新型城市軌道直流牽引供電系統(tǒng)研究

傅曉鋒，康積濤，劉 文

新型城市軌道直流牽引供電系統(tǒng)研究

傅曉鋒，康積濤，劉 文

針對(duì)城市軌道牽引供電系統(tǒng)中供電臂末端電壓偏低、供電距離短等問(wèn)題，提出了通過(guò)改進(jìn)原有直流牽引變電站24脈波整流機(jī)組輸出電壓，再通過(guò)Buck電路降壓至牽引供電所需電壓，并在兩所變電站的中點(diǎn)增設(shè)一組由PID控制電路控制的Buck變換裝置給牽引負(fù)荷供電，從而達(dá)到提高供電臂末端電壓和延長(zhǎng)供電臂的目的。在提出設(shè)計(jì)原理的基礎(chǔ)上基于Matlab/Simulink搭建仿真模型，通過(guò)比較原有直流牽引供電系統(tǒng)和新型直流牽引供電系統(tǒng)的供電能力，從理論上驗(yàn)證了該方案的有效性，為今后的城市軌道牽引供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

直流牽引供電系統(tǒng)；24脈波整流機(jī)組；Buck變換裝置；供電臂；PID控制電路

0 引言

在我國(guó)高速鐵路大發(fā)展的同時(shí)，城市軌道交通（下文簡(jiǎn)稱城軌）建設(shè)也在迅猛發(fā)展。城軌供電系統(tǒng)是城軌建設(shè)最關(guān)鍵的部分之一，其主要由多脈波整流機(jī)組（包含12脈波整流和24脈波整流等）來(lái)實(shí)現(xiàn)交流電源的整流，再供給列車負(fù)載。

然而，在地鐵運(yùn)行高峰時(shí)期因?yàn)樨?fù)荷增加及線路損耗的原因，導(dǎo)致?tīng)恳╇娤到y(tǒng)的供電臂距離只有2～3 km左右[1]。本文基于Matlab/Simulink仿真，構(gòu)建了一種附以多重Buck電路的新型直流牽引供電系統(tǒng)，通過(guò)比較其在特定條件下與傳統(tǒng)直流牽引供電系統(tǒng)的極限供電距離長(zhǎng)度，來(lái)驗(yàn)證新型牽引供電系統(tǒng)延長(zhǎng)供電距離、提高供電電壓的有效性。

1 典型直流牽引供電系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

目前主流的直流牽引供電系統(tǒng)主要由24脈波整流機(jī)組供電，主要包括牽引整流變壓器和12脈波整流電路。牽引整流變壓器大都采用軸向雙分裂式三繞組變壓器，其將網(wǎng)側(cè)交流35 kV電壓變換為交流1 180 V電壓輸出至整流橋。2個(gè)三相橋式整流電路并聯(lián)構(gòu)成12脈波整流器。牽引整流變壓器和12脈波整流器就構(gòu)成了12脈波整流機(jī)組。為了得到24脈波，每個(gè)牽引變電所內(nèi)并聯(lián)運(yùn)行的2臺(tái)整流變壓器的原邊繞組分別移相±7.5°[2]，使2臺(tái)整流變壓器4個(gè)次邊繞組線電壓相量各自相差15°，最終在直流側(cè)輸出直流1 500 V的24脈波電壓[3]。

1.2 系統(tǒng)仿真模型

根據(jù)上文的拓?fù)湓贛atlab/Sumilnk中搭建仿真模型，其中架空線和回流軌用相應(yīng)電容電感等效，得到典型直流牽引供電系統(tǒng)仿真模型（圖1）。

圖1中24_Pulse_1和24_Pulse_2為24脈波整流機(jī)組，其模型如圖2所示，其中電源為35 kV三相電壓源，經(jīng)過(guò)曲折形移相變壓器移相±7.5°，再接入三相三繞組變壓器，最終經(jīng)過(guò)橋式整流電路并聯(lián)輸出直流24脈波電壓。電源側(cè)繞組RL1至RL8為架空線和回流軌的等效阻感，R1、R2為列車等效負(fù)載。

