地鐵牽引供電系統(tǒng)建模與仿真分析

湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 中國(guó)動(dòng)力谷自主創(chuàng)新園軌道交通自動(dòng)化技術(shù)與裝備協(xié)同創(chuàng)新中心 馮典森

地鐵牽引供電系統(tǒng)建模與仿真分析

湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 中國(guó)動(dòng)力谷自主創(chuàng)新園軌道交通自動(dòng)化技術(shù)與裝備協(xié)同創(chuàng)新中心 馮典森

由于城市電網(wǎng)一般是直流牽引網(wǎng)，提供電能的地鐵供電系統(tǒng)除了外部供電來源以外，根據(jù)用電性質(zhì)將供電系統(tǒng)分為兩個(gè)組成部分：提供直流直流供電的牽引供電系統(tǒng)和提供空調(diào)等動(dòng)力和照明的供電系統(tǒng)。

地鐵；供電系統(tǒng)；MATLAB/Simulink

1 地鐵牽引供電系統(tǒng)介紹[1]

以某地鐵2號(hào)線為例，供電網(wǎng)是通過變壓器將110KV電網(wǎng)交流電，經(jīng)過降壓輸送到35KV變電所。對(duì)于接觸網(wǎng)則要轉(zhuǎn)換為1500V接觸網(wǎng)直流電，主要針對(duì)的是地鐵站的供電。另外，電壓要降至400V直流電，才能輸送到各分變電站，作為照明和辦公用電。

圖1 某地鐵2號(hào)線供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由牽引變電所組成的牽引供電系統(tǒng)包括圖1中的F1、F2高壓電網(wǎng)經(jīng)過變壓器B1作用形成的外部電源，將其產(chǎn)生的供電電能經(jīng)過35KV中壓環(huán)網(wǎng)和變壓器B3、B4，再通過大功率整流器轉(zhuǎn)換成直流電。目前，在單邊和雙邊供電方式的選擇上，雙邊供電在地鐵系統(tǒng)中應(yīng)用較為普遍，也就是在正常運(yùn)行方式下，正線各供電區(qū)間均由相鄰牽引變電所雙邊供電；單邊供電通常是在車輛段內(nèi)的接觸網(wǎng)供電來自于車輛段內(nèi)牽引變電所。停車場(chǎng)內(nèi)的接觸網(wǎng)供電來自于停車場(chǎng)牽引變電所。地鐵供電系統(tǒng)是十分復(fù)雜的時(shí)變網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于建立仿真模型來說有一定的困難，無論是在參數(shù)選擇還是模型搭建，這就需要對(duì)牽引變電所組成的牽引網(wǎng)進(jìn)和回流網(wǎng)行模型的簡(jiǎn)化。對(duì)于牽引變電所來說，將其簡(jiǎn)化為戴維南等效電路，根據(jù)實(shí)際電路中的整流器相關(guān)參數(shù)、交流側(cè)電壓大小等影響因素來確定等效電路中的等效電源US和等效阻抗Req等參數(shù)。由于是地鐵是直流牽引網(wǎng)供電，其內(nèi)部電容影響較小可忽略，此時(shí)架空接觸網(wǎng)可等效為電阻R1，在趨膚效應(yīng)作用下，鋼軌可近似等效為電阻R2和電感L2的串聯(lián)[2]。因此，對(duì)于地鐵牽引網(wǎng)的等效電路見圖2所示。

圖2 地鐵牽引網(wǎng)等效電路圖

以某地鐵2號(hào)線的某一區(qū)段為例，其牽引網(wǎng)參數(shù)選擇如表1所示。

表1 牽引網(wǎng)參數(shù)

以降壓變壓器為主組成的動(dòng)力和照明供電系統(tǒng)，應(yīng)包含提供機(jī)電的設(shè)備如風(fēng)機(jī)、水泵、空調(diào)、自動(dòng)扶梯和電梯等動(dòng)力用電，還包含照明系統(tǒng)、信號(hào)和通訊監(jiān)控等設(shè)備用電等。根據(jù)其用電的性質(zhì)，一般分為自用電以及應(yīng)急電源。自用電是在正常情況下，為動(dòng)力設(shè)備或者照明系統(tǒng)提供交流電和直流電的可用低壓電源，如自動(dòng)售票系統(tǒng)、車站電梯、商業(yè)照明、車站照明、電力監(jiān)控等；應(yīng)急系統(tǒng)是保證在故障狀態(tài)下，以便于系統(tǒng)的維修或者發(fā)生火災(zāi)等狀況時(shí)，能夠保證機(jī)房的正常運(yùn)行，人員能夠安全疏散和撤離等。例如，長(zhǎng)沙地鐵2號(hào)線就能夠在故障發(fā)生時(shí)仍然能夠提供半小時(shí)的照明。我國(guó)地鐵的負(fù)荷等級(jí)按照重要性分為一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)三個(gè)負(fù)荷等級(jí)，而應(yīng)急照明電源是地鐵動(dòng)力照明系統(tǒng)中一級(jí)負(fù)荷中的重要負(fù)荷，除了由雙電源供電回路以外，還必須保障有獨(dú)立于自用電電源的備用電源。我國(guó)的上海地鐵2號(hào)線就在變電所內(nèi)配置了額外的2*12.5MVA容量大小的備用照明系統(tǒng)。

