新型城市軌道直流牽引供電系統研究

傅曉鋒，康積濤，劉 文

新型城市軌道直流牽引供電系統研究

傅曉鋒，康積濤，劉 文

針對城市軌道牽引供電系統中供電臂末端電壓偏低、供電距離短等問題，提出了通過改進原有直流牽引變電站24脈波整流機組輸出電壓，再通過Buck電路降壓至牽引供電所需電壓，并在兩所變電站的中點增設一組由PID控制電路控制的Buck變換裝置給牽引負荷供電，從而達到提高供電臂末端電壓和延長供電臂的目的。在提出設計原理的基礎上基于Matlab/Simulink搭建仿真模型，通過比較原有直流牽引供電系統和新型直流牽引供電系統的供電能力，從理論上驗證了該方案的有效性，為今后的城市軌道牽引供電系統的設計提供參考。

直流牽引供電系統；24脈波整流機組；Buck變換裝置；供電臂；PID控制電路

0 引言

在我國高速鐵路大發展的同時，城市軌道交通（下文簡稱城軌）建設也在迅猛發展。城軌供電系統是城軌建設最關鍵的部分之一，其主要由多脈波整流機組（包含12脈波整流和24脈波整流等）來實現交流電源的整流，再供給列車負載。

然而，在地鐵運行高峰時期因為負荷增加及線路損耗的原因，導致牽引供電系統的供電臂距離只有2～3 km左右[1]。本文基于Matlab/Simulink仿真，構建了一種附以多重Buck電路的新型直流牽引供電系統，通過比較其在特定條件下與傳統直流牽引供電系統的極限供電距離長度，來驗證新型牽引供電系統延長供電距離、提高供電電壓的有效性。

1 典型直流牽引供電系統

1.1 系統組成

目前主流的直流牽引供電系統主要由24脈波整流機組供電，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，其將網側交流35 kV電壓變換為交流1 180 V電壓輸出至整流橋。2個三相橋式整流電路并聯構成12脈波整流器。牽引整流變壓器和12脈波整流器就構成了12脈波整流機組。為了得到24脈波，每個牽引變電所內并聯運行的2臺整流變壓器的原邊繞組分別移相±7.5°[2]，使2臺整流變壓器4個次邊繞組線電壓相量各自相差15°，最終在直流側輸出直流1 500 V的24脈波電壓[3]。

1.2 系統仿真模型

根據上文的拓撲在Matlab/Sumilnk中搭建仿真模型，其中架空線和回流軌用相應電容電感等效，得到典型直流牽引供電系統仿真模型（圖1）。

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

圖1 典型直流牽引供電系統仿真模型圖

圖2 24脈波整流機組仿真模型圖

2 新型直流牽引供電系統

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

2.1 系統組成

城市軌道牽引供電系統供電距離短，通常在2～3 km左右，如果再進一步延長供電距離將會使得供電電壓偏低。本文提出的新型牽引供電系統通過改進原有直流牽引變電站24脈波整流機組輸出電壓，再通過Buck電路降壓至牽引供電所需電壓，并在兩所變電站的中點增設一組由PID控制電路控制的Buck變換裝置給牽引負荷供電，能達到延長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結構示意圖如圖3所示。

該系統的工作原理：35 kV交流電經變電站內的24脈波整流機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，一路電壓經過兩座變電站中點的多重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；另一路電壓在變電站內經多重Buck直流斬波電路降壓成1 650 V（額定電壓為1 500 V）的直流電壓給機車供電。其中位于中點的多重Buck直流斬波電路由PID控制電路實現其輸出電壓的穩定，位于變電站的多重Buck直流斬波電路則通過固定開關元件的占空比逐次移相來固定輸出電壓。

圖3 新型直流牽引供電系統結構示意圖

由于Buck電路簡單實用，但單重Buck電路難以滿足電路要求。本文選用多重Buck直流斬波電路來實現直-直降壓變換，其由單重Buck電路串并聯而成。單重Buck電路結構如圖4所示[5]，其有2種工作模式：電感電流連續模式和電感電流斷續模式，本文研究內容利用前種模式。其工作過程：開關元件S接通時，電源Ui向電感L供電使其儲能，二極管關斷，同時電容C維持輸出電壓基本恒定并向負載R供電，此后開關元件S斷開，電感L中儲存的能量經二極管D向負載R釋放。輸出電壓Uo、占空比D和輸入電壓Ui的關系為

為保證電感電流連續，需要電感值大于臨界值，可依據文獻[6]的公式來計算臨界電感。

圖4 Buck電路結構圖

考慮到開關器件的耐壓耐流性能和輸出電壓的質量，本文采用多重Buck電路的串并聯結構，即“三串五并聯”結構。設置開關元件的開關頻率為2 000 Hz，則五重并聯后得到總的開關頻率為10 000 Hz，這樣既減小了單個開關元器件的開關頻率損耗，又獲得了總的較高的開關頻率并提高了輸出電源質量。

2.2 系統仿真模型

2.2.1 主電路模型

③為城市交通中的公共交通提供細致化的服務。在現代城市交通中，公共交通可以大大減少城市交通的壓力。而且在現代社會中，公共交通越來越多樣化，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自交通的壓力，還要給用戶提供更好的服務體系，滿足用戶在交通出行的良好體驗，這就要求公共交通不僅要有強大的運輸能力，還要給用戶帶來良好的用戶體驗。

