（电力电子与电力传动专业论文）城市轨道交通地面电阻制动系统的仿真模型设计与研究.pdf

j b 立銮适太堂亟堂僮i 金塞缱s 婴坠! a b s t r a c t a b s t r a c t ：n o w a d a y s ，r e g e n e r a t i o nb r a k i n gh a sb e e nw i d e l yu s e di ne l e c t r i c r a i l w a ya n du r b a nr a i lt r a n s i t0 r m 3d u e t oi t sc h a r a c t e r ss u c h 私e a s i l yc o n t r o l l i n g a n de n e r g ys a v i n g r e s i s t o ro i lb o a r di s u s u a l l yu s e d t oa v o i di n v a l i d a t i o no f r e g e n e r a t i o n t h i sm e t h o dh a ss o m ed i s a d v a n t a g e ss u c ha si n c r e a s i n gw e i g h to f v e h i c l e s a n di n c r e a s i n gt e m p e r a t u r er i s i n gi nt u n n e l s o ，i no r d e rt oa v o i dt h o s ep r o b l e m s , t h e g r o u n d i n gr h e o s t a t i cb r a k i n gh a db e e na p p l i e di nc h i n aw h e nt h ef i r s tl i n e a rm e t r ow a s i n t r o d u c e d g u e n g z h o ul i n e 4 e x 缸ar e g e n e r a t i o ne n e r g yi sc o n s u m e db yt h ed e v i c e o ng r o u n dt o g e t h e r i nt h i sp a p e r , t h ec h a r a c t e r i s t i ca n do p e r a t i o np r i n c i p l eo f t h eg r o u n d i n gr h e o s t a t i c b r a k i n ga r ed e s c r i b e di nd e t a i l o nt h ep r o b l e mt h a th o wt oa l l o c a t ea n dd e c i d et h e p o w e ro fg r o u n d i n gr h e o s t a t i cb r a k i n gd e v i c e s ，as i m u l a t i o nm o d e lo ft h eu r b a nr a i l t r a n s i tw i t hg r o u n d i n gr h e o s t a t i cb r a k i n gi si n t r o d u c e d c o n s i d e r i n ga l le f f e c t so ft h e f a c t o r ss u c ha st r a i nr u n n i n gg r a p h , f e e d i n gl i n er e s i s t a n c e ，o p e r a t i o nv o l t a g eo ft h e d e v i c ea n ds oo n b e c a u s et h ec h a r a c t e r so ft h em o d e la r e t i m e - c h a n g i n g a n dn o n - l i n e a r , n e w t o n - r a p h s o ni t e r a t i v ea l g o r i t h mi si n t r o d u c e dh e r e t h e ni m p o r t a n tf i g u r e sc a nb e g o t t e ns u c ha so u t p u tb r a k i n gp o w e ra n do u t p u tv o l t a g e t h er e s u r so ft h es i m u l a t i o n a r en o to n l yi m p o r t a n tf o r t h es t u d yo fg r o u n d i n gr h e o s t a t i cb r