基于DC-DC变换器的地铁牵引变电模型优化及其仿真

张继勇，杨茂朕，2*，马一鸣，王 凯，嵇仁君，许根柱

（1.扬州大学 电气与能源动力工程学院，江苏 扬州 225009；2.南京地铁运营有限责任公司，南京 210031）

随着我国制造业水平和科学技术壁垒的攻关，节能减排和大力发展新能源等理念不断地被人们所强调，因此我国地铁行业的发展也逐渐迈入国际一流水平，大力发展轨道交通技术应用可以显著改善环境污染和交通拥挤等问题，与此同时也可以带动我国各生产领域的发展。文献[1]在传统整流机组工作产生谐波污染现象的基础上使用24脉波整流机组来进行谐波抑制功能，并对其做仿真研究，验证了其正确性。文献[2]对地铁列车牵引过程与运行工况提出具体计算方法并在此基础上对电力客车运行及功率变化曲线进行仿真分析。文献[3]对地铁牵引供电计算方程由时变参数转化为定常线性参数的网络进行建模和仿真验证，在此基础上分析地铁牵引供电对外围电网的影响。

目前我国地铁列车牵引电机大多采用永磁同步电机。对列车的电机而言，牵引变电混合变电所等效为电源。牵混所的能源输入来自AC110 kV、AC220 kV大电网，通过降压变压器将AC220 kV、AC110 kV，降压为AC35 kV、AC10 kV，再使用牵引变压器和整流机组得到接触网所需电压，地铁车辆的电能供应通常由接触悬挂装置取流，通过地铁客车自带的变流装置给安装在转向架上的牵引电机供电。

本文基于传统的24脉波整流机组对其加装Buck变流模块并使其工作在连续导通模式（CCM）下，以更好地满足电力客车的能源供应要求。

1 地铁牵引供电系统建模仿真

1.1 地铁牵引供电系统组成

地铁电力客车的电能传动方式有2种，直流传动方式和交流传动方式。架空式接触网的作用是将从牵引变电所取得的1 500 V直流电直接输送给电力客车，再由钢轨将电能传输至回流线送回牵引变电所。城市轨道交通牵引供电系统一般由大电网、牵引降压混合变电所、接触悬挂设备、电力客车与列车轨道组成。

地铁直流牵引供电系统如图1所示。形成了完整的地铁能源动力供应系统，为电力客车运行提供能量。因此在地铁运行过程中对电源的要求是比较严格的。

图1 地铁直流牵引供电系统

1.2 24脉波整流机组

牵引变电所核心为24脉波整流机组，其内部结构主要由牵引变压器和整流器2部分构成，通过牵引变压器和整流机组将三相电源降为所需要的直流电压。相较于传统的整流机组，为了降低DC1 500 V接触网上电压的谐波含量和网侧电压畸变率，故选取24脉波整流技术，以此来提升电力客车的供电品质。24脉波整流机组的仿真模型主要包括AC35 kV的三相电源、移相式变压器、三相降压变压器和整流二极管，为了使整流后的输出电压和电源能良好运行，需要使并联运行的2台12脉波整流机组的变压器性能一致，均采用Dd-yn11的连接方式。例如，南京地铁所常用的变压器物理量如下。

（1）变压器视在功率为Sn=100 MVA。

（2）三相电压源为35 kV。

（3）三绕组变压器额定电压为35 kV/1 180 V、1 500 V

（4）额定频率为f=50 Hz。

（5）变压器原边分接头范围为±2×2.5%。

图2为地铁牵引变电所24脉波整流机组等效模型，将35 kV交流电输送给2台移相变压器后与整流器相连，目的是降低交流谐波含量和保证电能质量。

图2 地铁牵引变电所24脉波整流机组等效模型

因为三相电网侧电压频率为50 Hz，所以1个周期内输出的电压波形可产生24个脉波，每个脉波之间相差15°，如图3所示。

图3 变压器副边电压

24脉波整流机组常采用的牵引整流变压器型号为轴向双分裂式四绕组。双分裂式绕组的含义是将多绕组牵引整流机中的2个二次绕组分割成2条相等容量的支路。各支路间不存在电的联系，只存在磁的耦合关系，以此来更好地达到电力客车的供电要求。整流机组输出电压如图4所示。

