地铁牵引传动过程分析及仿真

葛浩楠

中铁电气化局集团有限公司 100000

摘要：地铁作为城市轨道交通的主力军，是保证国民经济水平提高和推动社会发展的重要基石。地铁站间距短所以在行驶过程中需要频繁制动，导致大量能量浪费，从经济和绿色环保角度考虑，本文围绕如何利用双变流系统实现地铁再生制动能量的循环。主要是基于构建地铁直流牵引电力供给系统，通过逆变回馈装置，是能源循环再次利用。

关键词：地铁牵引供电系统；双变流原理；逆变回馈；

1 引言

机车传动方面和机车牵引供电方面是地铁牵引系统两个主要领域。机车牵引供电方面包含牵引变电所，它的作用是通过在AC35kV的中压环网取能并供给直流牵引网。直流牵引网的电能的获取来源于地铁的集电器，列车运行时牵引动能来源于车辆上的交流异步电动机吸收VVVF逆变器。列车由运行状态开始制动时异步电动机开始转化为运行状态则导致列车运行的动能变为直流牵引网的电能以达到能量循环利用的效果。以上就是列车运行制动能量流动的过程

2 地铁牵引供电系统及建模仿真

在图1为城轨交通牵引供电系统结构图，主电站从城市电网供电，将城市电网的交流110kV电压降至AC35kV，并将地铁沿线的电力连接到几个直流牵引变电所。之后，提供适合电能为有轨电车和交叉轨道或架空接触网上的货物列车供电。直流牵引系统包括以下四部分：直流牵引变电所、直流牵引网、馈电线、和回流线。

图1 城轨交通牵引供电系统结构图

牵引供电系统通常采用双边供电方式，地铁列车运行的电能从双方的牵引变电所获得，图2为牵引变电所电气主接线，从图1可知增加整流相数可以有效的使电流稳定，电能质量也会提高。截止到目前为止实际采用等效24脉波整流装置更为完善，电能质量较为良好，在12个脉冲变压器的基础上，整流器的主电路一次绕组连接到一个延边三角形，并将并联其阀侧的四组三相桥式变流器。图2为牵引变电所电气主接线。

图2 牵引变电所电气主接线

石家庄地铁1线一期建造的变电站，分别位于西王站、新百广场站、北国商城站、建百大楼站、海世界站、列车东站。变电所输入35kV交流电，为了保险起见，传输电能的母线采用两条线路分别单独传输电能，这样的目的是为了保证供电的稳定性，并且其中一条线路用于备用传输电源。

3 牵引变电所模型

在实际运行中的为列车照明，制动，提供动力装置的电能系统主要通过牵引供电系统，其中它的主要功能模块由牵引电网和牵引变电所组成。牵引变电所通过前期的电能获取、处理以及传输，为列车提供直流电能。牵引变电所的主要功能设备是整流机组和变压器，通过两者相互配合，从而实现良好的整流性能。

变压器TM的功能为获取电能、降低电压、输送到整流机组。整流机组是牵引变压器的主要部件，其目的是提高牵引变压器的连续电流质量，减小不完全整流引起的冲击压力，提高机车的性能，延长机车的使用寿命。表1比较了12脉波整流单元和24脉波整流单元的成本效率和过滤能力。本次设计采用纹波电压更稳定、更小的24脉波整流机组

3.1 脉波整流机组原理阐述

脉冲整流机组可以等效于24脉冲整流单元。它的主体结构由两个12脉流单元组成，两个校正单元用于校正变压器的一次侧，因此，四组三相桥式变换器与两组脉冲整流器同时并联连接形成一个脉波整流机组。图3是等效24脉波整流机组的接线图。

图3 等效24脉波整流简化接线图

24脉波整流机组特性为通过设计三相变压器的一侧绕组的不同连接方案最终达到原边绕组和次边绕组相比较相差30°。另一方面，通过设置两台变压器具有相同的电气参数目的是为了为了消除电源不稳定的一些线性因素。

对于△AB1B,电源电动势为UBA,两台变压器在同一接线下移相±7.5°的绕组电压为UB1A1，变压器的主绕线的电压为UB1B，式(1)为变压器的绕组电压和主绕线的电压的关系

图4、图5为上述两台整流变压器在同一接线下移相±7.5°的原理接线图和绕组电压向量图。图6所示为图4中延边绕组的向量图。

图6 D(+7.5°)d6y5一次侧电压向量图

UB1A1相对于UBA移相+7.5°，其余两相移相+7.5°。对图2-5而言，UB1A1相对于UBA移相-7.5°，其余两相移相-7.5°。因此可见，在对整流变压器网侧绕组采用延边三角形连接后，整流变压器T1和T2网络一侧的角度的电压与电源电压角度对比，偏差分别为±7.5°。整个变压器的第二组线圈是12电平电压，然后是24-DC脉冲。图7为等效24脉波整流相量图。

图7 等效24脉波整流向量图

3.2 24脉波整流器设计及仿真

通过上述分析的脉波整流器的原理特性，图3为24脉波整流简化接线图，接入变压器使外部电源输出的电压分别偏移+7.5°和-7.5°后，变压器的电气参数为；

三相交流电源：35kV；

整流变压器的额定容量：250MVA；

短路阻抗：12%，12%，8%；

额定变比：35/1.18/1.18kV；

整流变压器额定容量：250MVA额定频率：50Hz。

各绕组短路电压百分数为：

等效电抗

根据上述参数设置去建模仿真24脉波整流机组。图8为Simulink仿真模拟下的24脉波整流机组，图9为整流机组输出空载电压。

图9 整流机组输出空载电压

式(9)为牵引网电压整流机组空载时的平均值。

由式(9)电压整流机组空载时的结果和上述图中的电压变化波形描述一致。

4 牵引网等效模型

牵引电流系统的其中一部分为城市轨道交通网络，城市轨道交通网络的主要作用是为地铁车辆中的轨道管理作为依据。城市轨道交通牵引网络由四部分组成，包括馈电线、轨道、回流线以及接触网络。电网通过输电线路将牵引变电所的电源正极连接起来，而电网则通过馈电线吸收整流后的电能。

