黃永濤

（北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京 100068）

我國(guó)當(dāng)前的地鐵牽引供電系統(tǒng)中，主要以電力機(jī)車、牽引網(wǎng)以及電纜等部分組成的，這一系統(tǒng)以直流牽引的形式來(lái)運(yùn)行，有著非線性強(qiáng)且電壓波動(dòng)大的特點(diǎn)，而且其電纜所引發(fā)的充電無(wú)功功率也是相對(duì)較大的，將其接入城市的公共電網(wǎng)中，會(huì)對(duì)電能的質(zhì)量、供電的可靠性以及穩(wěn)定性有不同程度的影響。而要想從根源上杜絕隱患問(wèn)題發(fā)生，就應(yīng)對(duì)接入軌道交通前開(kāi)展電能質(zhì)量預(yù)評(píng)估，提前做出預(yù)防對(duì)策，這樣才能更好地提升電網(wǎng)電能的質(zhì)量，促進(jìn)供電的可靠性以及穩(wěn)定性進(jìn)一步提升。

1 地鐵牽引供電系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 地鐵供電系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)

在地鐵運(yùn)行中主要的能量來(lái)源都是依靠電能為基礎(chǔ)，其電能是有地鐵供電系統(tǒng)所提供的，城市地鐵交通運(yùn)輸中，地鐵牽引供電系統(tǒng)屬于重要環(huán)節(jié)。和交流供電相比，其中的直流供電有著一定的優(yōu)勢(shì)，有著較大的調(diào)速范圍，操作比較方便，控制也較為容易，其中的牽引網(wǎng)結(jié)構(gòu)也較為簡(jiǎn)單，有著較高的電壓質(zhì)量，因此，在地鐵交通運(yùn)輸所用的供電形式多以直流供電來(lái)滿足牽引動(dòng)力的要求。

針對(duì)當(dāng)前地鐵供電系統(tǒng)的發(fā)展情況進(jìn)行分析，其主要由六大部分所組成，最重要的就是外部電源主變電所，還有牽引供電系統(tǒng)和電力監(jiān)控系統(tǒng)幾個(gè)部分，但在地鐵運(yùn)行中，如果出現(xiàn)供電系統(tǒng)問(wèn)題，那么將會(huì)嚴(yán)重影響地鐵的正常運(yùn)行，情況如果非常嚴(yán)重，那么也會(huì)引發(fā)一些安全事故隱患，所以在實(shí)際發(fā)展中，相應(yīng)管理部門要對(duì)地鐵供電系統(tǒng)安全進(jìn)行全面掌控，對(duì)地鐵的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)督，并派專人對(duì)地鐵牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行管控，確保供電的穩(wěn)定性，以此為地鐵運(yùn)行安全性的提升奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

在地鐵供電系統(tǒng)中，外部電源是其中最重要的環(huán)節(jié)，其外部電源多指城市電網(wǎng)，它的作用就是為地鐵直流供電系統(tǒng)提供所需的電能。外部電源主要由集中供電形式、分散供電形式、混合供電形式所組成的，地鐵在運(yùn)行中可以針對(duì)實(shí)際需求來(lái)選擇相應(yīng)的供電方式，以此確保地鐵運(yùn)輸工作的有效開(kāi)展。

在地鐵供電系統(tǒng)中的核心部分就是牽引供電系統(tǒng)，在實(shí)際的地鐵運(yùn)行中，牽引供電系統(tǒng)屬于不可缺少的重要部分，其主要以牽引變電所、牽引網(wǎng)所組成，作用是將在主變電所中所傳過(guò)來(lái)的高壓電進(jìn)行處理，之后傳遞給地鐵車輛內(nèi)部，以此確保地鐵的運(yùn)行更穩(wěn)定。

