地鐵牽引供電系統(tǒng)整流機組等效建模及其計算

劉夢圓 曾進輝 石揚（湖南工業(yè)大學電氣與信息工程學院 湖南 株洲 412007）

地鐵牽引供電系統(tǒng)整流機組等效建模及其計算

劉夢圓 曾進輝 石揚
（湖南工業(yè)大學電氣與信息工程學院 湖南 株洲 412007）

分析了地鐵牽引變電所在牽引供電系統(tǒng)潮流計算中的建模問題。實際工程計算中，24脈波整流機組模型通常用2個并聯(lián)運行的12脈波整流機組模型替代。在此基礎上，推導了24脈波整流電路的外特性方程并繪制出其外特性曲線。提出了一種基于曲線折線化思想的整流機組數學模型求解方法，得到了整流機組各個工作區(qū)間的等效電源和等效內阻，最后根據具體參數進行算例分析。實驗結果表明，文章提出的整流機組數學模型求解方法行之有效，簡化了地鐵牽引供電系統(tǒng)的建模難度。

地鐵牽引變電所；24脈波整流機組；等效模型

1.引言

隨著我國城鎮(zhèn)化的加快發(fā)展，未來城鎮(zhèn)規(guī)模也不斷擴大，軌道交通是解決交通擁堵問題的必然選擇[1]。近年來，我國城市軌道交通建設高速發(fā)展，城市軌道交通作為城市交通基礎設施建設，具有運量大、速度快、穩(wěn)定、零污染的優(yōu)勢[1-2]。

地鐵牽引供電系統(tǒng)是城市軌道交通至關重要的組成部分，其擔負著為電動機車和各種用電設備提供電能的重要任務[3]。因此，牽引供電系統(tǒng)的性能指標將影響到城軌交通系統(tǒng)的安全運行。在地鐵運行過程中，供電中斷不僅會造成交通運輸的癱瘓和嚴重的經濟損失，甚至會危機乘客的生命安全[4]。對牽引供電系統(tǒng)進行計算機仿真計算，可以檢驗運行系統(tǒng)的各項參數，還可以動態(tài)的改變參數來研究系統(tǒng)穩(wěn)定性變化條件。目前國內地鐵牽引直流供電系統(tǒng)中，12脈波整流機組已基本被24脈波整流機組取代[7]。通過增加整流電路的相數，有效提高了供電系統(tǒng)的功率因素，改善了其對外部電網的干擾和沖擊[5]。精確的整流機組外特性模型非常復雜，實際工程計算中，24脈波整流電路一般用2個并聯(lián)運行的12脈波整流代替[6]。

本文首先分析了12脈波整流機組電路的外特性方程，由此推導了24脈波整流機組的外特性方程，并結合邊界電抗系數的定義得到了整流機組的外特性曲線，在此基礎上利用曲線折線化思維，得到了整流機組各個工作區(qū)間的等效電源和等效內阻，最后結合具體參數進行了算例分析。

2.牽引供電系統(tǒng)模型

地鐵牽引供電系統(tǒng)主要有三相交流系統(tǒng)與直流牽引供電系統(tǒng)兩部分組成。二者通過牽引變電所進行連接，牽引變電所將主變電所送來的三相交流電再次降壓，通過換流裝置變成1500V或其他電壓等級的直流電，通過接觸網供給機車，最后經鋼軌回流到牽引變電所。

2.1 地鐵牽引供電系統(tǒng)

三相交流系統(tǒng)主要包括主電網、主變電所、中壓電纜網絡；直流牽引供電系統(tǒng)主要由直流牽引變電所、饋線、接觸網、機車、鋼軌及回流線組成[7]。

2.2 直流牽引變電所

牽引變電所是三相交流系統(tǒng)和直流牽引供電系統(tǒng)的交叉點，其任務是將三相交流電降壓、整流后轉換為機車使用的直流電[6-7]。位于牽引變電所中的整流機組是實現電能交直流轉換的核心裝置，其在地鐵牽引供電系統(tǒng)交直流潮流計算中具有重要作用，從機車側看，整流機組便是機車的電源，所以對整流機組的建?？梢园凑沾骶S南等效原則將其等效為一理想電壓源和等效內阻的串聯(lián)[5-7]。

3.24脈波整流機組外特性及其數學建模過程

3.1 12脈波整流電路和24脈波整流電路

整流變壓器二次繞組分別采用Y和△接法，其中△-Y繞組變比為，從而構成相位差30o、幅值大小相等的兩組電壓，其中從而使輸出整流電壓在每個交流電源周期中脈動12次。在不考慮帶平衡電抗器的情況，24脈波整流電路由兩組容量相同的12脈波整流電路并聯(lián)而成[4，6]。