a k i n gb u ta l s ou s e df o r t h ea n a l y s i so f e n e r g yc o n s u m i n go f t h es y s t e m s i m u l a t i o nh a sb e e nd o n eb a s e do nt h eg u a n g z h o us u b w a yl i n e 4 t h ea v e r a g ea n d a m p l i t u d eo fb r a k i n gp o w e rh a sb e e ng o t t e na f t e rc o n s i d e r i n ga l lt h ef a c t o r s f u r t h e r r e s e a r c hh a sb e e nd o n ea b o u tt h ee f f e c tf a c t o r ss u c ha st r a i nr u n n i n gg r a p h ，r e s i s t a n c eo f l i n e ，s y s t e mv o l t a g ea n ds oo i l t h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v i d ea l li m p o r t a n tb a s i sf o r t h e g r o u n d i n gb r a k i n gd e v i c ec a p a c i t ys e t t i n ga n dl o c m i o no f g u a n g z h o ul i n e4 k e y w o r d s ：u r b a nr a i lt r a n s i t ：g r o u n d i n gr h e o s t a t i cb r a k i n g ；r e g e n e r a t i o n b r a k i n g ；s i m u l a t i o n ；n e w t o n - r a p h s o nr e r a t i v ea l g o r i t h m c l a s s n 0 ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位敝储签名及辑 、 签字日期：2 叫年2 月2 汩 导师签名：移矸年 签字日期：唧年工月哆：日 ：e 立窒通盍坐亟堂位论塞独鱼尘睦直明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了访 意。 学位论文作者签名：& 码拿签字只期：砂一年亿月2 汨 6 1 致谢 本论文的工作是在我的导师杨中平副教授的悉心指导下完成的，杨中平副教 授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两 年来杨中平老师对我的关心和指导。 杨中平副教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都 给予了我很大的关心和帮助，在此向杨中平老师表示衷心的谢意。 游小杰教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，靳小亮、孙瑞、王雪迪等同学对我论文中的 研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的父亲母亲，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的 学业。 j e 塞銮道盔堂亟雯僮i 佥奎 绻监 l 绪论 1 1轨道交通制动系统概况 城市轨道交通 1 1 【2 】一般采用全封闭道路，立体交叉，自动信号系统，轻型快速 电力动车组。为了保障城市轨道交通安全可靠运行，必须设有制动装置。以使电 动车组迅速地减速和停车；防止在下坡道上运行时的速度增加；以及避免停放时 因重力或其他原因溜车。 城市轨道交通站距小，启动停车很频繁。为提高运行速度，除了启动快，还 要求制动距离短。此外，客流在不同时间段有较大的差别，所以制动系统需有空 重车调整装置。总结起来，城市轨道交通的制动系统应具备以下条件： 1 ) 具有足够的制动力，保证在规定距离内停车。 2 ) 操作灵活，制动速度快，作用灵敏可靠。 3 ) 列车前后作用一致，避免过大的冲动，根据客流，具有空重车调整。 4 ) 在长大下坡道上运行时，其制动力不会衰减。 5 ) 应设有紧急制动，在紧急情况下产生最大制动力。 5 ) 结构简单，作用可靠，坚固耐用，检修维护方便。 现今大部分的车辆都已采用了交流传动牵引。交流传动车辆的制动方式可以 简单按下图所示分类【3 】。 厂闸瓦制动 厂摩擦制动i 盘形摩擦制动 l 磁轨摩擦制动 厂电阻制动 交流传动车辆i广电力制动再生制动i 的制动方式ll 能量回馈制动 l 龟气制动广轨道涡流制动 l 电翳娑流l 盘形涡流制动广电磁涡流制动 制动l 蒲形涡流制动i “”“。 