直流接触网的作用向地铁机车进行供电。根据《城市轨道交通直流牵引供电系统》(GB/T0411-2005)的规定：通过三种供电形式对比发现双边供电形式更具有优势，它能够能力利用效率增加、电流流通更加稳定、电压损失减小。

牵引网的等效模型中也存在电容和电导，但是电容和电导对牵引网正常运作没有过多的影响，所以牵引网等效模型的制作中可以不画入电容和电导。图10为牵引网理想等效模型。

图10 牵引网理想等效模型

图10中，Req为接触网内的所有电阻的和，L表示地铁钢轨所有电感之和，R1表示所有钢轨电阻的和，R2表示牵引变电所所有内阻的和。其中，式(10)为牵引变电所内阻Req的计算式。

式中，Un=1.5为直流侧额定电压(kV)；Ud=7.6%为变压器短路电压百分值；ST=3MW；牵引整流机组数量为2；Kr=1为内阻系数。

石家庄地铁1号线一期工程采用接触网运营轨道回流供电方式。标称电压为1500V，牵引网采用弹性悬架。表2为一号线电气装置的具体参数。

牵引变电所间距 3km

图11为接触网仿真等效图。

图11 牵引网仿真等效图

5 再生能馈装置

再生装置当电网的直流网压降落则开始启动。再生制动装置所要实现的功能为将从直流电网传输的电能传输给交流接触网，并且将供给电能用于地铁列车的运行和制动，另外再生装置在上述传输功能中还能控制调节电路的功率因数并对交流电网的传输过程中补充无功功率。

5.1 工作原理

再生能馈装置的主要部分原件是大功率逆变器，采用PWM技术实现功率变换。图12为逆变器主电路原理图。

图12 逆变器电路原理图

图12为逆变器电路原理图，再生能馈装置都可控制Ua、Ub、Uc等变量。这里交流感应的主要功能是起缓冲作用。由于逆变器输出电压Ua、Ub、Uc与电源电压ea、eb、ec的存在一定数量的电压差值，电感L使交流电流发生了变化。数学表达式(11)为逆变器单相等效电路。

电流的大小以及相位决定功率传输功能以及电网电压ea幅值和交流电感L，两者的区别在于控制逆变器的传输功能为直接控制，控制电网电压为间接控制。为了使再生能馈装置完全控制输出电流，并使电流更稳定以及创造装置功率因数变成1或-1条件，需要及时的改变输出电压的大小。图13逆变器功率闪数为-1时相量。

图13 逆变器功率闪数为-1时相量

设置再生回馈装置如下：根据上述的Udcef设置直流电压值和直流电网实际电压值去计算逆变功率继而求出三相桥式的三相电压值的大小。

5.2 再生能馈装置输出特性

再生能馈装置的结构包括输出特性控制以及多重化串并联控制。图14为再生能馈系统结构。

图14 再生能馈系统结构

输出特性控制和多重化串并联控制是再生能量馈电线的控制系统的两部分。通过检测PWM单元的直流输出电压和电流，实现了输出特性的外环控制，其目的是使再生能量供给装置按给定的输出特性曲线运行。再生能馈线的输出特性曲线既可以再第一象限实现整流功能，还可以在第二象限实现逆变功能。图15为再生能馈线的两个输出特性，一是稳压输出特性曲线，二是下垂输出特性曲线。

图15 再生能馈装置两种基本输出特性

图15中，Idm+为整流的最大功率电流，Uk为再生能馈装置空载时的电压，Idm-为再生能馈装置输出的最大逆变功率时电流。

6 总结与展望

近年来，地铁在人们的生活中愈来愈显重要，地铁的出现给人们的生活带来了许多便利。地铁站间距短所以在行驶过程中需要频繁制动，导致大量能量浪费，产生的能量主要以电阻消耗的热能，既能造成能源浪费并且增加地铁的通风散热系统的成本。从经济和绿色环保角度考虑，需要对该问题进行解决:

(1)通过对比几种再生制动能量吸收利用的方法，对比各自的优缺点选择最适合的再生制动吸收的方法。

(2)阐述24脉波整流机组工作的原理，选取合适的电气参数设计建模仿真24脉波整流机组。

(3)对逆变回馈系统选择合适的方案以及设计回馈装置的容量.

参考文献

[1]. 王娟. 谢谦牵引计算在地铁车辆中的应用[J]. 电力机车与城轨车辆, 2003

[2]. 马大炸 周忠良. 列车牵引计算规程的制动电算[J]. 中国铁路, 1999

[3]. 金钧 周帅 赵宏勋. 城轨地铁24脉波牵引供电系统分析[J]. 大连交通大学学才仗, 2011

[4]. 陈德胜 城轨新型能馈式牵引供电集成技术研究及实现[D]. 北京交通大学, 2014

[5]. 宋奇吼 李学武 城市轨道交通供电[M]. 中国铁道出版社, 2009.

[6]. 池耀田. 城轨交通系统储能器的发展[J]. 都市快轨交通, 2005

[7]. 黄舰 李廷勇 徐长勤. 1500V城轨系统再生制动能撬的储存利用[J], 2010