新型城市轨道直流牵引供电系统研究

傅晓锋，康积涛，刘 文

新型城市轨道直流牵引供电系统研究

傅晓锋，康积涛，刘 文

针对城市轨道牵引供电系统中供电臂末端电压偏低、供电距离短等问题，提出了通过改进原有直流牵引变电站24脉波整流机组输出电压，再通过Buck电路降压至牵引供电所需电压，并在两所变电站的中点增设一组由PID控制电路控制的Buck变换装置给牵引负荷供电，从而达到提高供电臂末端电压和延长供电臂的目的。在提出设计原理的基础上基于Matlab/Simulink搭建仿真模型，通过比较原有直流牵引供电系统和新型直流牵引供电系统的供电能力，从理论上验证了该方案的有效性，为今后的城市轨道牵引供电系统的设计提供参考。

直流牵引供电系统；24脉波整流机组；Buck变换装置；供电臂；PID控制电路

0 引言

在我国高速铁路大发展的同时，城市轨道交通（下文简称城轨）建设也在迅猛发展。城轨供电系统是城轨建设最关键的部分之一，其主要由多脉波整流机组（包含12脉波整流和24脉波整流等）来实现交流电源的整流，再供给列车负载。

然而，在地铁运行高峰时期因为负荷增加及线路损耗的原因，导致牵引供电系统的供电臂距离只有2～3 km左右[1]。本文基于Matlab/Simulink仿真，构建了一种附以多重Buck电路的新型直流牵引供电系统，通过比较其在特定条件下与传统直流牵引供电系统的极限供电距离长度，来验证新型牵引供电系统延长供电距离、提高供电电压的有效性。

1 典型直流牵引供电系统

1.1 系统组成

目前主流的直流牵引供电系统主要由24脉波整流机组供电，主要包括牵引整流变压器和12脉波整流电路。牵引整流变压器大都采用轴向双分裂式三绕组变压器，其将网侧交流35 kV电压变换为交流1 180 V电压输出至整流桥。2个三相桥式整流电路并联构成12脉波整流器。牵引整流变压器和12脉波整流器就构成了12脉波整流机组。为了得到24脉波，每个牵引变电所内并联运行的2台整流变压器的原边绕组分别移相±7.5°[2]，使2台整流变压器4个次边绕组线电压相量各自相差15°，最终在直流侧输出直流1 500 V的24脉波电压[3]。

1.2 系统仿真模型

根据上文的拓扑在Matlab/Sumilnk中搭建仿真模型，其中架空线和回流轨用相应电容电感等效，得到典型直流牵引供电系统仿真模型（图1）。

图1中24_Pulse_1和24_Pulse_2为24脉波整流机组，其模型如图2所示，其中电源为35 kV三相电压源，经过曲折形移相变压器移相±7.5°，再接入三相三绕组变压器，最终经过桥式整流电路并联输出直流24脉波电压。电源侧绕组RL1至RL8为架空线和回流轨的等效阻感，R1、R2为列车等效负载。

图1 典型直流牵引供电系统仿真模型图

图2 24脉波整流机组仿真模型图

2 新型直流牵引供电系统

城市轨道交通牵引供电系统采用的电压等级从DC 600～3 000 V不等[4]，目前实际工程中主要使用1 500 V制式。然而随着对供电距离、供电臂末端电压要求的不断提高，同时电气设备性能的不断增强，高等级电压制式供电会越来越受到重视。本文提出的新型直流牵引供电系统将能提供电压等级从DC 600～6 000 V的供电要求。下文将以1 500 V制式来研究本文提出的供电方案。

2.1 系统组成

城市轨道牵引供电系统供电距离短，通常在2～3 km左右，如果再进一步延长供电距离将会使得供电电压偏低。本文提出的新型牵引供电系统通过改进原有直流牵引变电站24脉波整流机组输出电压，再通过Buck电路降压至牵引供电所需电压，并在两所变电站的中点增设一组由PID控制电路控制的Buck变换装置给牵引负荷供电，能达到延长供电臂和提高供电臂末端电压的目的。新型直流牵引供电系统结构示意图如图3所示。