l 冰磁式涡流制动 图1 - 1 目前交流传动车辆的主要制动方式 f i g 1 一l m a i n a c d r i v e v e h i c l e b r a k i n g m o d e la t p r e s e n t 摩擦制动 列车的动能通过摩擦转变为热能。城市轨道交通车辆常用的摩擦制动方式有 闸瓦制动和盘形制动。 a 闸瓦制动：又称为踏面制动。它是最常用的一种制动方式。在闸瓦制动方式 j e 塞銮适盘堂亟堂僮淦塞绪途 中的停车制动时，列车的动能在很短时间内均转化为热能，但其散热能力相对较 小。当要求的制动功率较大时，有可能造成发生的热能来不及散于大气，而在闸 瓦与车轮踏面积聚，使它的温度升高，严重的甚至会导致闸瓦融化( 铸铁闸瓦) 或车轮踏面产生裂纹等。因此，在采用闸瓦制动时，制动功率不宜过大。 b 盘形制动：它有轴盘式和轮盘式之分。一般拖车采用轴盘式盘形制动装置， 对于动车由于轮对中间设有牵引电机等设备使安装制动设备较困难，一般采用轮 盘式盘形制动装置。制动时，制动缸通过制动夹钳使闸片夹紧制动盘，在闸片与 制动盘问产生摩擦，把电动车组的动能转变为热能，热能通过制动盘和闸片散于 大气。因盘形制动能双向选择摩擦副，所以可以得到比闸瓦制动大得多的制动功 率。 c 磁轨制动：磁轨制动( 摩擦式轨道电磁制动) 是通过电磁铁上的磨耗板与 钢轨之间的滑动摩擦产生制动力，并把列车动能变为热能，消散于大气。 与闸瓦和盘形制动相比，磁轨制动的优点是，它的制动力不是通过轮轨粘着 产生的，自然也不受该粘着的限制。高速列车加上它，就可以在粘着力以外再获 得一份制动力，使制动距离不至于太长。磁轨制动的不足之处是，它是靠滑动摩 擦来产生制动力的，电磁铁要磨耗，钢轨的磨耗也要增大，而且，滑动摩擦力无 论如何也没有粘着力大。 所以，磁轨制动只能作为紧急制动时的一种辅助的制动方式，用于粘着力不 能满足紧急制动距离要求的高速列车上，在施行紧急制动时与闸瓦( 或盘形) 制 动一起发挥作用。 电( 动力) 制动 电( 动力) 制动是在制动时，将牵引电机变为发电机，使列车动能转化为电 能。对这些电能的不同处理方式形成了不同方式的电制动。城市轨道交通车辆上 采用的电制动形式主要有电阻制动和再生制动。此外还有反接制动和高转差率制 动等嗍【5 】。 a 电阻制动：将发电机发出的电能送到电阻器中，使电阻发热，即将电能转化 为热能。电阻器上的热能靠风扇强迫通风或走行风散于大气中。电阻制动一般能 提供较稳定的制动力，但车辆底架下需要安装体积较大的电阻器。这种制动方式 增加车辆重量和隧道温升。 b 再生制动：在以上的各种制动方式中，列车具有的动能最终都转化为热能而 消散于大气中。再生制动是把列车的动能转化为电能后，再使电能反馈回电网供 给其它列车使用。这种方式既能节约能源，又减少制动时对环境的污染，并且基 本上无磨擦损耗。因此是一种比较理想的制动方式。但再生制动的节能效果并不 是任意条件下都可以体现的，这种制动方式还存在着再生制动失效的问题，所以 j e 基銮遒太堂亟堂焦论塞 绪论 很多时候它需要和其它制动方式配合使用。本章第二节会对这种制动方式进行详 细介绍。 电磁涡流制动 a 轨道涡流制动 轨道涡流制动又称线性涡流制动或涡流式轨道电磁制动。它与上述磁轨制动 ( 摩擦式轨道电磁制动) 很相似，也是把电磁铁悬挂在转向架侧架下面同侧的两 个车轮之间。不同的是，轨道涡流制动的电磁铁在制动时只放下到离轨面几毫米 处而不与钢轨接触。它是利用电磁铁和钢轨的相对运动使钢轨感应出涡流，产生 电磁吸力作为制动力，并把列车动能变为热能消散于大气。 轨道涡流制动既不通过轮轨粘着( 不受其限制) ，也没有磨耗问题。但是，它 消耗电能太多，约为磁轨制动的l o 倍，电磁铁发热也很厉害，所以，它也只是作 为高速列车紧急制动时的一种辅助制动方式。 b 旋转涡流制动 旋转涡流制动( 涡流式圆盘制动) 是在牵引电动机轴上装金属盘，制动时金 属盘在电磁铁形成的磁场中旋转，盘的表面被感应出涡流，产生电磁吸力，并发 热消散于大气，从而产生制动作用。 与盘形制动( 摩擦式圆盘制动) 相比，旋转涡流制动( 涡流式圆盘制动) 的 圆盘虽然没有装在轮对上，但同样要通过轮轨粘着才能产生制动力，也要受粘着 限制。而且，与轨道涡流制动相似，旋转涡流制动消耗的电能也太多。 轨道交通车辆制动模式设计 所谓制动模式，即指列车在常用制动、紧急制动以及停放制动等各种情况下， 应采用什么样的制动方式组合( t g 包括某一种单独制动方式) 更加合适。选择合 理的制动模式，对节能、减少维护费用和时间、提高乘坐舒适度都有着重要的意 义。 目前，世界上大多数城市轨道交通车辆采用这样的制动方式：常用制动时一 般优先使用电制动，列车制动所需不足的制动力由空气制动装置提供，这种制动 方式称为电空联合制动；列车紧急制动时，一般不使用电制动，而由空气制动单 独提供紧急制动力。 在对制动系统的功能和性能的要求方面，例如车辆必须具有足够的制动力， 保证在规定距离内停车；系统操作灵活，作用灵敏可靠等等。如表1 1 为以直线电 机牵引为例的广州地铁4 号线的车辆制动模式建议表【“。