磁浮列车的供电系统及推进控制系统

王世伟

上海上电电力运营有限公司，上海 200439

摘要：目前，随着社会的发展，我国的交通工程的发展也有了创新。为一种新型的交通运输方式，磁浮交通不仅更安全、快捷、舒适，还更加清洁和节能，对长距离、快运输有着巨大优势，是人类交通事业发展的一个重要研究方向。上海磁浮交通示范运营线基于电磁悬浮、长定子直线同步电机驱动技术：车体相当于同步电机的转子，轨道相当于同步电机的定子；将普通电机的旋转运动方式变成了直线运动方式。它主要通过牵引控制系统来精确调节、控制磁浮列车的牵引力和制动力的大小，使得磁浮列车能够快速安全可靠的沿着计算好的速度曲线舒适的加速和制动。

关键词：磁浮列车；供电系统；推进控制系统

1磁浮交通供电系统的构成及功能

磁浮交通的整个供电系统结构与其他城市轨道交通相似,即主要由外部电源、主变电所(或电源开闭所)、中压供电网络、牵引供电系统、动力照明供电系统和电力监控系统构成,其中牵引供电系统中包括牵引变电所与接触轨;动力照明供电系统中包括降压变电所与动力照明配电系统。外部电源主要由城市电网变电站和与磁浮交通主变电所连接的高压输电线路组成,磁浮交通通过外部电源从城市电网取得电能;主变电所从城市电网引入高压电源,经降压和分配,给磁浮交通沿线的牵引变电所、降压变电所及牵引降压混合变电所提供中压电源;中压供电网络是纵向把主变电所与牵引变电所、降压变电所联系起来,横向把各牵引变电所和降压变电所联系起来的中压电缆线路;牵引变电所是将中压交流电能转变为直流电能,通过接触轨向磁浮列车供电的专用变电所;降压变电所是将中压交流电能转变为低压交流电能,向除牵引负荷以外的其他负荷供电的变电所;接触轨是通过受流器向磁浮车辆提供牵引电能和进行回流的导电轨;动力照明配电系统是由降压变电所低压侧馈出,连接到各用电负荷处的配电线路及相关设备的集合;电力监控系统是由控制中心内的电力调度、沿线通信网络及受控单元组成,对磁浮交通各种供电设施、设备进行控制、信息采集、数据分析处理等工作的网络控制系统。

2优化措施分析

2.1磁浮系统接地方式及漏电保护的探讨

磁浮交通的直流接地方式与一般轨道交通有明显的不同,首先由于磁浮车辆的结构特点和牵引需求,走行轨作为直线电机的一极,将不再承担牵引负荷回流的作用,而需要另设负极轨回流。负极轨沿线路敷设,用与供电轨相同绝缘等级的支座固定,完全与地绝缘,因此沿线不再有电流的漏泄,将从根本上解决一般轨道交通所存在的杂散电流问题,这是磁浮交通的一大优点。但从另一方面说,也正是因为磁浮车体与走行轨或地无连接,车辆的电气设备因运行中产生的静电无处释放,电荷积累及引起的高压对车上设备特别是有电磁兼容要求的设备十分不利,必须设法克服。根据分析,目前解决的方法有3种。(1)在车站范围内架设接地轨。接地轨与桥体结构连接实现了良好接地,列车进入车站后车体即可靠接地,将运行中积累的电荷释放,保证了人身和设备安全。目前重庆轻轨2号线和日本磁浮线路即采用此种方式,它的优点是工程简易,投资小,接地可靠;缺点是运行中的电荷无法消除,当车站站距较长时,静电积累虽不会对人员造成危害,但对车上设备的影响则要看设备自身的防护手段,对车辆的设计和制造要求较高。(2)全线架设接地轨。此做法优点是磁浮列车在运行中始终处于接地状态,静电电荷不易积累,对列车设备的防护最好;缺点是列车在区间高速运行时对接地轨的接触要求较高,因此轨的材质和安装的标准也高,投资较大。(3)将车体与负极轨连接,负极轨在牵引变电所处接地。此做法优点也是静电电荷不易积累,且节省了接地轨;缺点是轨地间会产生一定的电位,为了上下车时乘客的安全,应考虑在车站设置轨电位限制器或站台边缘加装绝缘层。另外由于接地与负荷回流直接发生了关系,对列车的电气绝缘以及保护装置的要求均较高。