该系统的工作原理：35 kV交流电经变电站内的24脉波整流机组整流得到空载电压为6 600 V（额定电压为6 000 V）的直流电压，一路电压经过两座变电站中点的多重Buck直流斩波电路降压成1 650 V（额定电压为1 500 V）的直流电压，再连接到接触网；另一路电压在变电站内经多重Buck直流斩波电路降压成1 650 V（额定电压为1 500 V）的直流电压给机车供电。其中位于中点的多重Buck直流斩波电路由PID控制电路实现其输出电压的稳定，位于变电站的多重Buck直流斩波电路则通过固定开关元件的占空比逐次移相来固定输出电压。

图3 新型直流牵引供电系统结构示意图

由于Buck电路简单实用，但单重Buck电路难以满足电路要求。本文选用多重Buck直流斩波电路来实现直-直降压变换，其由单重Buck电路串并联而成。单重Buck电路结构如图4所示[5]，其有2种工作模式：电感电流连续模式和电感电流断续模式，本文研究内容利用前种模式。其工作过程：开关元件S接通时，电源Ui向电感L供电使其储能，二极管关断，同时电容C维持输出电压基本恒定并向负载R供电，此后开关元件S断开，电感L中储存的能量经二极管D向负载R释放。输出电压Uo、占空比D和输入电压Ui的关系为

为保证电感电流连续，需要电感值大于临界值，可依据文献[6]的公式来计算临界电感。

图4 Buck电路结构图

考虑到开关器件的耐压耐流性能和输出电压的质量，本文采用多重Buck电路的串并联结构，即“三串五并联”结构。设置开关元件的开关频率为2 000 Hz，则五重并联后得到总的开关频率为10 000 Hz，这样既减小了单个开关元器件的开关频率损耗，又获得了总的较高的开关频率并提高了输出电源质量。

2.2 系统仿真模型

2.2.1 主电路模型

③为城市交通中的公共交通提供细致化的服务。在现代城市交通中，公共交通可以大大减少城市交通的压力。而且在现代社会中，公共交通越来越多样化，公交、BRT和地铁等多样化的交通，大大减少了城市交通的压力。公共交通不仅要承受来自交通的压力，还要给用户提供更好的服务体系，满足用户在交通出行的良好体验，这就要求公共交通不仅要有强大的运输能力，还要给用户带来良好的用户体验。

根据系统结构图3在Matlab/Sumilnk中搭建仿真模型如图5所示。

图5 新型直流牵引供电系统仿真模型图

图5中24_Pulse_1和24_Pulse_2为24脉波整流机组。子系统Muti_Buck_1、Muti_Buck_2和Muti_Buck_3为多重Buck直流斩波电路，其详细模型如图6所示。RL1至RL10为架空线、回流轨和直流电缆的等效阻感，R1、R2为列车等效负载。

图6 多重Buck直流斩波电路图

2.2.2 控制电路模型

子系统Muti_Buck_1多重Buck直流斩波电路的输出电压由PID控制电路实现，其仿真模型如图7所示。将检测到的Muti_Buck_1的实际输出电压与固定值1 650 V比较后送入PID控制器，经过限幅环节后和三角载波比较得到PWM脉冲波开关信号，将得到的开关信号输入到开关器件的驱动端口控制开关通断。子系统Muti_Buck_2和Muti_Buck_3将采用固定占空比的形式实现固定输出电压，占空比按式（1）计算。

图7 PID控制电路图

3 仿真分析

3.1 典型直流牵引供电系统参数设置及仿真

根据图2和图3的仿真模型参考文献[2]设置参数如下：变压器额定容量Sk为3 450 kV·A，系统一次侧短路容量ST为100 MV·A，网侧、阀侧电压U1、U2分别为35 kV、1 180 V，整流器参数采用默认设置。RL1至RL4的单位电阻和单位电感均相同，为0.2 Ω/km和15e-4H/km[7]，RL5至RL8的单位电阻和单位电感均相同，为0.02 Ω/km和1.5e-4H/km[8]，R1和R2均设为1.5 Ω。

牵引供电臂距离L一般为2 km，本文根据上述参数，取4倍供电距离时进行仿真，测量负载R1上的电压和电流、两座变电站中点的电压（图2中cd之间的电压，即供电臂末端电压），仿真结果如图8—图10所示。