可以看出再生电制动被作 为主要的制动方式优先采用。 下面将详细介绍再生制动原理及其在城市轨道牵引中的应用。 韭塞交道盘堂砸堂僮论窒绪途 表1 - 1 广州4 号线制动模式建议 制动类别 制动模式 常用制动紧急制动停放制动 模式i再生+ 地面电阻+ 反接+ 空气空气+ 再生 空气或弹簧 模式i i同上空气空气或弹簧 模式i 同上空气+ 磁轨空气或弹簧 1 2再生制动在轨道交通制动系统中的应用 1 2 1再生制动原理及其在应用中受到的制约 地铁车辆运行过程中，以直线电机为例，定义电机的转差率s 为： s ：堡! ( 1 1 ) 其中，协：电机同步速度( r n s ) ： v ：电机运行速度( m s ) 。 控制定子频率降低，使得运行速度高于同步速度，即转差率s o 。牵引变电所对外输出功率。 i i 特性曲线对应：电流f = o 。变电所整流器被反向阻断。变电所内的支撑 电容c 开始充电，线网电压开始升高。电路拓扑中体现为高阻状态。 特性曲线对应：电流i 0 ，使 咿( x ) - f ( ，) 临工i i x - - x * i | ，溉e s ( 3 - 3 1 ) 则迭代序列至少平方收敛。可以看出牛顿法有收敛快的好处。 而且一般来说，对于牛顿法的一个不方便之处是每次迭代对雅可比矩阵的求 解。然而如果使用m a t l a b 软件编程，可以充分利用m a t l a b 软件强大的矩阵运算能 力方便求得雅可比矩阵。 然而牛顿法应用在轨道交通供电系统网络结构的求解时，存在两个突出且不 可忽略的问题，其一是牛顿法求解要求迭代初值x o 要与精确解工+ 很靠近才收敛。 其二是当雅可比矩阵f | f 1 奇异或病态时，计算无法进行。为了解决这两个问题， 下面从两方面对牛顿法进行了改进： 牛顿下山法： 针对牛顿法对初始z o 的限制，在牛顿法( 3 - 2 9 ) 中引入了松弛参数，利用下 降珐得到一种具有大范围收敛的牛顿下降法。 在牛顿法式( 3 - 2 9 ) 中引入松弛参数0 鳞，得到： 韭立交塑丕堂亟生僮诠塞豆逋堡电回跬数笾墓搓型揸蕉 “”= ，一纬f x ) 一f ( ，) ，k = o ，1 ( 3 3 2 ) 通常取0 c o , s i ，使它满足： 0 f ( x “1 ) 删f ( x ) 0 ( 3 3 3 ) 方法( 3 3 2 ) 称为牛顿下山法。一般牛顿法并不保证( 3 3 3 ) 成立，对式( 3 3 2 ) ， 由于大部分情况下可选择适当q 使式( 3 3 3 ) 成立，因而对初始值p 没有本质限 制，因此，本方法得到的迭代序列具有大范围收敛性。用式( 3 3 2 ) 求根时，每步 分别取他= 1 ，1 2 ，l 4 ，直到式( 3 3 3 ) 满足，这样就算工作量增加，并且只 有线性收敛，此方法的优点就是克服了牛顿法选取初始近似的困难。 另外，为了控制松弛参数太小而导致r 原地踏步的情况发生，常用一个较小 的正数来控制魄，当小于这个小正数，则说明下山法失败，应该考虑另选初值重 新计算。 阻尼牛顿法： 使用牛顿法( 3 3 0 ) 的另一个限制就是要求，i x ( ”l 非奇异非严重病态，否则 都不能使迭代进行下去，为解决这个问题，可在式( 3 2 9 ) 中引入参数五，使迭 代序列改为： 工“1 = 一if ( ) + 五，f ( ) ，k = 0 , 1 ， ( 3 3 4 ) 称为阻尼参数，方法( 3 3 4 ) 称为阻尼牛顿法。适当选取 可使f ( 矿) + 疋， 非奇异，非病态，从而使迭代解序列有意义。但这时只有线性收敛速度。 阻尼系数的牛顿下山迭代法； 结合以上各种方法，得到改进后的带阻尼系数的牛顿下山迭代法： “= q ，i ( x k ) + 五叮f ( ) ( 3 3 5 ) 图3 1 3 给出了带阻尼系数的牛顿下山迭代法仿真的程序流程图。 这个程序由m a t l a b 软件中的m 语言编程实现。作为一个独立的程序，进行 整个电路拓扑节点电压方程求解时被随时调用。 另外，该程序具有通用性，可以方便的应用在本软件之外的任何一个非线性 方程组的求解中，经过验证，该算法求解速度快，收敛性能好。 最后，图3 1 4 给出了地面制动电阻系统模型仿真的程序流程图。这也是g r b s s 仿真软件的核心部分。通过对线网电压和电流的合理判断，及时引入地面制动电 阻，吸收线网多余的再生能量。输出结果不仅可得到地面制动电阻的制动功率波 形，还可得到线网各点电压波形，以及各变电所的输出功率波形。 j e 夏交适盔星亟堂焦监塞 直流世电回跬的笾真搓型整建 图3 1 3 带阻尼系数的牛顿下山迭代法仿真程序流程图 f i g 3 1 3t h ef l o wc h a r to f t h en e w t o n - i t e r a t i v ea l g o r i t h ms i m u l a t i o n j e 夏窑塑太茔亟堂垃j 金童 直逋送电回照的笾真搓型揸建 图3 1 4 地面制动电阻系统模型仿真的程序流程图 f i g3 1 4t h ef l o wc h a r to f t h eg r o u n d i n gr h e o s t a t i cb r a k i n gs i m u l a t i o n 3 5本章小节 本章对城市轨道交通地面电阻制动系统的建模过程进行了详细描述。