基于DC-DC變換器的地鐵牽引變電模型優(yōu)化及其仿真

張繼勇，楊茂朕，2*，馬一鳴，王 凱，嵇仁君，許根柱

（1.揚(yáng)州大學(xué) 電氣與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009；2.南京地鐵運(yùn)營(yíng)有限責(zé)任公司，南京 210031）

隨著我國(guó)制造業(yè)水平和科學(xué)技術(shù)壁壘的攻關(guān)，節(jié)能減排和大力發(fā)展新能源等理念不斷地被人們所強(qiáng)調(diào)，因此我國(guó)地鐵行業(yè)的發(fā)展也逐漸邁入國(guó)際一流水平，大力發(fā)展軌道交通技術(shù)應(yīng)用可以顯著改善環(huán)境污染和交通擁擠等問(wèn)題，與此同時(shí)也可以帶動(dòng)我國(guó)各生產(chǎn)領(lǐng)域的發(fā)展。文獻(xiàn)[1]在傳統(tǒng)整流機(jī)組工作產(chǎn)生諧波污染現(xiàn)象的基礎(chǔ)上使用24脈波整流機(jī)組來(lái)進(jìn)行諧波抑制功能，并對(duì)其做仿真研究，驗(yàn)證了其正確性。文獻(xiàn)[2]對(duì)地鐵列車(chē)牽引過(guò)程與運(yùn)行工況提出具體計(jì)算方法并在此基礎(chǔ)上對(duì)電力客車(chē)運(yùn)行及功率變化曲線進(jìn)行仿真分析。文獻(xiàn)[3]對(duì)地鐵牽引供電計(jì)算方程由時(shí)變參數(shù)轉(zhuǎn)化為定常線性參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模和仿真驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上分析地鐵牽引供電對(duì)外圍電網(wǎng)的影響。

目前我國(guó)地鐵列車(chē)牽引電機(jī)大多采用永磁同步電機(jī)。對(duì)列車(chē)的電機(jī)而言，牽引變電混合變電所等效為電源。牽混所的能源輸入來(lái)自AC110 kV、AC220 kV大電網(wǎng)，通過(guò)降壓變壓器將AC220 kV、AC110 kV，降壓為AC35 kV、AC10 kV，再使用牽引變壓器和整流機(jī)組得到接觸網(wǎng)所需電壓，地鐵車(chē)輛的電能供應(yīng)通常由接觸懸掛裝置取流，通過(guò)地鐵客車(chē)自帶的變流裝置給安裝在轉(zhuǎn)向架上的牽引電機(jī)供電。

本文基于傳統(tǒng)的24脈波整流機(jī)組對(duì)其加裝Buck變流模塊并使其工作在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）下，以更好地滿足電力客車(chē)的能源供應(yīng)要求。

1 地鐵牽引供電系統(tǒng)建模仿真

1.1 地鐵牽引供電系統(tǒng)組成

地鐵電力客車(chē)的電能傳動(dòng)方式有2種，直流傳動(dòng)方式和交流傳動(dòng)方式。架空式接觸網(wǎng)的作用是將從牽引變電所取得的1 500 V直流電直接輸送給電力客車(chē)，再由鋼軌將電能傳輸至回流線送回牽引變電所。城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)一般由大電網(wǎng)、牽引降壓混合變電所、接觸懸掛設(shè)備、電力客車(chē)與列車(chē)軌道組成。

地鐵直流牽引供電系統(tǒng)如圖1所示。形成了完整的地鐵能源動(dòng)力供應(yīng)系統(tǒng)，為電力客車(chē)運(yùn)行提供能量。因此在地鐵運(yùn)行過(guò)程中對(duì)電源的要求是比較嚴(yán)格的。

圖1 地鐵直流牽引供電系統(tǒng)