图8 4倍供电距离时负载电压波形图

图9 4倍供电距离时负载电流波形图

图10 4倍供电距离时变电站中点电压波形图

由图可知，负载电压约为1 210 V，负载电流约为807 A，变电站间中点电压约为1 210 V。

3.2 新型直流牵引供电系统参数设置及仿真

根据图5的仿真模型设置参数。其中整流机组、接触网等效阻抗RL1至RL8、R1和R2的参数同3.1节一样。RL9和RL10的单位电阻和单位电感设为0.04 Ω/km和3e-4H/km，多重Buck直流斩波电路中开关器件的参数选用默认值，电感值依据文献[6]中的公式计算得到单个Buck电路断续临界值后取4.8e-2H。Muti_Buck_2和Muti_Buck_3中控制开关的占空比按式（1）计算，即D= 1 650 / 6 600×100% = 25%。

取8倍供电距离时进行仿真，测量负载R1上的电压和电流、两座变电站中点的电压（图5中Ud1的值，即供电臂末端电压），仿真结果如图11—图13所示。

图11 8倍供电距离时负载电压波形图

图12 8倍供电距离时负载电流波形图

图13 8倍供电距离时变电站中点电压波形图

由图可知，经0.25 s负载电压稳定在1 385 V左右，经0.25 s负载电流稳定在923 A左右；经0.15 s中点电压稳定在1 650 V左右，超调量为177 V左右。可见，在PID控制电路的调节下电压基本稳定。

3.3 仿真结果分析

由3.1节和3.2节的仿真结果可知，在变电站条件及负载条件等基本相同的特定条件下，按照本文所设参数传统典型直流牵引供电系统在4倍供电距离时的负载电压、负载电流和中点电压分别为1 210 V、807 A和1 210 V。而本文提出的新型直流牵引供电系统方案则在8倍供电距离时的负载电压、负载电流和中点电压分别为1 385 V、923 A和1 650 V。可以看出后一组数据仍比前一组数据大，也就是说可以认为本文所提出的方案在特定条件下将供电距离至少提高了一倍。这对直流牵引供电系统结构的研究具有现实意义。

4 结语

为提高目前城市轨道交通直流牵引供电系统的供电距离，本文提出了一种新型的结构方案，并在Matlab/Simulink环境中搭建了仿真模型加以验证，仿真结果表明在特定的条件下本文所设计的供电方案能够将供电距离延长一倍，这将非常具有现实意义。当然由于本文并未考虑实际工程中的经济性等问题，因此具体研究仍有待深入探讨。

[1] 赵荣华. 城市轨道交通地面电阻制动系统的仿真模型设计与研究[D].北京交通大学硕士学位论文，2007.

[2] 李良威.城市轨道交通直流侧短路故障研究[D].西南交通大学硕士学位论文，2007.

[3] Pozzobon P. Transient and Steady-State Short-Circuit Currents in Rectifiers for DC Traction Supply[J]. IEEE Transaction On Vehicular Technology,1998,47(4)：1390-1404.

[4] 何其光.对城市轨道交通牵引供电授流制式选择的建议[J].城市轨道交通研究，2007，（8）：6-11.

[5] 郭世明.电力电子技术[M].成都：西南交通大学出版社，2008.

[6] 曹霞，关振宏，黄栋杰，等. Buck变换器在Matlab/Simulink下的仿真研究[J].电气开关，2009，（6）：23-25.

[7] 万庆祝，吴命利，陈建业，等. 基于牵引计算的牵引变电所馈线电流仿真计算[J].电工技术学报，2007，22（6）：108-113.

[8] 苏劼.城市轨道交通能馈式牵引供电系统的应用研究[D].北京交通大学硕士学位论文，2009.

With regard to problems of lower voltage level at the end of feeding section in traction power supply system and shorter distance of feeding section of urban rail transit, It is proposed to improve the output voltage level of the original 24-pulse rectifier unit in DC traction substation, then obtain dropped voltage for traction power supply through Buck circuit, and at the same time, add a PID circuit controlled Buck converter to supply traction loads at the midpoint of two substations, so as to accomplish the target of raising the voltage level at the end of the feeding section and extending the distance of feeding section. By analyzing a Matlab/Simulink based simulation model on the basis of design philosophy, and by comparison of power supply capacity of the original DC traction power supply system and the new type of DC traction power supply system, the scheme is verified to be effective theoretically, and is able to provide references for deign of traction power supply system for urban rail transit in the future.

DC traction power supply system; 24-pulse rectifier unit; Buck converter；power supply section; PID controlled circuit

U231.8

：B

：1007-936X(2016)03-0029-05

2015-11-23

傅晓锋. 西南交通大学电气工程学院，硕士研究生，电话：15680026226；康积涛. 西南交通大学电气工程学院，教授；刘 文. 西南交通大学电气工程学院，硕士研究生。