不可逆 整流牵引变电所等效为电压源和电阻相串连。运行中的列车等效为随时间变化的 受控电流源。地面制动装置等效为可调电阻，根据控制策略，在需要对多余的再 生能量进行消耗的时候引入电路。仿真过程中，电路拓扑结构随时间而变化。 本章对列车的牵引计算进行了描述，并编制了牵引计算程序。进一步对城市 轨道地面电阻制动系统的仿真给出了控制策略，编写了g r b s s 仿真软件。 j e 塞窑道丕堂亟堂僮论塞 直逋堡垒回蹬的鱼真搓型揸建 由于该系统的时变性和非线性特点，对电路拓扑进行求解时，本章编制了一 种改良后的牛顿迭代法一带阻尼系数的牛顿下山法，对电路拓扑进行求解。解决 了在迭代过程中遇到的初始值选择范围小或出现病态矩阵而带来的迭代序列不收 敛问题。该程序也可用在其它非线性大型稀疏矩阵的求解中。 j t 基窑适丕堂塑兰僮监塞 亡捌地筮4 墨线塞隧线堕筮蚯 4 广州地铁4 号线实际线路分析 在第三章中建立了城市轨道交通地面电阻制动系统的仿真模型。在这本章， 基于广州4 号线大学城专线的实际线路参数，对制动电阻容量和位置设置等重要 问题进行了研究。 四号线规划全长8 1 9 6 公里，一期大学城试验段( 万胜围至新造) 已于2 0 0 5 年1 2 月2 6 日开通试运行。四号线是全世界首个采用中大运量直线电机运载系统 的线路，也是广州市轨道交通线网中第一条有高架线的线路。根据规划，将来四 号线将从萝岗直通南沙，预计于2 0 1 0 年6 月底开通运行。， 本文的仿真分析即针对万胜围站到新造站( 大学城专线段) 。如图4 - 1 所示。 4 1线路条件 图4 - l 广州地铁线路规划固 f i g 4 1o m g z h o um e t r ol i n ep l a n sm 印 图4 - 2 广州地铁4 号线大学城专线示意图 f i g 4 - 2t h es k e t c ho f t h eg u a n g z h o um e t r ol i n e 4 a e 塞銮道塞堂亟堂焦途塞= 划丝筮! 曼线塞呸缮蹬佥蚯 图4 2 为大学城专线车站设置示意图。分上行线( u p l i n e ) 和下行线( d o w n l i n e ) ， 其中： 车站( s t a t i o n ) 设置：车陂南( a ) 、万胜围( b ) 、官州( c ) 、北亭( d ) 、南 亭( e ) 、新造( f ) 。 线路条件如下表4 - 1 ，包括线路长度、线路坡度： 表4 - 1 大学城专线线路条件 位置( 米) 01 0 03 5 07 0 01 1 0 01 8 0 02 0 0 02 1 7 0车站 坡度( 千分数) - 22 2 ，13 7 2582 83 a t o b 位置( 米) z ，0 1 2 2 7 0 1 2 6 6 1 ， 3 4 2 5 1 4 1 3 0 i 4 3 4 04 8 8 0 s z ，0 i s ，叫s s s 。 车站 ll 坡度( 千分数) 38 2 33 1 61 34 62 2 84 13 73 b t o c 位置( 米) 5 8 5 05 9 5 06 3 0 06 6 3 06 9 6 07 2 5 0 车站 坡度( 千分数) 32 754 3 33 c t 0 d 位置( 米) 7 2 5 07 4 3 08 1 2 08 9 5 09 2 5 09 3 9 0 车站 坡度( 千分数) 34 55 43 4 13 d t o e 位置( 米)9 3 9 0 | 9 5 0 0 9 8 5 01 0 7 0 01 1 1 0 01 1 4 1 01 1 5 7 01 1 6 8 0车站 l 坡度( 千分数) - 38- 3 3 9- 4 2 1 5 0 83 e t o f 变电所位置： 万胜围( b ) 、官州( c ) 、南亭( e ) 、新造( f ) 。 列车停站时间： 表4 - 2 列车停站时间表 地面制动电阻( g r bd e v i c e ) ： 地面电阻制动装置设嚣安装地点分别设置牵引降压变电所内。电阻柜安装在 户外，控制部分布置在户内。电阻柜的安装地点与供电站的距离不超过2 0 0 m 。 a 夏窑迪盔堂亟主堂焦迨塞 亡丛地迭4 曼绫塞匝线路盆蚯 表4 3 所示为广州4 号线大学城线路的基本参数以及大学城专线上运行车辆的 基本参数，这些参数作为仿真和研究的依据。 图4 3 广, k l 、i 四号线直线电机牵引特性曲线。图4 4 广州四号线直线电机制动 特性曲线。 表4 - 3 基本条件 t ，出l e 4 3b a s i cc o n d i f i o n s 名称条件 线路 广州4 号线大学城专线( 总长1 1 6 8 k i n ，6 个车站) 列车编组 四辆车编组的全动车4 m ( a b b a ) 载荷条件a w o ：1 1 5 2 6 t ： a w 2 ：1 7 0 3 4 t ：本仿真采用a w 2 参数 a w 3 ：1 9 4 3 4 t 。 