圖1 典型直流牽引供電系統(tǒng)仿真模型圖

圖2 24脈波整流機(jī)組仿真模型圖

2 新型直流牽引供電系統(tǒng)

城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)采用的電壓等級(jí)從DC 600～3 000 V不等[4]，目前實(shí)際工程中主要使用1 500 V制式。然而隨著對(duì)供電距離、供電臂末端電壓要求的不斷提高，同時(shí)電氣設(shè)備性能的不斷增強(qiáng)，高等級(jí)電壓制式供電會(huì)越來(lái)越受到重視。本文提出的新型直流牽引供電系統(tǒng)將能提供電壓等級(jí)從DC 600～6 000 V的供電要求。下文將以1 500 V制式來(lái)研究本文提出的供電方案。

2.1 系統(tǒng)組成

城市軌道牽引供電系統(tǒng)供電距離短，通常在2～3 km左右，如果再進(jìn)一步延長(zhǎng)供電距離將會(huì)使得供電電壓偏低。本文提出的新型牽引供電系統(tǒng)通過(guò)改進(jìn)原有直流牽引變電站24脈波整流機(jī)組輸出電壓，再通過(guò)Buck電路降壓至牽引供電所需電壓，并在兩所變電站的中點(diǎn)增設(shè)一組由PID控制電路控制的Buck變換裝置給牽引負(fù)荷供電，能達(dá)到延長(zhǎng)供電臂和提高供電臂末端電壓的目的。新型直流牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

該系統(tǒng)的工作原理：35 kV交流電經(jīng)變電站內(nèi)的24脈波整流機(jī)組整流得到空載電壓為6 600 V（額定電壓為6 000 V）的直流電壓，一路電壓經(jīng)過(guò)兩座變電站中點(diǎn)的多重Buck直流斬波電路降壓成1 650 V（額定電壓為1 500 V）的直流電壓，再連接到接觸網(wǎng)；另一路電壓在變電站內(nèi)經(jīng)多重Buck直流斬波電路降壓成1 650 V（額定電壓為1 500 V）的直流電壓給機(jī)車供電。其中位于中點(diǎn)的多重Buck直流斬波電路由PID控制電路實(shí)現(xiàn)其輸出電壓的穩(wěn)定，位于變電站的多重Buck直流斬波電路則通過(guò)固定開(kāi)關(guān)元件的占空比逐次移相來(lái)固定輸出電壓。

圖3 新型直流牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

由于Buck電路簡(jiǎn)單實(shí)用，但單重Buck電路難以滿足電路要求。本文選用多重Buck直流斬波電路來(lái)實(shí)現(xiàn)直-直降壓變換，其由單重Buck電路串并聯(lián)而成。單重Buck電路結(jié)構(gòu)如圖4所示[5]，其有2種工作模式：電感電流連續(xù)模式和電感電流斷續(xù)模式，本文研究?jī)?nèi)容利用前種模式。其工作過(guò)程：開(kāi)關(guān)元件S接通時(shí)，電源Ui向電感L供電使其儲(chǔ)能，二極管關(guān)斷，同時(shí)電容C維持輸出電壓基本恒定并向負(fù)載R供電，此后開(kāi)關(guān)元件S斷開(kāi)，電感L中儲(chǔ)存的能量經(jīng)二極管D向負(fù)載R釋放。輸出電壓Uo、占空比D和輸入電壓Ui的關(guān)系為

為保證電感電流連續(xù)，需要電感值大于臨界值，可依據(jù)文獻(xiàn)[6]的公式來(lái)計(jì)算臨界電感。

圖4 Buck電路結(jié)構(gòu)圖

考慮到開(kāi)關(guān)器件的耐壓耐流性能和輸出電壓的質(zhì)量，本文采用多重Buck電路的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，即“三串五并聯(lián)”結(jié)構(gòu)。設(shè)置開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)頻率為2 000 Hz，則五重并聯(lián)后得到總的開(kāi)關(guān)頻率為10 000 Hz，這樣既減小了單個(gè)開(kāi)關(guān)元器件的開(kāi)關(guān)頻率損耗，又獲得了總的較高的開(kāi)關(guān)頻率并提高了輸出電源質(zhì)量。