1.2 地鐵牽引供電系統(tǒng)的建模的宗旨

城市地鐵在實(shí)際運(yùn)輸中，是需要通過(guò)復(fù)雜的系統(tǒng)所完成的，其中的牽引供電系統(tǒng)是能夠直接影響地鐵是否可以高效且安全地完成運(yùn)輸工作，而且牽引供電系統(tǒng)更是有著復(fù)雜的交流電和直流電向混合的系統(tǒng)。地鐵運(yùn)行時(shí)機(jī)車屬于有著很大隨機(jī)性波動(dòng)的負(fù)荷，并且會(huì)隨各種情況的轉(zhuǎn)變而出現(xiàn)不同程度的波動(dòng)，這樣就會(huì)使得地鐵在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)生問(wèn)題，不但會(huì)影響地鐵的正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)帶來(lái)安全隱患。所以，在將地鐵牽引供電系統(tǒng)投入到現(xiàn)實(shí)使用前要開(kāi)展各種建模。另外，在地鐵運(yùn)行時(shí)，應(yīng)有效地運(yùn)用直流供電形式，不但能夠保障地鐵的電能更具穩(wěn)定性，而且也能降低地鐵運(yùn)行中速度的損失。地鐵運(yùn)行也會(huì)出現(xiàn)電磁干擾等情況，一旦出現(xiàn)較強(qiáng)的電磁干擾，那么就會(huì)對(duì)地鐵的運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重影響，而有效地運(yùn)用直流牽引供電系統(tǒng)，將可以大大減少電磁干擾對(duì)地鐵運(yùn)行所帶來(lái)的影響，能夠確保地鐵運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。

2 地鐵電力機(jī)車的建模仿真

2.1 地鐵電力機(jī)車

針對(duì)當(dāng)前快速發(fā)展的環(huán)境下，地鐵牽引供電系統(tǒng)的建模以及仿真工作是發(fā)展重要的內(nèi)容，在科學(xué)有效的建模、仿真工作中，可以進(jìn)一步增強(qiáng)我國(guó)地鐵運(yùn)輸行業(yè)的綜合實(shí)力，并為其未來(lái)穩(wěn)定發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。在完成建模后，要對(duì)所搭建的模型準(zhǔn)確性進(jìn)行全面檢查，所以要針對(duì)模型情況開(kāi)展仿真試驗(yàn)，以此確保后續(xù)工作有效開(kāi)展。而且在仿真試驗(yàn)中，可以有效地對(duì)所建立模型的具體情況進(jìn)行檢測(cè)，從而明確其是否滿足當(dāng)前各項(xiàng)需求。

實(shí)際操作中，主要就是通過(guò)讓地鐵車輛在DC1500v架空接觸網(wǎng)中取直流電，再由元件來(lái)建立主逆變器實(shí)現(xiàn)直流電轉(zhuǎn)化為三相交流電，而且也要結(jié)合調(diào)頻調(diào)壓的形式來(lái)對(duì)三相異步的電機(jī)運(yùn)行進(jìn)行控制和驅(qū)動(dòng)，以此確保機(jī)車實(shí)現(xiàn)牽引要求。

在當(dāng)前電力電子器件的不斷發(fā)展，控制理論以及計(jì)算技術(shù)也得到了進(jìn)一步的優(yōu)化和完善，直流傳動(dòng)形式逐漸被交流傳動(dòng)的形式所替代，并且它的價(jià)格、運(yùn)行性能等優(yōu)勢(shì)也是直流傳動(dòng)形式不能相比的。

針對(duì)其中的直流7sov 城市網(wǎng)壓，因其網(wǎng)壓的波動(dòng)最大可能達(dá)到900V 左右，所以選擇的主牽引逆變器運(yùn)用工業(yè)級(jí)耐壓的IGBT 三點(diǎn)式逆變器，其電壓在1200V之間，而且電壓等級(jí)能夠有效地滿足直流750V 的電網(wǎng)系統(tǒng)要求，其電壓安全系數(shù)也是相對(duì)比較高的。

2.2 機(jī)車主傳動(dòng)控制

在電機(jī)控制的主要工程中，就是要對(duì)PWM 波形進(jìn)行有效控制，確保功率控制器件所輸出的電壓以及電流波形可以有效地為電機(jī)高性能運(yùn)行提供保障。在當(dāng)前所在可控型的功率控制器件的進(jìn)一步發(fā)展，為優(yōu)化和完善電機(jī)控制系統(tǒng)帶來(lái)了很多幫助，也提供了相應(yīng)的硬件保障，其中可關(guān)斷器件就是最有效的硬件系統(tǒng)，將其運(yùn)用到電機(jī)控制系統(tǒng)中，可以更好地滿足高頻、高壓且大功率PWM 控制技術(shù)的操作需求。

