城軌交通直流供電系統(tǒng)仿真建模

苗斌

西安鐵路職業(yè)技術學院 陜西省西安市 710026

1 前言

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，城軌直流供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行對地鐵、輕軌系統(tǒng)中的車站供電、機車供電的質(zhì)量影響重大。城軌直流牽引供電系統(tǒng)是地鐵電力機車的能源與動力來源[1]。本文首先描述了城軌直流供電系統(tǒng)的組成結構及電能傳輸?shù)倪^程，然后應用MATLAB/Simulink 對城軌直流供電系統(tǒng)進行仿真建模，描述了其各組成部分仿真建模時所使用的模塊，并闡述了模型參數(shù)的計算方法。

2 城軌交通直流供電系統(tǒng)簡介

城市軌道交通供電系統(tǒng)由外部電源、主變電所（分散式供電系統(tǒng)中沒有主變電所）、牽引供電系統(tǒng)、動力照明供電系統(tǒng)、牽引網(wǎng)和電力監(jiān)控系統(tǒng)組成，外部電源來源電網(wǎng)110KV或者220KV 的變電站，主變電所通過主變壓器降壓為35KV 或10KV，通過中壓環(huán)網(wǎng)輸送給牽引供電系統(tǒng)和動力照明供電系統(tǒng)，電力監(jiān)控系統(tǒng)則對供電系統(tǒng)的運行進行狀態(tài)檢測及遠程控制[2]。

城軌直流供電系統(tǒng)包含在牽引供電系統(tǒng)中，由整流機組（包括干式整流變壓器、24脈波整流器）、直流母線、直流饋線、牽引網(wǎng)（包括接觸網(wǎng)、鋼軌、回流網(wǎng)）構成，干式整流變壓器將35KV 降壓為1180V 交流電，再通過整流柜中的24 脈搏整流器整流為1500V 直流，通過直流饋線柜送至牽引網(wǎng)，列車通過牽引網(wǎng)獲得直流電能[3]～[5]。

城市軌道牽引供電系統(tǒng)正常運行時，越區(qū)隔離開關處于分閘狀態(tài)，對機車而言，此時的供電方式為雙邊供電，即機車從相鄰的兩個牽引變電所同時獲取電能，當某一個牽引變電所發(fā)生故障時，如整流機組不能正常運行，此時饋線柜直流斷路器跳閘，越區(qū)隔離開關閉合，此時對機車的供電方式為大雙邊供電，即機車由故障牽引變電所相鄰的兩個牽引變電所供給電能。

在一個牽引變電所中，設置兩臺干式整流變壓器，要求高壓側繞組接線采用延邊三角形接法，聯(lián)接組別標號分別為Dy11d0 和Dy1d2，實現(xiàn)兩臺整流變壓器高壓側繞組移相分別為+7.5°和-7.5°。在整流柜中，將2 個三相橋式不可控電路并聯(lián)構成12 脈波整流器，因為兩臺整流變壓器二次側繞組相位差15°，所以經(jīng)過2 個整流柜后，并聯(lián)輸出24 脈波直流到直流正極柜母排，然后經(jīng)4 個直流饋線柜將直流1500V電能輸送至上下行接觸網(wǎng)，經(jīng)機車、鋼軌、回流電纜返回至直流負極柜母排，負極母排與整流器負極相連。系統(tǒng)結構圖如圖1 所示。

圖1 城軌牽引供電系統(tǒng)結構圖

3 MATLAB/Simulink 建模

3.1 35KV 電源建模

由于牽引變電所電能來源于主變電所，所以進行35KV 電源建模時，需要建立主變電所模型。

主變電所從國網(wǎng)110KV/220KV 線路上獲取電能，所以首先應在Simulink 中選擇“Three-Phase Source”模塊建立國網(wǎng)110KV/220KV模型，然后選擇“Three-Phase Transformer(Two Windings)”模塊建立主變電所模型，如圖2 所示。

圖2 35KV 電源模型

3.2 24 脈波整流機組建模

一個牽引變電所內(nèi)有兩套整流機組并列運行，每套由1 臺整流干式變壓器和1 臺12脈波整流器構成，由于整流變壓器一次側采用延邊三角形接法進行移相±7.5°，而在Simulink 中并沒有專用的模塊，所以，采用“Zigzag Phase-Shifting Transformer”模塊串接“Three-Phase Transformer(Two Windings)”模塊的方法，模擬移相的整流干式變壓器。采用“Universal Bridge”模塊建立3 相6 脈波整流器模型，然后，2 個整流器模型并接一個整流干式變壓器構成一套12 脈波整流機組模型，2 套整流機組并接，構成24 脈波整流機組模型，如圖3 所示。

圖3 24 脈波整流機組建模

3.3 直流母線及饋線建模

我國城軌供電牽引供電系統(tǒng)中的直流母線一般采用單母線分段形式，且一個牽引變電所有4 條饋線，在建模時，忽略直流正極柜饋出電纜(R1L1、R1L2)、直流母線(R2L1、R2L2、R2L3、R2L4、R2L5)及饋線電纜(R3L1、R3L2、R3L3、R3L4)的對地電容，采用“Series RLC Branch”模塊搭建模型，如圖4 所示。

圖4 直流母線及饋線建模

直流正極柜饋出電纜和饋線電纜的參數(shù)為0.0006Ω，0.03×10-3H。

3.4 牽引網(wǎng)建模

牽引網(wǎng)由接觸網(wǎng)、鋼軌、回流線構成，主要為機車運行提供電能。由于車輛在運行時，灰塵會附著在鋼軌與道床的絕緣墊上，所以鋼軌對地并非完全絕緣，導致出現(xiàn)雜散電流，雜散電流對鋼軌，特別是地下金屬管線、結構鋼筋具有腐蝕，所以我國地鐵中設置地下排流網(wǎng)進行排流。本文構建牽引網(wǎng)模型時，考慮接觸網(wǎng)對鋼軌電容的影響、鋼軌及排流網(wǎng)對大地的過度電阻影響，將兩條鋼軌并聯(lián)看作一條鋼軌，構建了一種“網(wǎng)—軌—地—排”的牽引網(wǎng)模型，此模型中，接觸網(wǎng)、鋼軌、排流網(wǎng)均采用“PI Section Line”模塊建模，如圖5 所示。

圖5 牽引網(wǎng)模型

接觸網(wǎng)和鋼軌的縱向電阻R根據(jù)材料的橫截面積S及電阻率ρ求解：

接觸網(wǎng)對鋼軌的電容根據(jù)二平行線模型，公式如下：

接觸網(wǎng)和鋼軌對地的電容計算公式如下：

4 結論

本文首先描述了城市軌道交通供電系統(tǒng)的組成及直流供電系統(tǒng)的設備組成和運行原理，并給出了牽引供電系統(tǒng)結構示意圖，然后，采用Matlab/Simulink 建模工具分別建立了35KV 電源（主變壓器）、牽引整流機組（移相器、整流變壓器和24 脈波整流器）、直流母線及饋線、牽引網(wǎng)模型，并給出了各個模型仿真參數(shù)的計算方法。城軌交通直流供電系統(tǒng)仿真模型的建立為后續(xù)進行故障診斷及系統(tǒng)調(diào)試提供了基礎平臺。