2.2 系統(tǒng)仿真模型

2.2.1 主電路模型

③為城市交通中的公共交通提供細(xì)致化的服務(wù)。在現(xiàn)代城市交通中，公共交通可以大大減少城市交通的壓力。而且在現(xiàn)代社會(huì)中，公共交通越來(lái)越多樣化，公交、BRT和地鐵等多樣化的交通，大大減少了城市交通的壓力。公共交通不僅要承受來(lái)自交通的壓力，還要給用戶提供更好的服務(wù)體系，滿足用戶在交通出行的良好體驗(yàn)，這就要求公共交通不僅要有強(qiáng)大的運(yùn)輸能力，還要給用戶帶來(lái)良好的用戶體驗(yàn)。

根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3在Matlab/Sumilnk中搭建仿真模型如圖5所示。

圖5 新型直流牽引供電系統(tǒng)仿真模型圖

圖5中24_Pulse_1和24_Pulse_2為24脈波整流機(jī)組。子系統(tǒng)Muti_Buck_1、Muti_Buck_2和Muti_Buck_3為多重Buck直流斬波電路，其詳細(xì)模型如圖6所示。RL1至RL10為架空線、回流軌和直流電纜的等效阻感，R1、R2為列車等效負(fù)載。

圖6 多重Buck直流斬波電路圖

2.2.2 控制電路模型

子系統(tǒng)Muti_Buck_1多重Buck直流斬波電路的輸出電壓由PID控制電路實(shí)現(xiàn)，其仿真模型如圖7所示。將檢測(cè)到的Muti_Buck_1的實(shí)際輸出電壓與固定值1 650 V比較后送入PID控制器，經(jīng)過(guò)限幅環(huán)節(jié)后和三角載波比較得到PWM脈沖波開(kāi)關(guān)信號(hào)，將得到的開(kāi)關(guān)信號(hào)輸入到開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)端口控制開(kāi)關(guān)通斷。子系統(tǒng)Muti_Buck_2和Muti_Buck_3將采用固定占空比的形式實(shí)現(xiàn)固定輸出電壓，占空比按式（1）計(jì)算。

圖7 PID控制電路圖

3 仿真分析

3.1 典型直流牽引供電系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置及仿真

根據(jù)圖2和圖3的仿真模型參考文獻(xiàn)[2]設(shè)置參數(shù)如下：變壓器額定容量Sk為3 450 kV·A，系統(tǒng)一次側(cè)短路容量ST為100 MV·A，網(wǎng)側(cè)、閥側(cè)電壓U1、U2分別為35 kV、1 180 V，整流器參數(shù)采用默認(rèn)設(shè)置。RL1至RL4的單位電阻和單位電感均相同，為0.2 Ω/km和15e-4H/km[7]，RL5至RL8的單位電阻和單位電感均相同，為0.02 Ω/km和1.5e-4H/km[8]，R1和R2均設(shè)為1.5 Ω。

牽引供電臂距離L一般為2 km，本文根據(jù)上述參數(shù)，取4倍供電距離時(shí)進(jìn)行仿真，測(cè)量負(fù)載R1上的電壓和電流、兩座變電站中點(diǎn)的電壓（圖2中cd之間的電壓，即供電臂末端電壓），仿真結(jié)果如圖8—圖10所示。

圖8 4倍供電距離時(shí)負(fù)載電壓波形圖

圖9 4倍供電距離時(shí)負(fù)載電流波形圖

圖10 4倍供電距離時(shí)變電站中點(diǎn)電壓波形圖

由圖可知，負(fù)載電壓約為1 210 V，負(fù)載電流約為807 A，變電站間中點(diǎn)電壓約為1 210 V。

3.2 新型直流牽引供電系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置及仿真

根據(jù)圖5的仿真模型設(shè)置參數(shù)。其中整流機(jī)組、接觸網(wǎng)等效阻抗RL1至RL8、R1和R2的參數(shù)同3.1節(jié)一樣。RL9和RL10的單位電阻和單位電感設(shè)為0.04 Ω/km和3e-4H/km，多重Buck直流斬波電路中開(kāi)關(guān)器件的參數(shù)選用默認(rèn)值，電感值依據(jù)文獻(xiàn)[6]中的公式計(jì)算得到單個(gè)Buck電路斷續(xù)臨界值后取4.8e-2H。Muti_Buck_2和Muti_Buck_3中控制開(kāi)關(guān)的占空比按式（1）計(jì)算，即D= 1 650 / 6 600×100% = 25%。