列车最高速度 9 0 k m h 启动平均加速度1 o m s 2 常用制动减速度1 o m s 2 紧急制动减速度1 3 m s 2 列车基本阻力r = 2 0 2 8 6 + 0 3 8 2 2 v + 0 0 0 2 0 5 8 v 2 ( n t o n ) r ：列车阻力；v ：列车速度( k m h ) 启动阻力 4 9n t o n ( = 5 k g f t o n ) 回转质量系数 3 5 列车辅助机电设备消耗( 照明，空调，设备通风) ：4 4 5 5 k w 列车牵引制动特性见图乒3 与图4 4 车辆运行模式牵引一惰行一制动 供电方式 车辆段：柔性架空接触网；隧道内、高架地段：第三轨 牵引网电阻钢轨：o 0 1 3 7 q k m ；接触网：o 0 4 4 8 q k m 供电系统线网电压牵引时：d c l 5 0 0 v 制动时：d c l 6 5 0v 电压波动范围 d c1 0 0 0 v 1 8 0 0 v 韭基銮适达堂亟堂僮途塞亡心地煞4 呈缝塞匠线路佥圭匠 图4 _ 3 广州地铁四号线直线电机牵引特性曲线 图4 - 4 广州地铁四号线直线电机制动特性曲线 f i g 4 - 4l i mb r a k i n gp e r f o r m a n c eo f g u a n g z h o ul i n e 4 j e 塞銮道太堂亟堂焦迨塞 亡趟地筮4 量线塞匿线路盆握 图4 - 5 为根据广州地铁4 号线实际数据建立的相应整个供电网络结构图。其中 第三轨电阻用墨。一置：。与置厂墨：。表示，回流轨电阻用z l 。z 1 ：。与z i 。z l ：庆 示。它们的值与仿真时刻该区间是否有列车以及列车的分布位置有关。f 1 、r 2 、r 3 、 r 4 表示地面制动电阻装置，开关合上表示仿真实例中该变电所内的制动电阻可以 在需要工作时投入工作。开关打开表示仿真实例中该处无地面制动电阻可以投入 工作。 图4 r 5 广州地铁4 号线大学城专线等效电路图 f i g 4 1 5e q u i v a l e n tc i r c u i to f 6 u a n g z h o ul i n e 4 4 2 既有线路条件下的仿真结果 4 2 1 牵引计算结果 由图3 - 2 也可看到，牵引计算是后面仿真计算的基础。在进行研究之前，首先 对广州地铁4 号线大学城专线进行了牵引计算仿真。列车运行采用“牵引一惰行 一制动”的运行模式。 如图4 6 为下彳亍线列车从新造( f ) 站到车陂南( a ) 站的时间坦j 离曲线。如 图4 7 为新造( f ) 站到车陂南( a ) 站的速度一时间曲线。图4 8 为整个运行区间 新造( f ) 站到车陂南( a ) 站的功率一时间曲线图。图4 _ 9 为上行线列车从车陂南 c a ) 站到新造( f ) 站的功率时间曲线图。 i e 夏窑亟丕里亟堂焦途童亡纠丝筮4 曼线塞匝线路佥逝 。 ， 厂 】”护1 4 孵8 2 ：妒”op “, 4 0 0 j “蝣雠! 鬻”5 o 弼7 4 0 ”翻x # 氯撼 赫憾躺撼j ，一+ * t + w m 猢辩端j 撼一i ，h 图4 - 6 为新造站到车坡南站的时间一距离曲线 f i g 4 6d i s t a n c ev st i m eo f f t oa 图4 7 为新造站到车坡南站速度一时问曲线 f i g 4 - 7v e l o c i t yv st u n eo f ft oa 圈4 _ 8 为新造站剑车坡南站功率一时间曲线圈 f i g 4 - 8p o w e r v st i m ec u r v eo f ft o a j e 基至壅本生亟堂焦途塞亡趔丝迭4 曼线塞匪线堕筮蚯 7 一j 。，舻”：。+ “t - p 曲统车坡商砷新造i 一”+ ：警萨每1 一鬻? “ q l l i - - - 一 6 1 。 |。- |f t 4 ；，“ 妻毒 昱： 1 ； ，r_ _ _ _ 一 * 毡 f r | o l 。 ”。 ? 。1 0 饿势们0 矩：嘲。铷黟缈4 垮“s 0 旺“一“6 0 0 ”叼警鼠 。i 一# 摄帅t j ， _ jm 甘m 氍e i i i ： 、? # _ # 黜一嵩t 图4 - 9 为车陂南站到新造站功率一时间曲线圈 f i g 4 - 9p o w e r v st i m ec u r v eo f at of 4 2 2 地面电阻制动系统仿真模型( g r b s s ) 输出 由图3 2 所示g r b s s 结构框图可以看出，基于牵引计算结果以及控制策略等 其它仿真条件的输入，可以直接得到如下仿真数据结果： 1 ) 线路各点网压 包括变电所输出电压波形以及任意列车受电弓电压波形图。通过检测这些数 据，我们可以对地面电阻制动效果进行验证。如果电压波动在安全范围内( 1 0 0 0 v 1 8 0 0 v ) ，表示地面电阻制动效果良好，可以有效防止再生失效。反之，如果通过 对线网各点电压的检测，发现波动有超出1 8 0 0 v 的受电弓电压，说明该时刻再生 列车会发生再生制动失效。 