2.2子系统核心控制器

牵引控制系统由SIMADYND（包括系统软件）、SIMATIC（包括系统软件）和OTN网络（包括系统软件）等标准化的功能模块组成。SIMADYND模块主要应用于电机控制系统和变频器控制系统，是电机控制和变频器控制的核心单元，负责牵引的核心控制与计算功能，并负责与OCS的通信以及电机控制系统和变频器控制系统之间的通信。SIMATICS7（S318）是电机控制系统和变频器系统的电源监视，负责电机控制系统与OCS之间的数据传输和协议的转换，开关站总线控制，冷却系统的自动化控制。另外，SIMATICS7通过Profibus总线与WinCC和SIMADYND进行通信。MCU与MCU及CCU之间的数据通信主要依靠OTN环网，开关站总线及MCU之间的数据通信主要依靠Profibus总线，OTN环网和Profibus总线上的数据通过接口协议转换传送到监控系统HMI（HumanMachineInterface，人机界面）服务器，客户端监控系统与监控服务器则主要由以太网构成。

2.3变频器控制系统和子装置的作用

CCU主要分布在3个变电所：某变电所有2个高功率模块，低功率变电所有1个低功率模块。每个高功率模块由3个变频器系统组成，中、低功率模块各由2个变频器组成。每个变频器配置1套独立的CCU，因此某路变电所有6套CCU柜，维修基地变电所有8套CCU柜，低功率变电所有2套CCU柜。CCU根据供电方式和列车所处位置接受不同牵引控制分区MCU的控制。变频器由输入开关、功率单元、输出开关和冷却系统构成，与这4个子系统相对应。4套CCU的子装置分散布置在子系统中，CCU与子装置之间通过ProfibusDP总线通信数据。CCU及其子装置的主要功能有5个。（1）变频器控制系统：①计算变频器功率单元输出的电压空间矢量，并且转换为位于变频器功率单元内子装置的控制命令；②选择变频器输出模式(列车低速时直接输出，高速是变压器输出)；③制动斩波器的开环控制以及转换为位于变频器功率单元内子装置的控制命令；④直流环节电压的闭环控制，包括加在变频器功率单元描述中所提到的过电压保护；⑤优化轨旁电缆产生的谐波点电流。（2）变频器输入开关的子装置：①测量20kV系统的实际电压值和电流值，并通过系统软件计算出有功功率，有功电度，有功因数等值；②20kV开关设备的开环控制；③20kV开关设备的继电保护；④变频器输入开关设备的子装置与CCU的通信方式有2种，一种是开环控制———Profibus（L2），另一种是测量和保护———LX40。（3）变频器功率单元的子装置：①测量变频器功率单元实际电压值和电流值；②变频器功率单元的所有电子元件的开环控制（通过传输来自CCU的数据脉冲）；③短路的开环控制；④变频器功率单元的过电流保护、过电压保护；⑤变频器功率单元子装置与CCU的通信方式有2种，一种是开环控制———Profibus（L2），另一种是测量保护和触发脉冲———LX40。

结语

磁浮交通供电系统的最大特点是走行轨不再作为回流的通路,且磁浮交通线路基本在地面和高架桥建设,空间为敞开式,周围环境对其影响较大,由此引起一系列诸如消除接地故障、消除静电积累这样的轨地关系问题。为了解决这些技术问题,使磁浮交通真正成为快捷、安全可靠、绿色环保的运输系统,在供电系统方面来说,设置接地漏电保护,重新调整变电所内各种保护之间的配合关系是十分必要的,可以对各种类型的短路故障加以有效的防护。

参考文献

［1］李亚宁.城市轨道交通供电系统［M］.北京：中国电力出版社,2014.