通過(guò)運(yùn)用空間矢量控制策略來(lái)對(duì)地鐵列車的三相牽引電機(jī)開(kāi)展控制工作，該控制策略屬于20 世紀(jì)70 年代初所提出的策略，是對(duì)交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻驅(qū)動(dòng)所提出的方法，通過(guò)運(yùn)用逆變器空間電壓矢量的轉(zhuǎn)換，形成圓形旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，并能夠在控制開(kāi)關(guān)頻率的情況下，讓交流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)SPWM 控制需求，并獲得良好的性能效果。其SVPWM 能夠有效增強(qiáng)電壓型逆變器中的直流電壓利用率，也增強(qiáng)了電機(jī)動(dòng)態(tài)應(yīng)性能，更能對(duì)電機(jī)存在的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)進(jìn)行控制和減少，也能有效地滿足數(shù)字處理器的需求。

2.3 牽引供電系統(tǒng)的負(fù)荷仿真

結(jié)合某城市地鐵一號(hào)線路為案例進(jìn)行分析研究。其地鐵所有的機(jī)車組都以四動(dòng)二拖編組形式來(lái)運(yùn)行，并且所有機(jī)車組都以2880kW 為額定功率。表1 為案例研究分析后各機(jī)車異步電機(jī)的相應(yīng)參數(shù)。

表1 機(jī)車異步電機(jī)參數(shù)表

通過(guò)對(duì)各供電形式下的車輛開(kāi)展啟動(dòng)電流仿真實(shí)驗(yàn)，其地鐵車輛在進(jìn)行啟動(dòng)時(shí)其中的牽引網(wǎng)電流會(huì)針對(duì)不同情況而產(chǎn)生不一樣的改變。通過(guò)牽引網(wǎng)電流波動(dòng)情況可以了解到，針對(duì)單邊供電狀態(tài)下啟動(dòng)地鐵，會(huì)使得地鐵一直保持勻速運(yùn)行，而對(duì)于這一過(guò)程中會(huì)受外界因素帶來(lái)的影響使得牽引網(wǎng)的電流出現(xiàn)一定的波動(dòng)，但波動(dòng)幅度會(huì)隨著地鐵平穩(wěn)運(yùn)行而不斷地減小，最后所得的數(shù)值將會(huì)逐漸平穩(wěn)。地鐵在實(shí)際運(yùn)行中所產(chǎn)生的電流震蕩，是因電路中出現(xiàn)二階RLC 電路，一旦出現(xiàn)這樣的情況，其地鐵機(jī)車中濾波將會(huì)和接觸網(wǎng)間產(chǎn)生一定的作用，最終就會(huì)帶來(lái)電流震蕩的現(xiàn)象。

2.4 牽引供電系統(tǒng)的故障仿真

所有的設(shè)備在實(shí)際操作和運(yùn)行中都會(huì)因不同的因素而產(chǎn)生故障，即便設(shè)備非常的完善，但運(yùn)用的時(shí)間不斷增長(zhǎng)也就會(huì)相繼引發(fā)一些故障問(wèn)題，所以，地鐵在實(shí)際運(yùn)行中，也會(huì)因內(nèi)部結(jié)構(gòu)或是其他因素而發(fā)生故障。只有預(yù)先做好相應(yīng)的故障仿真工作，找出地鐵運(yùn)行中可能引發(fā)的故障問(wèn)題，并對(duì)故障問(wèn)題進(jìn)行更細(xì)致的分析和研究，并制定相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案和保護(hù)措施，才能為地鐵的良好運(yùn)行提供保障，進(jìn)一步提升地鐵運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，并在地鐵發(fā)生故障時(shí)及時(shí)地提出應(yīng)對(duì)方案。

通過(guò)故障仿真研究中可以了解到，地鐵牽引供電系統(tǒng)中的故障主要有兩種形式，短路故障和不正常運(yùn)行狀態(tài)，從研究過(guò)程來(lái)看，兩種故障問(wèn)題都會(huì)對(duì)地鐵正常運(yùn)行帶來(lái)影響，而結(jié)合實(shí)際中的地鐵運(yùn)行和發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，對(duì)地鐵牽引供電系統(tǒng)危害和影響最大的就是短路故障以及高負(fù)荷運(yùn)行問(wèn)題。因此，要注重對(duì)短路故障問(wèn)題和超負(fù)荷問(wèn)題的解決，以此強(qiáng)化地鐵運(yùn)行效率的同時(shí)，增強(qiáng)其整體安全性。

