（电机与电器专业论文）城轨车辆能量回收系统控制策略研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o i ii ii ii i iii i i ii l l li i y 18 3 2 2 2 6 t o n g j iu n i v e r s i t yi nc o n f o r m i t yw i t ht h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo fm a s t e ro f e n g i n e e r i n g t h es t u d yo nt h ec o n t r o ls t r a t e g yo ft h e m e t r ot r a i ne n e r g yr e c o v e r ys y s t e m c a n d i d a t e ：r u w e ns u n s t u d e n tn u m b e r ：0 7 2 0 0 8 0 0 0 5 s c h o o l d e p a r t m e n t ：s c h o o lo fe l e c t r o n i c sa n d t o 一 l i l t o r m a t i o ne n g l n e e n n g 一一 d i s c i p l i n e ：e n g i n e e r i n g 一 一一 m a j o r ： e l e c t r i c a lm o t o ra n d a p p a r a t u s s u p e r v i s o r ：y o n g t a oy a o m a r c h ，2 0 1 0 一 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签 年妇f 步 1 同济大学硕士学位论文摘要 摘要 能源危机及环境污染迫使人们的节能意识提高到了前所未有的高度，各种节 能手段和产品也大量的涌现出来。城市轨道交通作为一种新型、快捷、高效的交 通运营方式，已经被越来越多城市采用。然而作为频繁启停的大功率城市轨道机 车，目前在电制动方式上全部采用纯电阻制动的方式，将电能以发热的形式白白 浪费掉，这种做法明显与时代发展需要不相符，研究再生制动方式有很强的必要 性。 本文研究了以超级电容器组作为储能单元的地铁车辆制动能量回收系统并 初步探索了能量回收的控制策略。在研究的初级阶段，按照城轨交通的实际构成 原理，借助了计算机仿真软件m a t l a b 对城轨交通进行了多种方式的建模。模型 主要包括地铁供电系统模型及地铁车辆模型。对于地铁供电系统模型，主要按照 实际拓扑对其进行纯物理建模，从而能准确反应出其非线性特性。对于机车模型， 分别建立了基于数学关系的数学模型及基于异步电机转子磁链矢量控制的物理 模型。通过细化参数，使模型尽可能准确。通过轨道变电阻模块将机车模型及供 电系统模型连接起来，使接触网压降及车辆动态过程能够相互影响。通过将仿真 波形与现场实测波形进行分析比对，验证了供电系统及车辆模型的准确性良好。 随后，本文通过分析各种工况下信号量特点，提出了城轨车辆制动能量回收系统 的控制策略。通过模拟现场工况，用m a t l a b 状态机对所制定的控制策略进行了 仿真验证。 关键词：地铁，仿真，电机，控制策略 t o n g j iu n i v e r s i t ym a s t e ro fe n g i n e e r i n ga b s t r a c t a b s t r a c t e n e r g yc r i s i s a n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n u r g eh u m a nb e i n gt or a i s e t h e a w a r e n e s so ft h es a v i n ge n e r g yt oau n p r e c e d e n t e dd e g r e e t h ee n e r g yc o n s e r v a t i o n m e t h o d sc o m e si na l lk i n d s a san o v e l ，c o n v e n i e n ta sw e l la se f f e c t i v et r a f f i cw a y , t h e s u b w a yt r a i ni sa d o p t e db ym o r ea n dm o r ec i t i e s h o w e v e r , f r e q u e n t l ys t a r t i n ga n d b r a k i n g , a l ld o m e s t i cs u b w a yt r a i na d o p t e dp u r er e s i s t a n c eb r a k i n gw a y , c a u s i n ga w a s t eo fe n e r g y , w h i c hg o e sa g a i n s tt h eg r o w i n gt r e n d i t sa b o u tt i m ef o rd e v e l o p i n g ai n s t a n tb r a k i n gw a y t h i sa r t i c l ee m b a r kas t u d yo ns u b w a yt r a i nw i mt h es u p e rc a p a c i t o ra st h e e n e r g yr e c o v e r ys y s t e m ，s e e k i n gt h ee n e r g yr e c o v e r yc o n t r o ls t r a t e g yp r e l i m i n a r i l ya s w e l la st h ec o n s t r u c t i o no ft h eu r b a nr a i lt r a n s i ts y s t e m a tt h eb e g i n n i n