根據系統結構圖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仿真模型圖

圖5中24_Pulse_1和24_Pulse_2為24脈波整流機組。子系統Muti_Buck_1、Muti_Buck_2和Muti_Buck_3為多重Buck直流斬波電路，其詳細模型如圖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Muti_Buck_1多重Buck直流斬波電路的輸出電壓由PID控制電路實現，其仿真模型如圖7所示。將檢測到的Muti_Buck_1的實際輸出電壓與固定值1 650 V比較后送入PID控制器，經過限幅環節后和三角載波比較得到PWM脈沖波開關信號，將得到的開關信號輸入到開關器件的驅動端口控制開關通斷。子系統Muti_Buck_2和Muti_Buck_3將采用固定占空比的形式實現固定輸出電壓，占空比按式（1）計算。

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參數設置及仿真

根據圖2和圖3的仿真模型參考文獻[2]設置參數如下：變壓器額定容量Sk為3 450 kV·A，系統一次側短路容量ST為100 MV·A，網側、閥側電壓U1、U2分別為35 kV、1 180 V，整流器參數采用默認設置。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均設為1.5 Ω。

牽引供電臂距離L一般為2 km，本文根據上述參數，取4倍供電距離時進行仿真，測量負載R1上的電壓和電流、兩座變電站中點的電壓（圖2中cd之間的電壓，即供電臂末端電壓），仿真結果如圖8—圖10所示。

圖8 4倍供電距離時負載電壓波形圖

圖9 4倍供電距離時負載電流波形圖

圖10 4倍供電距離時變電站中點電壓波形圖

由圖可知，負載電壓約為1 210 V，負載電流約為807 A，變電站間中點電壓約為1 210 V。

3.2 新型直流牽引供電系統參數設置及仿真

根據圖5的仿真模型設置參數。其中整流機組、接觸網等效阻抗RL1至RL8、R1和R2的參數同3.1節一樣。RL9和RL10的單位電阻和單位電感設為0.04 Ω/km和3e-4H/km，多重Buck直流斬波電路中開關器件的參數選用默認值，電感值依據文獻[6]中的公式計算得到單個Buck電路斷續臨界值后取4.8e-2H。Muti_Buck_2和Muti_Buck_3中控制開關的占空比按式（1）計算，即D= 1 650 / 6 600×100% = 25%。

取8倍供電距離時進行仿真，測量負載R1上的電壓和電流、兩座變電站中點的電壓（圖5中Ud1的值，即供電臂末端電壓），仿真結果如圖11—圖13所示。

圖11 8倍供電距離時負載電壓波形圖

圖12 8倍供電距離時負載電流波形圖

圖13 8倍供電距離時變電站中點電壓波形圖

由圖可知，經0.25 s負載電壓穩定在1 385 V左右，經0.25 s負載電流穩定在923 A左右；經0.15 s中點電壓穩定在1 650 V左右，超調量為177 V左右。可見，在PID控制電路的調節下電壓基本穩定。

3.3 仿真結果分析

由3.1節和3.2節的仿真結果可知，在變電站條件及負載條件等基本相同的特定條件下，按照本文所設參數傳統典型直流牽引供電系統在4倍供電距離時的負載電壓、負載電流和中點電壓分別為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方案則在8倍供電距離時的負載電壓、負載電流和中點電壓分別為1 385 V、923 A和1 650 V。可以看出后一組數據仍比前一組數據大，也就是說可以認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。這對直流牽引供電系統結構的研究具有現實意義。

4 結語

為提高目前城市軌道交通直流牽引供電系統的供電距離，本文提出了一種新型的結構方案，并在Matlab/Simulink環境中搭建了仿真模型加以驗證，仿真結果表明在特定的條件下本文所設計的供電方案能夠將供電距離延長一倍，這將非常具有現實意義。當然由于本文并未考慮實際工程中的經濟性等問題，因此具體研究仍有待深入探討。

[1] 趙榮華. 城市軌道交通地面電阻制動系統的仿真模型設計與研究[D].北京交通大學碩士學位論文，2007.

[2] 李良威.城市軌道交通直流側短路故障研究[D].西南交通大學碩士學位論文，2007.

[3] Pozzobon P. Transient and Steady-State Short-Circuit Currents in Rectifiers for DC Traction Supply[J]. IEEE Transaction On Vehicular Technology,1998,47(4)：1390-1404.

[4] 何其光.對城市軌道交通牽引供電授流制式選擇的建議[J].城市軌道交通研究，2007，（8）：6-11.

[5] 郭世明.電力電子技術[M].成都：西南交通大學出版社，2008.

[6] 曹霞，關振宏，黃棟杰，等. Buck變換器在Matlab/Simulink下的仿真研究[J].電氣開關，2009，（6）：23-25.

[7] 萬慶祝，吳命利，陳建業，等. 基于牽引計算的牽引變電所饋線電流仿真計算[J].電工技術學報，2007，22（6）：108-113.

[8] 蘇劼.城市軌道交通能饋式牽引供電系統的應用研究[D].北京交通大學碩士學位論文，2009.

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. 西南交通大學電氣工程學院，碩士研究生，電話：15680026226；康積濤. 西南交通大學電氣工程學院，教授；劉 文. 西南交通大學電氣工程學院，碩士研究生。