地鐵供變電及列車電氣傳動模型的建立與仿真

【摘要】地鐵的供變電系統(tǒng)研究與列車電氣傳動模型建立和仿真是研究地鐵運行可靠性和安全性的重要部分。本文從地鐵供變電系統(tǒng)的組成和重要性以及供電方案等方面介紹了其供電系統(tǒng)，簡述了列車電氣傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并根據(jù)整個列車運行過程中能量流動示意圖對牽引網(wǎng)和換流站中整流和逆變等方面進行電氣傳統(tǒng)模型的建立以及使用Simulink動態(tài)軟件進行仿真，得到了與實際測量數(shù)據(jù)較為符合的結(jié)果。

【關鍵詞】城市軌道交通；供變電系統(tǒng)；電氣傳動模型

1.地鐵供電系統(tǒng)的重要性

我國城市軌道交通正步入高速發(fā)展階段，地鐵在人們?nèi)粘Ｉ钪邪缪葜絹碓街匾慕巧?。地鐵的供變電系統(tǒng)是整個地鐵的絕對核心部分，其作為地鐵的動力來源，必須保證供變電系統(tǒng)的正?？煽窟\行。因此研究地鐵供電系統(tǒng)具有重要意義。該系統(tǒng)主要分為電源系統(tǒng)、電氣牽引傳動供電系統(tǒng)和普通照明供電系統(tǒng)三部分。電氣牽引傳動供電系統(tǒng)主要是給列車牽引動力，照明供電系統(tǒng)則是主要給車站和車內(nèi)進行照明以及通風設備的運作。整個供電系統(tǒng)主要采用集中供電和分散供電兩種方案。集中供電是建設專用地鐵供電的變電所，該方案形成了城市軌道交通供電系統(tǒng)的獨立性，有利于管理和運營。分散供電是通過電網(wǎng)就近給地鐵進行供變電，該方案采用就地取材，不需要單獨建設變電站，節(jié)省建設經(jīng)費。

2.列車電氣傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

列車電氣傳動系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)有牽引動力變電站、架空線路、導軌和列車等部分。其主要作用是在牽引工況時將電能轉(zhuǎn)換為列車運行動能，在制動工況時，將列車動能轉(zhuǎn)換為電能回饋給電網(wǎng)，其中能量流動為輪對經(jīng)逆變器傳輸?shù)浇佑|網(wǎng)中。列車電氣傳動系統(tǒng)主要傳動動力為直流電力，直流比交流在調(diào)速范圍、控制便易性、電壓質(zhì)量、建設經(jīng)費和整個電氣傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等方面更具優(yōu)勢。牽引電流送到列車上的方式主要有接觸軌和架空接觸網(wǎng)兩種。其電壓等級主要為IEC標準中的600V、750V和1500V，我國主要使用750V和1500V。

3.列車電氣傳動系統(tǒng)模型的建立和仿真

列車電氣傳動系統(tǒng)的分析計算主要是靠建立相應的仿真模型來實現(xiàn)的，進而與實際測量數(shù)據(jù)進行比較，研究不同情況下該系統(tǒng)的實際反應。在滿足要求精度的情況下，所建立的模型要盡可能的簡單，現(xiàn)如今的電氣傳動模型往往只能從基本物理概念出發(fā)，使用較為理想化的模型。一般可分為恒功率模型、恒電流模型和恒阻抗模型。

3.1列車牽引模型的建立。以某地一段地鐵為例，建立一個將牽引變電站等效為電壓源和電阻串聯(lián)的接觸網(wǎng)（包括牽引網(wǎng)和回流網(wǎng)）模型。該模型采用架空接觸網(wǎng)和鋼軌回流方式。由于是直流供電，其電容忽略不計，以電阻等效架空接觸網(wǎng)。鋼軌由于趨膚效應，可等效為電阻和電感串聯(lián)。

變電所內(nèi)阻，其中，Un=1.5為直流側(cè)額定電壓（kV）；Ud=8%為牽引變壓器短路電壓百分值；Sr=3為變壓器容量；n=2為牽引整流機組套數(shù)；kr=1為內(nèi)阻系數(shù)。計算得Req=0.03Ω。根據(jù)實際測量，得到其接觸網(wǎng)參數(shù)：牽引網(wǎng)單位電阻為0.04Ω/km，軌道單位電阻為0.03Ω/km，軌道單位電感為0.002H/km，牽引變電所間距為3607m。