3.2 24脈波整流機組外特性

正常運行情況下，不帶平衡電抗器的12脈波整流機組可分為5種工作模式。隨著電抗因素RF的增大，工作模式會發(fā)生變化。電壓電流特性方程[7]，如公式（1）：

（1）

圖1 整流機組外特性曲線

3.3 24脈波整流機組等效數學模型

由公式（1）可知，整流機組模型的1、3、5工作區(qū)間下的外特性曲線是直線，2、4工作區(qū)間下外特性曲線是曲線，要確定整流機組等效數學模型，就必須對外特性曲線進行整合，常用的做法是將6條曲線直線化，同時，對曲線的邊界條件進行區(qū)分，從而得到六折線外特性曲線。

由分析可知，整流機組模型的等效電壓源即為外特性曲線的截距，而等效內阻即為外特性曲線的斜率絕對值，故可得各工作區(qū)間下的等效電壓源 和等效內阻 。

4.算例分析

（2）整流機組各工作區(qū)間的電路模型參數

已知k=0.332，可得各工作區(qū)間的等效電源和等效內阻，如表。

表 各區(qū)間下等效電壓源和等效內阻

通過對牽引供電系統(tǒng)潮流計算，可以得到整流機組的負荷電流大小，結合表2來判斷整流機組的工作區(qū)間，進而可以得到其電路模型參數。

5.結論

本文首先介紹了地鐵牽引供電系統(tǒng)的組成，并給出了直流牽引變電所中核心部件整流機組的等效原則。在此基礎上，將24脈波整流機組簡化為2個12脈波整流機組分析，得到了24脈波整流機組的外特性方程，并繪制出了外特性曲線圖；將外特性曲線進行直線化處理得到了六折線外特性模型，進而求得整流機組模型的等效電壓源和等效內阻。最后，結合具體參數，對整流機組的模型進行算例計算。本文對牽引變電所的數學建模將為整個牽引供電系統(tǒng)建模仿真提供依據。

[1]李群湛，賀建閩．牽引供電系統(tǒng)分析[M].成都：西南交通大學出版社，2007：266-270．

[2]胡海濤，何正友，王江峰，高仕斌，錢清泉．基于車網耦合的高速鐵路牽引網潮流計算[J].中國電機工程學報，2012(19)．

[3] Zhongbei Tian，Stuart Hillmansen，Clive Roberts etc．Modeling and Simulation of DC Rail Traction Systems for Energy Saving[C].International IEEE Conference on Intelligent Transportation Systems，2014：2354-2359．

[4]謝方，馮曉云，陳世浩等．24脈波供電系統(tǒng)仿真平臺研究與仿真[C].中國電工技術學會電力電子學會學術年會論文集，2008．

[5] Yii-Shen Tzeng，Nanming Chen，Ruan-Nan Wu．Modes of Operation in Parallel-connected 12-pulse Uncontrolled Bridge Rectifiers Without an Interphase Transformer．IEEE Tran-sactions on Industrial Electrical Electronics，1997，44(3)：344-350．

[6]李良威，李群湛，劉煒．24脈波整流器外特性仿真及其在城市軌道交通中的應用[J]．城市軌道交通，2007，10(10)：52-55．

[7]劉煒，李群湛．基于多折線外特性模型的直流牽引供電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)短路計算[J]．機車電傳動，2008(1).

Equivalent Modeling and Calculating of Rectifier Unit in a Subway Traction Power Supply System

Liu Mengyuan, Zeng

inhui, Shi Yang Collge of electrical and information engineering Hunan University of Technology, 412007, Zhuzhou, China

Analysis the modeling problems in power flow calculation of traction power supply system of metro traction substation.Based on the practicalengineering calculation．the model of 24 pulse rectifier unit is replaced by two parallel operation models of 12 pulse rectifier unit．he exterior characteristic equation of 24 pulse rectifier circuit and the external characteristic curve is deduced．The rectifier mathematical model method combining the piecewise linear approximation theory.It obtained the equivalent power and equivalent resistance of each interval on rectifier unit.Finally,according to the specific parameters in order toreceivereal model.The experimental results show that the mathematical model of the rectifier is effective．and it simplifythe difficulty of modeling of the metro traction power supply system.

Metro traction substation;24-pulse rectifier unit ;Equivalent model

TP1

A

1009-5624（2016）06-0054-03

國家自然科學基金項目（51607064）；湖南工業(yè)大學教育教學改革項目（2015B18）；湖南省級研究生創(chuàng)新基金項目（CX2016B643）。