明显。如此，实现轨道交通长距离低压用电设备配电安全经济的目标，可为今后轨道交通低压长距离用电设备配电设计提供一定的帮助。

以上仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种轨道交通长距离用电设备直流配电方案设计方法，其特征在于，包括步骤：

确定用电设备的种类、数量、额定电压、额定功率和供电距离，计算配电线路中用电高峰期所有用电设备的功率总和；

确定线路设计方案，采用双回路配电方案，从低压变电所馈出双回路经柔性直流配电系统至双电源切换箱，经双电源切换箱向用电设备供电；

根据用电高峰期功率总和确定整流器和逆变器的容量；

确定直流电缆线路的电压等级、电缆类型，根据电缆载流量或直流线路电压降公式初步确定直流电缆的截面积；

建立柔性直流配电系统的数学模型，进行潮流计算，在仿真平台上进行建模仿真，获取配电方案的运行特性以及损耗情况；

校验用电设备正常启动和运行过程中线路电压损耗、用电设备端电压、线路空载电压、启动电流情况，确定电缆截面大小。

2.根据权利要求1所述的轨道交通长距离用电设备直流配电方案设计方法，其特征在于，所述根据用电高峰期功率总和确定整流器和逆变器的容量，具体为：

根据用电高峰期功率总和，并结合功率因数、柔性直流配电系统特性，确定整流器和逆变器容量。

3.根据权利要求1所述的轨道交通长距离用电设备直流配电方案设计方法，其特征在于，所述柔性直流配电系统中，整流器和逆变器均采用模块化多电平换流器。

4.根据权利要求3所述的轨道交通长距离用电设备直流配电方案设计方法，其特征在于，逆变器采用交流电压的控制策略，直流电缆的截面积由电缆载流量确定。

5.根据权利要求1所述的轨道交通长距离用电设备直流配电方案设计方法，其特征在于，所述建立柔性直流配电系统的数学模型的步骤，包括如下步骤：

将低压变电所的母线排等效成一个电压源，直流电缆线路的阻抗用电阻进行等效，用电设备用感应电机+恒阻抗综合负荷模型进行等效；

整流器采用定交流电压和定直流电压的控制方法，逆变器采用定交流电压和定频率控制。

6.根据权利要求5所述的轨道交通长距离用电设备直流配电方案设计方法，其特征在于，用电设备采用错峰启动的方式投入运行。

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