導(dǎo)致地鐵出現(xiàn)短路故障問(wèn)題的因素比較多，最常見(jiàn)的問(wèn)題就是金屬性短路，其是因地鐵中的接觸網(wǎng)與鋼軌機(jī)車間產(chǎn)生金屬性接觸，也會(huì)因匯流排銅線出現(xiàn)脫落問(wèn)題而引發(fā)車體、鋼管和接觸網(wǎng)間接觸所導(dǎo)致的，這些情況的發(fā)生都會(huì)使得地鐵供電系統(tǒng)發(fā)生短路問(wèn)題。另外，非金屬性短路也會(huì)影響地鐵的良好運(yùn)行，其主要就是因非金屬材料受潮或是在潮濕環(huán)境下運(yùn)作而引發(fā)的接觸網(wǎng)短路問(wèn)題。所以，在地鐵運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展中，應(yīng)對(duì)牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行全面的故障仿真研究，這樣可以更全面地掌握在地鐵運(yùn)行中可能存在的故障問(wèn)題，真正探尋到故障形成的原因，并制定相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案和解決對(duì)策，這樣才能更好地應(yīng)對(duì)突發(fā)故障，為地鐵地安全運(yùn)行提供保障。

3 地鐵牽引系統(tǒng)的諧波影響和治理策略

3.1 地鐵諧波特點(diǎn)以及對(duì)公共電網(wǎng)帶來(lái)的影響

地鐵的供電系統(tǒng)中所產(chǎn)生的波形畸變主要是由車輛的牽引供電整流或是逆變裝置所形成的。而對(duì)于諧波電流以及電壓對(duì)于公共電力系統(tǒng)帶來(lái)的影響和危害主要就是，在運(yùn)用旋轉(zhuǎn)電機(jī)以及電容器時(shí)所帶來(lái)的附加損耗從而提升其熱量，這對(duì)設(shè)備安全會(huì)帶來(lái)一定影響，也會(huì)給通信設(shè)備的運(yùn)用帶來(lái)一定的干擾和影響，也會(huì)導(dǎo)致保護(hù)系統(tǒng)以及控制電路出現(xiàn)誤判的動(dòng)作，也會(huì)對(duì)軌道電路中的載波頻率信號(hào)帶來(lái)影響，干擾其正常運(yùn)作，還會(huì)導(dǎo)致測(cè)量?jī)x表難以精確的做出判斷，不利于后續(xù)工作的有效開(kāi)展。

3.2 對(duì)諧波問(wèn)題進(jìn)行科學(xué)治理

首先，有效開(kāi)展諧波測(cè)量工作。針對(duì)電氣的主接線情況進(jìn)行全面了解和分析，再結(jié)合相應(yīng)的用戶信息，選擇相應(yīng)的測(cè)量點(diǎn)。原則上，是可以對(duì)總電流中除了無(wú)功柜以及電容柜等可以放大諧波的電流部分的相應(yīng)電流進(jìn)行測(cè)量，抑或是確保一次性完成測(cè)量工作，但如果不能一次測(cè)量到位，就應(yīng)針對(duì)具體情況來(lái)合理地進(jìn)行測(cè)量工作，保障諧波電流是系統(tǒng)中真實(shí)的電流。

其次，開(kāi)展地鐵諧波治理的主要過(guò)程。當(dāng)前開(kāi)展諧波防治的主要形式包括：（1）運(yùn)用無(wú)源濾波器來(lái)對(duì)諧波進(jìn)行濾除處理；（2）運(yùn)用有源電力濾波器來(lái)對(duì)諧波進(jìn)行濾除處理。前者的價(jià)格是相對(duì)較便宜的，而且維修的流程較為簡(jiǎn)單，在進(jìn)行濾波的過(guò)程中也能有效的對(duì)無(wú)功無(wú)源濾波器存在的缺點(diǎn)給予補(bǔ)償，但主要缺點(diǎn)就在于會(huì)受到系統(tǒng)阻抗的較大影響，而且也易出現(xiàn)諧振現(xiàn)象，在功率因數(shù)高的場(chǎng)所不適合使用。針對(duì)后者，其優(yōu)點(diǎn)就是不會(huì)受到系統(tǒng)的阻抗所影響，能夠在同一時(shí)間內(nèi)進(jìn)行多次諧波電流的濾除處理，也不會(huì)因系統(tǒng)功率的因數(shù)影響而出現(xiàn)問(wèn)題，并且適合使用的場(chǎng)所不會(huì)受到限制，但唯一的缺點(diǎn)就是價(jià)格較高。因此，要針對(duì)實(shí)際情況有效地選擇相應(yīng)形式，以此為地鐵牽引供電系統(tǒng)的良好運(yùn)作提供保障。