类型a
主要作者与研究机构及发表信息
这篇研究的主要作者包括黄国盛（Guosheng Huang）、吴明利（Mingli Wu）、曹国涛（Guotao Cao）、付松平（Songping Fu）、裴晓娟（Xiaojuan Pei）、吴立然（Liran Wu）和刘秋江（Qiujiang Liu）。他们分别隶属于北京交通大学电气工程学院、中国铁建电气化局集团有限公司、中国（北京）铁路建设电气化设计研究院有限公司以及北京交通大学智能高铁系统前沿科学中心。该研究发表在《Electronics》期刊上，出版时间为2024年12月10日。
学术背景
本研究属于电气化铁路供电系统的科学研究领域，具体聚焦于接触网覆冰问题的解决方法。近年来，极端低温天气频繁出现，导致电气化铁路接触网覆冰现象日益严重。这种覆冰不仅会影响受电弓与馈线之间的电气接触，还可能导致绝缘击穿和电弧放电，从而损坏设备并增加机械负载，甚至引发断线或坍塌等严重后果。为了解决这一问题，研究者提出了一种基于直流电流（Direct Current, DC）的融冰系统。相比传统的融冰技术（如手动除冰、化学融冰剂和热滑动技术），直流融冰技术具有更高的效率和更好的经济性。本研究旨在设计和分析一种适用于电气化铁路牵引供电系统的直流融冰系统，并通过有限元模拟和仿真验证其可行性。
研究流程
本研究分为四个主要部分：系统拓扑结构与工作原理分析、有限元模拟分析、仿真模型建立与输出特性分析，以及实验结果总结。
首先，研究团队详细介绍了直流融冰系统的拓扑结构。该系统由输入单元、变压器单元、整流单元和输出单元组成。输入单元负责控制电源的开关状态并采集输入电压和电流数据；变压器用于信号的变换和隔离；整流单元采用单相全控晶闸管整流电路以提供可控的直流电源；输出单元则包括平波电抗器和直流母线。此外，研究团队还阐述了系统的运行原理，特别是晶闸管触发角对输出直流电压和电流的影响。
其次，研究团队利用COMSOL软件建立了有限元模型，以分析接触网融冰过程的动态特性。该模型包括一条10米长的馈线、承载电缆和两条1米长的悬吊电缆。研究团队通过调整环境温度、冰层厚度、直流电流大小和导线类型等变量，探讨了这些因素对融冰效率的影响。具体而言，环境温度设置为-1°C至-7°C，冰层厚度设置为10mm至25mm，直流电流范围为800A至1500A，而导线类型则包括JTMH-120+CTMH-150和JTMH-95+CTS-120两种组合。
第三，研究团队利用MATLAB/Simulink 2020a开发了一个仿真模型，以分析融冰系统的输入和输出特性。输出特性主要关注系统的电流输出能力和谐波行为，而输入特性则涉及交流侧的谐波和功率因数。仿真模型中包含了一个60公里长的等效接触网络，研究团队通过调节晶闸管的触发角（即占空比）来观察输出电流的变化情况。
最后，研究团队对上述实验结果进行了总结，并提出了未来研究的方向。
主要结果
研究团队通过有限元模拟得出了以下结果：
在仿真模型方面，研究团队发现通过调节占空比可以有效控制直流侧的输出电流。输出电流中的主要谐波为二次谐波，而四次及以上谐波迅速衰减。此外，高压侧的谐波电流主要由低阶谐波（尤其是10阶以内）组成，其谐波含量在10%至40%之间波动。
结论与意义
本研究成功设计并验证了一种适用于电气化铁路牵引供电系统的直流融冰系统。研究结果表明，该系统具有良好的工程适用性，能够有效应对接触网覆冰问题。从科学价值来看，本研究填补了直流融冰技术在牵引供电系统中的研究空白；从应用价值来看，该系统可显著提高电气化铁路在极端天气条件下的安全性和可靠性。
研究亮点
本研究的亮点包括以下几个方面：
1. 提出了一种基于单相H桥晶闸管整流方案的直流融冰系统，具有成本适中、输出可调和电路结构简单的特点。
2. 利用有限元模拟和仿真模型相结合的方法，全面分析了融冰过程的动态特性和系统性能。
3. 发现了环境温度、冰层厚度、直流电流和导线类型对融冰效率的关键影响，并提出了优化建议。
其他有价值的内容
研究团队还探讨了融冰系统在实际应用中的谐波特性，指出当占空比不低于0.7时，电流谐波含量约为20%。这一发现为融冰系统的进一步优化提供了重要参考。此外，研究团队提出的融冰技术可推广至其他类型的电力传输系统，具有广泛的应用前景。