2 ) 地面制动电阻( g r b ) 制动功率波形 通过该波形图，可以得到地面制动电阻制动峰值功率和平均功率。 3 ) 变电所输出功率波形 由于仿真对象为不可控整流变电所，所以变电所只有正向功率输出。基于这 些数据，我们可以对系统能耗进行分析研究，也可以以系统能耗输出为目标，对 地面电阻制动系统进行优化控制，进一步优化地面电阻制动控制策略【3 0 】。 仿真基本参数： 地面制动龟阻g r b 设嚣位置：万胜围( b ) 、官州( c ) 、南亭( e ) 、新造( f ) 。 也就是在现有线路的每所变电所内都安装了地面电阻制动装置g r b 。 发车间隔：取最长发车时间7 m i r a 变电所参数：额定输出电压砌= 1 5 0 0 v ；空载电压殆= 1 5 9 3v ：a u = 5 0 v 4 a e 丞銮道叁堂亟堂焦途塞亡捌丝迭4 曼缮塞匪线蹬筮逝 仿真时间：一个稳定运行周期t 内，7 r a i n ： 仿真步长：o 2 s ； 列车运行图如图4 1 0 所示。从图中可以看出，任意时刻线路上最多同时有4 ，、 阏 鬟1 0 0 0 0 i i 一 厂 蘩t 么。k 、 8 0 0 0 j ( - j 翟o o b d 、 荔 ， 羹4 。甓口 - 影2 0 0 0 霪。 鸶、0 ”j2 0 0 ”；一4 0 08 3 “8 礼乎。：je 喇；1 0 0 0 露船孙痂# _ 赫一 ? * 删一? + 。 + r u n n i n g 印，吲夥嗨一，“搿“t 。# 游 图4 - 1 0 发车间隔为7 分钟的列车运行图 f i g 4 1 0t h et r a i nr u n m n gd i a g r a mw h e nh e a d w a yi s7 m i n 仿真结果： 电压波形： 如图4 - l l ( a ) 、4 - 1 1 ( b ) 、4 - 1 1 ( c ) 、4 - 1 1 ( d ) 分别为变电所万胜围( b ) 、官州( c ) 、 南亭( e ) 、新造( f ) 各站的输出电压波形图。图4 1 2 为仿真过程中检测到的沿线 各列车受电弓电压向上波动最大的电压波形图。结果显示整个线网电压波动在安 全范围p q ( 1 0 0 0 v - 1 8 0 0 v 内) 。 4 - l l ( a 1 万胜围( b ) 变电所输出电压波形 f i g 4 - 1 1 ( a ) t h ev o l t a g ew a v eo f s u b s t a t i o nb j 丞窑逗盔堂亟堂僮盗墓 ：捌丝堡曼绫塞匝线路筮蚯 4 1 l ( b ) 官州( c ) 变电所输出电压波形 4 - 1 1 ( c ) 南亭( e ) 变电所输出电压波形 4 - l l ( d ) 新造( f ) 变电所输出电压波形 f i g 4 1 l ( d ) t h ev o l t a g ew a v eo f s u b s t a t i o nf g r b 功率波形： 如图4 - 1 2 ( a ) 、4 - 1 2 ( b ) 、4 - 1 2 ( c ) 、4 - 1 2 ( d ) 分别为变电所b 、c 、e 、f 内设 置的制动电阻制动功率波形图。 i e 丞銮望盘堂亟堂僮途塞 亡烟丝继4 曼线塞匪缮堕筮逝 4 - 1 2 ( a ) 万胜围( b ) 电阻制动功率波形 f i g 4 1 2 ( a ) t h eb r a k i n gp o w e rw a v eo f g r b - b 4 - 1 2 ( b ) 官州( c ) 电阻制动功率波形 f i g 4 1 2 c o ) t h e b r a k i n g p o w e r w a v e o f g r b - - c 4 1 2 ( c ) 南亭( e ) 电阻制动功率波形 f i g 4 - 1 2 ( c ) t h eb r a k i n gp o w e r w a v eo f g r b e 韭塞窑垣盔堂亟堂焦监塞亡趔垫迭呈缮塞隧线堕盆辑 4 1 2 ( d ) 新造( f ) 电阻制动功率波形 f i g 4 1 2 ( d ) t h eb r a k i n gp o w e rw a v eo f g r b - f 变电所功率输出波形： 如图4 - 1 3 0 ) 、4 - 1 3 ( b ) 、4 - 1 3 ( c ) 、4 - 1 3 ( d ) 分别为变电所b 、c 、e 、f 输出 功率波形图。可以看出，变电所只正向输出功率。 