取8倍供電距離時(shí)進(jìn)行仿真，測(cè)量負(fù)載R1上的電壓和電流、兩座變電站中點(diǎn)的電壓（圖5中Ud1的值，即供電臂末端電壓），仿真結(jié)果如圖11—圖13所示。

圖11 8倍供電距離時(shí)負(fù)載電壓波形圖

圖12 8倍供電距離時(shí)負(fù)載電流波形圖

圖13 8倍供電距離時(shí)變電站中點(diǎn)電壓波形圖

由圖可知，經(jīng)0.25 s負(fù)載電壓穩(wěn)定在1 385 V左右，經(jīng)0.25 s負(fù)載電流穩(wěn)定在923 A左右；經(jīng)0.15 s中點(diǎn)電壓穩(wěn)定在1 650 V左右，超調(diào)量為177 V左右。可見(jiàn)，在PID控制電路的調(diào)節(jié)下電壓基本穩(wěn)定。

3.3 仿真結(jié)果分析

由3.1節(jié)和3.2節(jié)的仿真結(jié)果可知，在變電站條件及負(fù)載條件等基本相同的特定條件下，按照本文所設(shè)參數(shù)傳統(tǒng)典型直流牽引供電系統(tǒng)在4倍供電距離時(shí)的負(fù)載電壓、負(fù)載電流和中點(diǎn)電壓分別為1 210 V、807 A和1 210 V。而本文提出的新型直流牽引供電系統(tǒng)方案則在8倍供電距離時(shí)的負(fù)載電壓、負(fù)載電流和中點(diǎn)電壓分別為1 385 V、923 A和1 650 V?？梢钥闯龊笠唤M數(shù)據(jù)仍比前一組數(shù)據(jù)大，也就是說(shuō)可以認(rèn)為本文所提出的方案在特定條件下將供電距離至少提高了一倍。這對(duì)直流牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究具有現(xiàn)實(shí)意義。

4 結(jié)語(yǔ)

為提高目前城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)的供電距離，本文提出了一種新型的結(jié)構(gòu)方案，并在Matlab/Simulink環(huán)境中搭建了仿真模型加以驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明在特定的條件下本文所設(shè)計(jì)的供電方案能夠?qū)⒐╇娋嚯x延長(zhǎng)一倍，這將非常具有現(xiàn)實(shí)意義。當(dāng)然由于本文并未考慮實(shí)際工程中的經(jīng)濟(jì)性等問(wèn)題，因此具體研究仍有待深入探討。

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With regard to problems of lower voltage level at the end of feeding section in traction power supply system and shorter distance of feeding section of urban rail transit, It is proposed to improve the output voltage level of the original 24-pulse rectifier unit in DC traction substation, then obtain dropped voltage for traction power supply through Buck circuit, and at the same time, add a PID circuit controlled Buck converter to supply traction loads at the midpoint of two substations, so as to accomplish the target of raising the voltage level at the end of the feeding section and extending the distance of feeding section. By analyzing a Matlab/Simulink based simulation model on the basis of design philosophy, and by comparison of power supply capacity of the original DC traction power supply system and the new type of DC traction power supply system, the scheme is verified to be effective theoretically, and is able to provide references for deign of traction power supply system for urban rail transit in the future.

DC traction power supply system; 24-pulse rectifier unit; Buck converter；power supply section; PID controlled circuit

U231.8

：B

：1007-936X(2016)03-0029-05

2015-11-23

傅曉鋒. 西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，碩士研究生，電話：15680026226；康積濤. 西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，教授；劉 文. 西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，碩士研究生。