1.2 24脈波整流機(jī)組

牽引變電所核心為24脈波整流機(jī)組，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由牽引變壓器和整流器2部分構(gòu)成，通過(guò)牽引變壓器和整流機(jī)組將三相電源降為所需要的直流電壓。相較于傳統(tǒng)的整流機(jī)組，為了降低DC1 500 V接觸網(wǎng)上電壓的諧波含量和網(wǎng)側(cè)電壓畸變率，故選取24脈波整流技術(shù)，以此來(lái)提升電力客車(chē)的供電品質(zhì)。24脈波整流機(jī)組的仿真模型主要包括AC35 kV的三相電源、移相式變壓器、三相降壓變壓器和整流二極管，為了使整流后的輸出電壓和電源能良好運(yùn)行，需要使并聯(lián)運(yùn)行的2臺(tái)12脈波整流機(jī)組的變壓器性能一致，均采用Dd-yn11的連接方式。例如，南京地鐵所常用的變壓器物理量如下。

（1）變壓器視在功率為Sn=100 MVA。

（2）三相電壓源為35 kV。

（3）三繞組變壓器額定電壓為35 kV/1 180 V、1 500 V

（4）額定頻率為f=50 Hz。

（5）變壓器原邊分接頭范圍為±2×2.5%。

圖2為地鐵牽引變電所24脈波整流機(jī)組等效模型，將35 kV交流電輸送給2臺(tái)移相變壓器后與整流器相連，目的是降低交流諧波含量和保證電能質(zhì)量。

圖2 地鐵牽引變電所24脈波整流機(jī)組等效模型

因?yàn)槿嚯娋W(wǎng)側(cè)電壓頻率為50 Hz，所以1個(gè)周期內(nèi)輸出的電壓波形可產(chǎn)生24個(gè)脈波，每個(gè)脈波之間相差15°，如圖3所示。

圖3 變壓器副邊電壓

24脈波整流機(jī)組常采用的牽引整流變壓器型號(hào)為軸向雙分裂式四繞組。雙分裂式繞組的含義是將多繞組牽引整流機(jī)中的2個(gè)二次繞組分割成2條相等容量的支路。各支路間不存在電的聯(lián)系，只存在磁的耦合關(guān)系，以此來(lái)更好地達(dá)到電力客車(chē)的供電要求。整流機(jī)組輸出電壓如圖4所示。

圖4 24脈波整流機(jī)組輸出電壓

2 仿真模擬

由原理可知，降壓變換器（又稱(chēng)Buck變換器）可以有效進(jìn)行抑制紋波的工作，其使用1個(gè)耦合電感和1個(gè)隔直電容來(lái)降低流入電感的電流紋波。因此可以在傳統(tǒng)的城市軌道交通的牽引供電系統(tǒng)中加裝Buck變換器的換流機(jī)組，以此來(lái)抑制線路的諧波，更好地滿足維持電力客車(chē)安全、穩(wěn)定、可靠和有效的運(yùn)行工作。

2.1 傳統(tǒng)地鐵電力客車(chē)啟動(dòng)、制動(dòng)全過(guò)程模擬

在MATLAB、Simulink中，接觸網(wǎng)線路和列車(chē)鋼軌用相應(yīng)電容、電感等效。得到典型直流牽引供電系統(tǒng)仿真模型。選取相應(yīng)額定容量的變壓器件，系統(tǒng)一次側(cè)短路容量需符合行業(yè)規(guī)范，整流器采用通用的24脈波整流機(jī)組進(jìn)行工作。以相應(yīng)模塊代替DC1 500 V的城市軌道交通接觸網(wǎng)供電線路。仿真時(shí)長(zhǎng)選取0~1.8 s，并選取全橋逆變器、整流器作為中介，接觸網(wǎng)線路的直流電壓DC1 500 V通過(guò)換流工作，輸出為電力客車(chē)的交流電機(jī)所需要的交流電壓已滿足其能源動(dòng)力的供應(yīng)。

選取永磁同步電機(jī)（PMSM）作為地鐵電力客車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并采取矢量控制的方法對(duì)其進(jìn)行加工仿真。