4 - 1 3 ( a ) 万胜围( b ) 变电所输出功率波形 f i g 4 1 3 ( 8 ) t h eo u t p u tp o w e rw a v eo fs u b s t a t i o nb 4 一1 3 ( b ) 官州( c ) 变电所输出功率波形 f i g 4 1 3 ( b ) t h eo u t p u tp o w e rw a v eo f s u b s t a t i o nc j e 塞銮垣厶堂亟堂焦途塞亡幽丝毯墨绫塞匠线照筮蚯 4 - 1 3 ( c ) 南亭( e ) 变电所输出功率波形 f i g 4 1 3 ( c ) t h eo u t p u tp o w e rw a v eo f s u b s t a t i o ne 4 - 1 3 ( d ) 新造( f ) 变电所输出功率波形 f i g 4 1 3 ( m t h e o u t p u t p o w e r w a v eo f s u b s t a t i o n f 能耗计算： e ( 玎) ：芝r o ，“) l o ，“) a t ( 4 1 ) e ( s u b ) = 兰r k ( “) l ( f ，“) 出 ( 4 - 2 ) 式( 4 一1 ) 中，e ( r r ) 表示一个仿真周期r 内，m 个地面制动装置总共消耗的电能。 o ，“) 表示f 时刻第u 个制动电阻的电压，厶( f ，u ) 表示t 时刻第”个制动电阻的电 流。 式( 4 - 2 ) q = ，e ( s u b ) 表示一个仿真周期r 内，个变电所总共输出的电能。 k ( t ，“) 表示t 时刻第u 个变电所的输出电压，o ，“) 表示t 时刻第个变电所的输出 电流。 平均制动功率和峰值功率： 设仿真周期为r ，那么地面制动电阻的平均制动功率为： 【v ( t ) l ( t ) d t p = j l 一 r ( 4 3 ) 式( 4 3 ) 中，v ( t ) 为t 时刻地面制动电阻上电压，( f ) 为t 时刻地面制动电阻上 流过的制动电流。 j e 塞窑垣鑫宝亟堂焦论塞 亡捌垫迭曼缮塞匠缮堕筮盘 通过仿真计算，我们分别得到了各站变电所内制动电阻装置的平均功率和峰 值功率如表4 - 4 所示。 表4 _ 4 制动装置的平均功率和峰值功率值 g r b bg r b cg r b eg r b f 平均功率( k w ) 8 8 71 3 6 0 28 7 4 4 4 4 3 峰值功率( k w ) 1 0 9 1 4 22 5 1 6 1 34 1 3 6 1 62 4 3 5 2 6 4 3影晌制动装置容量的因素研究 4 3 1 列车运行图对装置容量的影响研究 为了对列车运行图对装置容量的影响进行研究，本论文分4 种情况改变列车 运行图，分别对广州4 号线大学城专线进行了仿真。 基本参数： 仿真目录如表4 - 5 所示。 表4 - 5 仿真目录 t 如l e 4 5s i m u l a t i o ni t e m s 发车间隔上行线与下行线首发车的发车间隔 e a s e l 13 分钟0 分钟( 即上行线与下行线同时发车) e a s e l 27 分钟 0 分钟( 即上行线与下行线同时发车) e a s e l 一37 分钟 4 分钟( 即下行线比下行线晚4 分钟发车) e a s e l 一4 7 分钟1 1 7 分钟( 即下行线比下行线晚1 1 7 分钟发车) 地面制动电阻g r b 设置位置：万胜围( b ) 、官州( c ) 、南亭( e ) 、新造( f ) 。 也就是在现有线路的每所变电所内都安装了地面电阻制动装置g r b 。 变电所参数：额定输出电压v n = 1 5 0 0 v ；空载电压v s = 1 5 9 3 v a u = 5 0 v 仿真时间：一个稳定运行周期t 内，即3 分钟和7 分钟： 仿真步长：0 2 秒； 列车运行图分别如图4 - 1 4 ( a ) 、4 - 1 4 ( b ) 、4 - 1 4 ( c ) 、4 - 1 4 ( d ) 所示。 j 立交适盘堂亟堂焦诠塞 亡世l 丝毯! 墨鸶塞匪缮整岔监 4 - 1 4 ( a ) c a s e l 一1 下的列车运行图 4 - 1 4 ( b ) c a s e l - 2 下的列车运行图 f i g 4 1 4 ( b ) t r a i nr u n n i n gd i a g r a mo f c a s e l - 2 4 - 1 4 ( c ) c a s e l 3 下的列车运行图 f i g 4 1 4 ( e ) t r a i nr u n n i n gd i a g r a mo f c a s e l 3 j e 塞窑望态堂亟堂焦论塞 亡捌垫迭呈缝塞匠线跬筮扭 4 - 1 4 ( d ) e a s e l - 4 下的列车运行图 f i g 4 1 4 ( d ) t r a i nr u r m i n gd i a g r a mo f c a s e l 4 仿真结果： 首先验证地面制动电阻防止再生失效的有效性。如图4 - 1 5 为c a s e l 1 发车间隔 3 分钟的时候线网上某列车受电弓电压波形。该处是线网波动最大的电压波形，可 以看出，电压稳定在安全范围之内( 1 0 0 0 v 1 8 0 0 v ) 。 图4 1 5 ：发车间隔为3 分钟时( e a s e l 1 ) 某列车受电弓电压波动图 f i g 4 1 5 v o l t a g e w a v e o f t h e l i n eu n d e r c a s e l 一1 通过对发车间隔7