2 直流供電系統(tǒng)建立[3]

地鐵的直流供電來源主要是來自牽引變電所，通過對(duì)中壓網(wǎng)進(jìn)行降壓和整流最終獲得直流電，經(jīng)逆變提供給機(jī)車[4]。但是整流裝置產(chǎn)生的輸出電壓有很大的脈動(dòng)，這不利于列車的穩(wěn)定運(yùn)行和再生制動(dòng)能量的利用。為了使整流器側(cè)獲得直流電更加的平滑和更少的脈動(dòng)量，減少整流裝置帶來的諧波污染和牽引網(wǎng)電壓的脈動(dòng)，采用將簡(jiǎn)單的脈波整流裝置進(jìn)行并聯(lián)，從而獲得在同一周期內(nèi)獲得最少的波動(dòng)范圍，如深圳地鐵4號(hào)線和成都地鐵1號(hào)線均采用24脈波整流的方式。24脈波整流器原理圖如圖3所示。

圖3 24脈波整流器原理圖

圖4 地鐵24脈波整流電源仿真圖

對(duì)于牽引直流電網(wǎng)的仿真，采用的三繞組變壓器采主要電氣參數(shù)如表2所示。經(jīng)過24脈波整流機(jī)組整流后，經(jīng)移相變壓器T1和T2，電壓的相位相差15°。

表2 24脈波整流機(jī)組仿真電氣參數(shù)

24脈波整流是常用的一種用于地鐵供電的整流方式，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)它可最大限度地抑制污染諧波。24脈波整流的實(shí)現(xiàn)，實(shí)質(zhì)上是根據(jù)12脈波整流的原理，把兩臺(tái)12脈波軸向雙分裂整流機(jī)由電網(wǎng)母線引出，將采用延邊△接法的兩臺(tái)變壓器網(wǎng)側(cè)繞組移相，移向角度分別為±7.5°，每一臺(tái)分別與兩臺(tái)整流器相連，最后將四套整流器并聯(lián)，就形成了24脈波整流裝置[5]，采用Y/△接法的變壓器的低壓側(cè)繞組的線電壓和相電壓必然相差30°相角，其仿真模型如圖4所示。

圖5-7所示是地鐵牽引網(wǎng)電壓24脈波整流仿真的波形圖：

圖5 經(jīng)移相變壓器電壓波形

圖6 降壓變壓器副邊電壓波形

圖7 地鐵牽引網(wǎng)24脈波整流電壓波形圖

以三相電壓的其中一相（a相）為例，在移相變壓器的作用下，不再是簡(jiǎn)單的6脈波整流，而是經(jīng)過移相的作用，a相電壓相差15°，如圖5和6 所示。

圖7所示是24脈波整流器輸出的空載整流電壓，由圖可知，每周期里，整流電壓出現(xiàn)24次脈動(dòng)。牽引網(wǎng)電壓平均值計(jì)算如下：

其計(jì)算值和仿真結(jié)果基本相符，驗(yàn)證了24脈波整流在牽引網(wǎng)供電是可行的。

3 結(jié)論

本文根據(jù)地鐵實(shí)際狀況，對(duì)地鐵供電系統(tǒng)的整體架構(gòu)進(jìn)行分析介紹，根據(jù)牽引網(wǎng)的參數(shù)建立了24脈波整流機(jī)組所形成的直流牽引電源模型。對(duì)機(jī)車站—站間實(shí)際運(yùn)行過程進(jìn)行了仿真，比起異步電機(jī)和安裝傳感器的復(fù)雜，系統(tǒng)裝置得到簡(jiǎn)化和節(jié)能，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，得出結(jié)論：24脈波整流在牽引網(wǎng)供電是可行的。

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[3]馮典森,唐勇奇,伍玉凱,張曙云,曾麗瓊.基于雙閉環(huán)控制的單相PWM整流器仿真研究[J].新型工業(yè)化,2016,5.

[4]張秋瑞,畢大強(qiáng),葛寶明.地鐵再生制動(dòng)能量逆變回饋電網(wǎng)裝置的研究[J].電力電子技術(shù),2012,09:61-63+93.

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馮典森（1992—），男，碩士，主要研究方向：現(xiàn)代電力電子技術(shù)及系統(tǒng)。