選取行業(yè)發(fā)展方向的永磁同步電機(jī)為交流電機(jī)的種類(lèi)，設(shè)定電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，并在0.97 s時(shí)開(kāi)始制動(dòng)，并觀察相關(guān)的波形進(jìn)行電力客車(chē)運(yùn)行過(guò)程的仿真觀測(cè)。同時(shí)將接觸網(wǎng)線路上的電容作為超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置，在電力客車(chē)制動(dòng)時(shí)回收動(dòng)能并傳遞至下一輛地鐵客車(chē)作為能源供應(yīng)使用，這也是行業(yè)的發(fā)展主流。其整體仿真框架如圖5所示。并對(duì)其運(yùn)行過(guò)程展開(kāi)分析，電機(jī)轉(zhuǎn)速變化如圖6所示。

圖5 電力客車(chē)啟動(dòng)、制動(dòng)仿真模型

圖6 電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線

在0~0.6 s內(nèi)電機(jī)轉(zhuǎn)速呈線性上升，此時(shí)列車(chē)受到恒定牽引力作用，車(chē)速也會(huì)逐漸增加；在0.6~0.97 s這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，列車(chē)受到的牽引功率達(dá)到最大值，其牽引電機(jī)兩端電壓保持不變；在0.97~1.6 s時(shí)，此時(shí)列車(chē)速度已達(dá)上限，其受到的牽引力與速度的平方成反比，因此根據(jù)此原理可通過(guò)降低牽引功率的辦法以減小列車(chē)的行駛速度。

由圖7可知，當(dāng)?shù)罔F運(yùn)行在0.6~1.0 s時(shí)處于恒定功率區(qū)，電力客車(chē)屬于惰行工作狀態(tài)，即可將線路上少量的多余電壓儲(chǔ)存至超級(jí)電容內(nèi)。當(dāng)?shù)罔F運(yùn)行在1.0~1.8 s時(shí)，地鐵處于自然特性區(qū)，電力客車(chē)屬于制動(dòng)狀態(tài)，可將線路上大量的盈余電壓通過(guò)全橋式整流器回送至超級(jí)電容內(nèi)，并將多余電量傳遞至下一電力客車(chē)作能源供應(yīng)使用。

圖7 線路電流變化曲線

傳統(tǒng)牽引供電模式的變化也是考察供電質(zhì)量的一大因素，線路電流如圖7所示。

2.2 優(yōu)化地鐵電力客車(chē)啟動(dòng)、制動(dòng)全過(guò)程模擬

由圖7可知，線路上的紋波較多，在一定程度上會(huì)影響到給電力客車(chē)的電源供應(yīng)質(zhì)量，降低電源效率，干擾系統(tǒng)之間的邏輯關(guān)系等。因此要對(duì)這一現(xiàn)象提出解決方法，本文采用Buck變換器在CCM模式下的運(yùn)行原理，對(duì)城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行仿真優(yōu)化，在傳統(tǒng)牽混所基礎(chǔ)上加裝Buck變流模塊，使得電感、電容等組成的濾波電路一直處于工作中，以此來(lái)改善線路電流紋波過(guò)大的問(wèn)題。整體建模如圖8所示。優(yōu)化后的線路電流變化曲線如圖9所示。

圖8 優(yōu)化后的牽引供電系統(tǒng)

從圖9能明顯看出，在對(duì)牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化后，線路上的電流紋波減小，因?yàn)锽uck變換器在CCM模式下，電感電流連續(xù)，同時(shí)施加了電容作為對(duì)電壓的穩(wěn)定。實(shí)現(xiàn)了電流紋波的減小，進(jìn)一步提高了供電質(zhì)量。

圖9 優(yōu)化后的線路電流變化曲線

利用MATLAB/Simulink自帶的快速傅里葉變換（FFT）快速分解模塊對(duì)電流曲線進(jìn)行分析可得，在加入Buck變流模塊后，CCM模式工作狀態(tài)下的系統(tǒng)可以有效地抑制電源諧波，傳統(tǒng)牽引供電模式下的諧波分析如圖10所示，優(yōu)化升級(jí)后的牽引供電系統(tǒng)的諧波分析如圖11所示。以此來(lái)更好地去維護(hù)城市軌道交通電力客車(chē)的安全運(yùn)行。

圖10 傳統(tǒng)牽引供電系統(tǒng)的電源諧波

圖11 優(yōu)化后的牽引供電系統(tǒng)的電源諧波