图4 24脉波整流机组输出电压

2 仿真模拟

由原理可知，降压变换器（又称Buck变换器）可以有效进行抑制纹波的工作，其使用1个耦合电感和1个隔直电容来降低流入电感的电流纹波。因此可以在传统的城市轨道交通的牵引供电系统中加装Buck变换器的换流机组，以此来抑制线路的谐波，更好地满足维持电力客车安全、稳定、可靠和有效的运行工作。

2.1 传统地铁电力客车启动、制动全过程模拟

在MATLAB、Simulink中，接触网线路和列车钢轨用相应电容、电感等效。得到典型直流牵引供电系统仿真模型。选取相应额定容量的变压器件，系统一次侧短路容量需符合行业规范，整流器采用通用的24脉波整流机组进行工作。以相应模块代替DC1 500 V的城市轨道交通接触网供电线路。仿真时长选取0~1.8 s，并选取全桥逆变器、整流器作为中介，接触网线路的直流电压DC1 500 V通过换流工作，输出为电力客车的交流电机所需要的交流电压已满足其能源动力的供应。

选取永磁同步电机（PMSM）作为地铁电力客车的驱动电机，并采取矢量控制的方法对其进行加工仿真。

选取行业发展方向的永磁同步电机为交流电机的种类，设定电机额定转速，并在0.97 s时开始制动，并观察相关的波形进行电力客车运行过程的仿真观测。同时将接触网线路上的电容作为超级电容储能装置，在电力客车制动时回收动能并传递至下一辆地铁客车作为能源供应使用，这也是行业的发展主流。其整体仿真框架如图5所示。并对其运行过程展开分析，电机转速变化如图6所示。

图5 电力客车启动、制动仿真模型

图6 电机转速变化曲线

在0~0.6 s内电机转速呈线性上升，此时列车受到恒定牵引力作用，车速也会逐渐增加；在0.6~0.97 s这个时间段内，列车受到的牵引功率达到最大值，其牵引电机两端电压保持不变；在0.97~1.6 s时，此时列车速度已达上限，其受到的牵引力与速度的平方成反比，因此根据此原理可通过降低牵引功率的办法以减小列车的行驶速度。

由图7可知，当地铁运行在0.6~1.0 s时处于恒定功率区，电力客车属于惰行工作状态，即可将线路上少量的多余电压储存至超级电容内。当地铁运行在1.0~1.8 s时，地铁处于自然特性区，电力客车属于制动状态，可将线路上大量的盈余电压通过全桥式整流器回送至超级电容内，并将多余电量传递至下一电力客车作能源供应使用。

图7 线路电流变化曲线

传统牵引供电模式的变化也是考察供电质量的一大因素，线路电流如图7所示。

2.2 优化地铁电力客车启动、制动全过程模拟

由图7可知，线路上的纹波较多，在一定程度上会影响到给电力客车的电源供应质量，降低电源效率，干扰系统之间的逻辑关系等。因此要对这一现象提出解决方法，本文采用Buck变换器在CCM模式下的运行原理，对城市轨道交通牵引供电系统进行仿真优化，在传统牵混所基础上加装Buck变流模块，使得电感、电容等组成的滤波电路一直处于工作中，以此来改善线路电流纹波过大的问题。整体建模如图8所示。优化后的线路电流变化曲线如图9所示。

图8 优化后的牵引供电系统

从图9能明显看出，在对牵引供电系统进行优化后，线路上的电流纹波减小，因为Buck变换器在CCM模式下，电感电流连续，同时施加了电容作为对电压的稳定。实现了电流纹波的减小，进一步提高了供电质量。

图9 优化后的线路电流变化曲线

利用MATLAB/Simulink自带的快速傅里叶变换（FFT）快速分解模块对电流曲线进行分析可得，在加入Buck变流模块后，CCM模式工作状态下的系统可以有效地抑制电源谐波，传统牵引供电模式下的谐波分析如图10所示，优化升级后的牵引供电系统的谐波分析如图11所示。以此来更好地去维护城市轨道交通电力客车的安全运行。

图10 传统牵引供电系统的电源谐波

图11 优化后的牵引供电系统的电源谐波