地铁牵引供电系统建模与仿真分析

湖南工业大学电气与信息工程学院 中国动力谷自主创新园轨道交通自动化技术与装备协同创新中心 冯典森

地铁牵引供电系统建模与仿真分析

湖南工业大学电气与信息工程学院 中国动力谷自主创新园轨道交通自动化技术与装备协同创新中心 冯典森

由于城市电网一般是直流牵引网，提供电能的地铁供电系统除了外部供电来源以外，根据用电性质将供电系统分为两个组成部分：提供直流直流供电的牵引供电系统和提供空调等动力和照明的供电系统。

地铁；供电系统；MATLAB/Simulink

1 地铁牵引供电系统介绍[1]

以某地铁2号线为例，供电网是通过变压器将110KV电网交流电，经过降压输送到35KV变电所。对于接触网则要转换为1500V接触网直流电，主要针对的是地铁站的供电。另外，电压要降至400V直流电，才能输送到各分变电站，作为照明和办公用电。

图1 某地铁2号线供电系统结构

由牵引变电所组成的牵引供电系统包括图1中的F1、F2高压电网经过变压器B1作用形成的外部电源，将其产生的供电电能经过35KV中压环网和变压器B3、B4，再通过大功率整流器转换成直流电。目前，在单边和双边供电方式的选择上，双边供电在地铁系统中应用较为普遍，也就是在正常运行方式下，正线各供电区间均由相邻牵引变电所双边供电；单边供电通常是在车辆段内的接触网供电来自于车辆段内牵引变电所。停车场内的接触网供电来自于停车场牵引变电所。地铁供电系统是十分复杂的时变网络，对于建立仿真模型来说有一定的困难，无论是在参数选择还是模型搭建，这就需要对牵引变电所组成的牵引网进和回流网行模型的简化。对于牵引变电所来说，将其简化为戴维南等效电路，根据实际电路中的整流器相关参数、交流侧电压大小等影响因素来确定等效电路中的等效电源US和等效阻抗Req等参数。由于是地铁是直流牵引网供电，其内部电容影响较小可忽略，此时架空接触网可等效为电阻R1，在趋肤效应作用下，钢轨可近似等效为电阻R2和电感L2的串联[2]。因此，对于地铁牵引网的等效电路见图2所示。

图2 地铁牵引网等效电路图

以某地铁2号线的某一区段为例，其牵引网参数选择如表1所示。

表1 牵引网参数

以降压变压器为主组成的动力和照明供电系统，应包含提供机电的设备如风机、水泵、空调、自动扶梯和电梯等动力用电，还包含照明系统、信号和通讯监控等设备用电等。根据其用电的性质，一般分为自用电以及应急电源。自用电是在正常情况下，为动力设备或者照明系统提供交流电和直流电的可用低压电源，如自动售票系统、车站电梯、商业照明、车站照明、电力监控等；应急系统是保证在故障状态下，以便于系统的维修或者发生火灾等状况时，能够保证机房的正常运行，人员能够安全疏散和撤离等。例如，长沙地铁2号线就能够在故障发生时仍然能够提供半小时的照明。我国地铁的负荷等级按照重要性分为一级、二级和三级三个负荷等级，而应急照明电源是地铁动力照明系统中一级负荷中的重要负荷，除了由双电源供电回路以外，还必须保障有独立于自用电电源的备用电源。我国的上海地铁2号线就在变电所内配置了额外的2*12.5MVA容量大小的备用照明系统。

2 直流供电系统建立[3]

地铁的直流供电来源主要是来自牵引变电所，通过对中压网进行降压和整流最终获得直流电，经逆变提供给机车[4]。但是整流装置产生的输出电压有很大的脉动，这不利于列车的稳定运行和再生制动能量的利用。为了使整流器侧获得直流电更加的平滑和更少的脉动量，减少整流装置带来的谐波污染和牵引网电压的脉动，采用将简单的脉波整流装置进行并联，从而获得在同一周期内获得最少的波动范围，如深圳地铁4号线和成都地铁1号线均采用24脉波整流的方式。24脉波整流器原理图如图3所示。

图3 24脉波整流器原理图

图4 地铁24脉波整流电源仿真图

对于牵引直流电网的仿真，采用的三绕组变压器采主要电气参数如表2所示。经过24脉波整流机组整流后，经移相变压器T1和T2，电压的相位相差15°。

表2 24脉波整流机组仿真电气参数

24脉波整流是常用的一种用于地铁供电的整流方式，根据经验它可最大限度地抑制污染谐波。24脉波整流的实现，实质上是根据12脉波整流的原理，把两台12脉波轴向双分裂整流机由电网母线引出，将采用延边△接法的两台变压器网侧绕组移相，移向角度分别为±7.5°，每一台分别与两台整流器相连，最后将四套整流器并联，就形成了24脉波整流装置[5]，采用Y/△接法的变压器的低压侧绕组的线电压和相电压必然相差30°相角，其仿真模型如图4所示。

图5-7所示是地铁牵引网电压24脉波整流仿真的波形图：

图5 经移相变压器电压波形

图6 降压变压器副边电压波形

图7 地铁牵引网24脉波整流电压波形图

以三相电压的其中一相（a相）为例，在移相变压器的作用下，不再是简单的6脉波整流，而是经过移相的作用，a相电压相差15°，如图5和6 所示。

图7所示是24脉波整流器输出的空载整流电压，由图可知，每周期里，整流电压出现24次脉动。牵引网电压平均值计算如下：

其计算值和仿真结果基本相符，验证了24脉波整流在牵引网供电是可行的。

3 结论

本文根据地铁实际状况，对地铁供电系统的整体架构进行分析介绍，根据牵引网的参数建立了24脉波整流机组所形成的直流牵引电源模型。对机车站—站间实际运行过程进行了仿真，比起异步电机和安装传感器的复杂，系统装置得到简化和节能，并对仿真结果进行分析，得出结论：24脉波整流在牵引网供电是可行的。

[1]王晓亚,刑东峰.地铁列车运行自动控制系统设计[J].电子世界,2015(16):28-30.

[2]P.M.Nieolae,D.G.Stanescu.Modem Urban Transportation System based on a PWM Inverter[J].International Symposium on Power Electronics,2008:1008-1013.

[3]冯典森,唐勇奇,伍玉凯,张曙云,曾丽琼.基于双闭环控制的单相PWM整流器仿真研究[J].新型工业化,2016,5.

[4]张秋瑞,毕大强,葛宝明.地铁再生制动能量逆变回馈电网装置的研究[J].电力电子技术,2012,09:61-63+93.

[5]Ana1.Estanqueiro.A Dynamic Wind Generation Model for Power systems studies[J].IEEE Trans.on Power Systems,2007,22(3):920-928.

冯典森（1992—），男，硕士，主要研究方向：现代电力电子技术及系统。