3.2列車換流站模型的建立。列車從接觸網(wǎng)上獲取電能進行整流，再通過逆變?yōu)榻涣魈峁┙o三相異步電動機使用，因此在換流站中的整流和逆變好壞對整個傳動模型的質(zhì)量有很大影響。為了減少電網(wǎng)側(cè)諧波電流的影響，在城市軌道交通牽引整流站采用了24脈波整流方式，其主要由兩臺整流變壓器并聯(lián)構(gòu)成，每個變壓器有兩個三相六脈全波橋式整流電路分別接在整流變壓器二次側(cè)的三角形繞組和星形繞組上。在不計換相電抗情況下，其輸出的平均直流電壓為，其中U為電網(wǎng)額定電壓有效值。24脈波整流電路可以等效為一個電壓源和一個等效電阻的串聯(lián)電路，但是該等效電阻的阻值會隨負荷變換和換相模式的不同而改變。除此之外，由于負荷電流決定換相模式，而換相模式反向影響負荷電流，所以在求解時一般采用迭代的方法。

3.3換流站模型仿真。本文使用動態(tài)仿真軟件simulink對24脈波整流電路進行仿真，該軟件中的電力電子系統(tǒng)工具箱可用于電力電子電路和系統(tǒng)的仿真，本文的換流站模型就是使用該工具箱進行仿真的。24脈波整流電路仿真模型采用三相對稱交流電壓源作為電源，電源側(cè)繞組三角形接線方式以移相變壓器△/△+7.5°和△/△-7.5°，為了給每臺變壓器低壓繞組側(cè)引進30°相位差，在移相后接入△-△/△-Y連接變壓器T1和T2。通過研究知，在所有的整流器中輸出波形質(zhì)量最好的是三相橋式6脈波整流器，因此，為了實現(xiàn)24脈波整流器的工作特性，將兩個6脈波整流器并聯(lián)到一臺整流變壓器上，組成12脈波整流機組，再將兩臺整流機組并聯(lián)工作。

3.4模型參數(shù)和仿真參數(shù)的設置及仿真結(jié)果。為了仿真的準確性，使用35kV電壓等級進行仿真，因此交流源電壓幅值為35kV，頻率為50Hz（工頻），相位分別相差120°。為了滿足移相要求，兩臺移相變壓器分別對電力變壓器進行+7.5°和-7.5°的移相。三相二極管整流橋參數(shù)設置：使用默認值；RLC負載參數(shù)設置：電阻R設為200Ω，電感L設為0，電容C設為無窮大。在基于ode23tb數(shù)值算法上工頻條件下0.04s內(nèi)的通過仿真軟件仿真后得到了從示波器中觀察輸出波形。

3.5中間直流環(huán)節(jié)。在整個交直交牽引傳動系統(tǒng)中，中間直流環(huán)節(jié)主要作為消除電網(wǎng)諧波影響和作為儲能回路，并作為兩側(cè)的連接橋梁。主要包括支撐電容器和過電壓限制電路結(jié)構(gòu)。支撐電容器作為主要的儲能器，穩(wěn)定直流電壓，承載連接整流器和逆變器之間的能量交換作用。

3.6逆變模型的建立和實現(xiàn)。要將整流得到的直流應用到三相異步電機上必須對直流進行逆變，還應保證逆變出來的電壓波形中諧波盡可能的少，因此對逆變模型的要求較高。逆變主要通過控制功率器件的開通關斷狀態(tài)實現(xiàn)輸出三相交流?？煞譃殡娏髟葱秃碗妷涸葱?，可通過三電平逆變器主電路實現(xiàn)逆變。該電路主要采用2個開關管串聯(lián)和中點帶鉗位二極管的方式，將開關管的承受電壓降低一半。通過不斷改變開關器件的通斷狀態(tài)，可以實現(xiàn)直流到交流的逆變。具體方法為：將整個周期分為6個區(qū)域，每個區(qū)域60度，對每個區(qū)域分別進行區(qū)間判斷、時間計算和時間狀態(tài)分配。在時間狀態(tài)分配是，應經(jīng)量減少開關損耗即盡可能減少開關動作次數(shù)。遵循開關不能躍變和開關矢量對稱選擇的原則。

4.總結(jié)

本文通過對地鐵供變電系統(tǒng)的組成和作用以及供電方案進行了講解，說明了該系統(tǒng)的重要程度。對列車電氣傳動系統(tǒng)進行建模和仿真，建立了牽引網(wǎng)模型和換流站模型，重點介紹了整流和逆變，并對其進行仿真，得到了較為理想的仿真波形。

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作者簡介

張必偉（1975-），男，四川大竹人，高級工程師，研究方向為電力企業(yè)施工管理及技術管理。