張繼勇，楊茂朕，2*，馬一鳴，王 凱，嵇仁君，許根柱

（1.揚州大學 電氣與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225009；2.南京地鐵運營有限責任公司，南京 210031）

隨著我國制造業(yè)水平和科學技術壁壘的攻關，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調(diào)，因此我國地鐵行業(yè)的發(fā)展也逐漸邁入國際一流水平，大力發(fā)展軌道交通技術應用可以顯著改善環(huán)境污染和交通擁擠等問題，與此同時也可以帶動我國各生產(chǎn)領域的發(fā)展。文獻[1]在傳統(tǒng)整流機組工作產(chǎn)生諧波污染現(xiàn)象的基礎上使用24脈波整流機組來進行諧波抑制功能，并對其做仿真研究，驗證了其正確性。文獻[2]對地鐵列車牽引過程與運行工況提出具體計算方法并在此基礎上對電力客車運行及功率變化曲線進行仿真分析。文獻[3]對地鐵牽引供電計算方程由時變參數(shù)轉(zhuǎn)化為定常線性參數(shù)的網(wǎng)絡進行建模和仿真驗證，在此基礎上分析地鐵牽引供電對外圍電網(wǎng)的影響。

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

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

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

地鐵電力客車的電能傳動方式有2種，直流傳動方式和交流傳動方式。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，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、接觸懸掛設備、電力客車與列車軌道組成。

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力供應系統(tǒng)，為電力客車運行提供能量。因此在地鐵運行過程中對電源的要求是比較嚴格的。

圖1 地鐵直流牽引供電系統(tǒng)

1.2 24脈波整流機組

牽引變電所核心為24脈波整流機組，其內(nèi)部結構主要由牽引變壓器和整流器2部分構成，通過牽引變壓器和整流機組將三相電源降為所需要的直流電壓。相較于傳統(tǒng)的整流機組，為了降低DC1 500 V接觸網(wǎng)上電壓的諧波含量和網(wǎng)側電壓畸變率，故選取24脈波整流技術，以此來提升電力客車的供電品質(zhì)。24脈波整流機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行，需要使并聯(lián)運行的2臺12脈波整流機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脈波整流機組等效模型，將35 kV交流電輸送給2臺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脈波整流機組等效模型

因為三相電網(wǎng)側電壓頻率為50 Hz，所以1個周期內(nèi)輸出的電壓波形可產(chǎn)生24個脈波，每個脈波之間相差15°，如圖3所示。

圖3 變壓器副邊電壓

24脈波整流機組常采用的牽引整流變壓器型號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中的2個二次繞組分割成2條相等容量的支路。各支路間不存在電的聯(lián)系，只存在磁的耦合關系，以此來更好地達到電力客車的供電要求。整流機組輸出電壓如圖4所示。

圖4 24脈波整流機組輸出電壓

2 仿真模擬

由原理可知，降壓變換器（又稱Buck變換器）可以有效進行抑制紋波的工作，其使用1個耦合電感和1個隔直電容來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變換器的換流機組，以此來抑制線路的諧波，更好地滿足維持電力客車安全、穩(wěn)定、可靠和有效的運行工作。

2.1 傳統(tǒng)地鐵電力客車啟動、制動全過程模擬

在MATLAB、Simulink中，接觸網(wǎng)線路和列車鋼軌用相應電容、電感等效。得到典型直流牽引供電系統(tǒng)仿真模型。選取相應額定容量的變壓器件，系統(tǒng)一次側短路容量需符合行業(yè)規(guī)范，整流器采用通用的24脈波整流機組進行工作。以相應模塊代替DC1 500 V的城市軌道交通接觸網(wǎng)供電線路。仿真時長選取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通過換流工作，輸出為電力客車的交流電機所需要的交流電壓已滿足其能源動力的供應。

選取永磁同步電機（PMSM）作為地鐵電力客車的驅(qū)動電機，并采取矢量控制的方法對其進行加工仿真。

選取行業(yè)發(fā)展方向的永磁同步電機為交流電機的種類，設定電機額定轉(zhuǎn)速，并在0.97 s時開始制動，并觀察相關的波形進行電力客車運行過程的仿真觀測。同時將接觸網(wǎng)線路上的電容作為超級電容儲能裝置，在電力客車制動時回收動能并傳遞至下一輛地鐵客車作為能源供應使用，這也是行業(yè)的發(fā)展主流。其整體仿真框架如圖5所示。并對其運行過程展開分析，電機轉(zhuǎn)速變化如圖6所示。

圖5 電力客車啟動、制動仿真模型

圖6 電機轉(zhuǎn)速變化曲線

在0~0.6 s內(nèi)電機轉(zhuǎn)速呈線性上升，此時列車受到恒定牽引力作用，車速也會逐漸增加；在0.6~0.97 s這個時間段內(nèi)，列車受到的牽引功率達到最大值，其牽引電機兩端電壓保持不變；在0.97~1.6 s時，此時列車速度已達上限，其受到的牽引力與速度的平方成反比，因此根據(jù)此原理可通過降低牽引功率的辦法以減小列車的行駛速度。

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

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)化地鐵電力客車啟動、制動全過程模擬

由圖7可知，線路上的紋波較多，在一定程度上會影響到給電力客車的電源供應質(zhì)量，降低電源效率，干擾系統(tǒng)之間的邏輯關系等。因此要對這一現(xiàn)象提出解決方法，本文采用Buck變換器在CCM模式下的運行原理，對城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)進行仿真優(yōu)化，在傳統(tǒng)牽混所基礎上加裝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，以此來改善線路電流紋波過大的問題。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，在對牽引供電系統(tǒng)進行優(yōu)化后，線路上的電流紋波減小，因為Buck變換器在CCM模式下，電感電流連續(xù)，同時施加了電容作為對電壓的穩(wěn)定。實現(xiàn)了電流紋波的減小，進一步提高了供電質(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）快速分解模塊對電流曲線進行分析可得，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)化升級后的牽引供電系統(tǒng)的諧波分析如圖11所示。以此來更好地去維護城市軌道交通電力客車的安全運行。

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