go f r e s e a r c h , t h es u b w a y s y s t e r ni sm o d e l e dw i t ht h eh e l po f t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o ns o f t w a r e t h e m o d e li sc o m p r i s e do f s u b w a yp o w e rs u p p l ym o d e la n dt r a i nm o d e l a sf o rt h ep o w e r s u p p l ym o d e l ，i t sm o d e l e df r o map u r ep h y s i c a lp e r s p e c t i v es ot h a ti t sn o n l i n e a r c h a r a c t e r i s t i cc a nb er e f l e c t e dc o r r e c t l y m e a n w h i l e , 嬲f o rt h et r a i nm o d e l ，t h em o d e l b a s e do nm a t h e m a t i c a lp r i n c i p l ea n dt h em o d e lb a s e do nr o t o rf l u xv e c t o rc o n t r o li s c o n s t r u c t e dr e s p e c t i v e l y t h em o d e li sm o r ea c c u r a t ev i ac o r r e c t i n gt h ep a r a m e t e r t h e r a i lv a r i s t o rm o d e lc o n n e c tt h et r a i nm o d e lw i t ht h ep o w e rs u p p l ym o d e l ，i nw h i c h w a y , t h en e tv o l t a g ed r o pa n dt h et r a i nd y n a m i cp r o g r e s sc a ni n t e r a c ta n da f f e c te a c h o t h e r t h eg o o dp e r f o r m a n c eo ft h et r a i nm o d e li sp r o v e dt h r o u g hc o m p a r i n gt h e s i m u l a t i o nc u r v ew i 娃lt h ea c t u a lm e a s u r e m e n tr e s u l t c o n s e q u e n t l y , t h i sa r t i c l e a n a l y z e st h ec h a r a c t e ro ft h es i g n a lu n d e rd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n sa n dp r e s e n t c o n t r o ls t r a t e g yo ft h eu r b a nr a i lt r a n s i ts y s t e m v i at h ei m i t a t i o no ft h ec o n d i t i o n so n s i t e , t h ec o m p o s e dc o n t r o ls t r a t e g yi sv e r i f i e db yt h es t a t e f l o wm a c h i n e k e yw o r d s ：m a t l a b ，s i m u l a t i o n ，e l e c t r i cm o t o r , c o n t r o ls t r a t e g y 同济大学硕士学位论文目录 目录 第1 章引言1 1 1 课题背景一1 1 2 城轨交通制动能量回收系统概述一2 1 3 本文研究意义及主要工作3 第2 章城市轨道交通系统的m a t l a b 建模与仿真5 2 1 城轨交通建模的重要性及现阶段发展5 2 2 仿真软件的选取7 2 3 地铁牵引供电建模。7 2 3 1 地铁牵引供电系统拓扑构成及参数7 2 3 2 地铁牵引变电站m a t l a b 建模及参数计算。1 2 2 4 地铁车辆建模17 2 4 1 地铁车辆研究。18 2 4 2 基于交流异步电机的地铁车辆建模l8 2 5 基于外特性的地铁车辆建模3 4 2 5 1 基于外特性车辆建模的优点3 4 2 5 2 单车外特性模型组成3 5 2 5 3 单车外特性仿真结果分析3 9 2 5 4 双车外特性模型组成4 1 2 5 5 双车外特性仿真结果及分析4 2 2 6 外特性仿真与电机仿真的对比分析4 5 第3 章城轨交通的制动能量回收系统设计4 6 3 1 制动能量回收系统的组成4 6 3 2 能量存储器件4 6 3 2 1 能量存储器件简介4 6 3 2 2 超级电容简介4 6 3 2 - 3 超级电容特点4 6 3 2 4 超级电容主要参数4 7 3 2 5 超级电容充放电特性4 8 3 2 6 地铁能量回收装置超级电容器组设计4 8 3 3 直流斩波器4 9 3 3 1 直流斩波器简介4 9 3 3 2 直流斩波器拓扑选择5 0 3 3 3b u c k - b o o s t 运行原理5 1 3 4 投切设备5 4 1 1 i 同济大学硕士学位论文目录 3 5 能量回收系统的安装5 4 第4 章城轨交通制动能量回收系统控制策略5 5 4 1 控制策略目的5 5 4 2 不同工况时信号量特点5 7 4 3 各种工况下的控制策略5 7 4 3 1 制动工况的控制策略5 7 4 3 2 启动工况的控制策略5 8 4 3 3 故障工况的控制策略5 9 4 4 控制策略仿真6 1 4 4 1s t a t e f l o w 介绍6 1 4 4 2 控制策略的s t a t e f l o w 流程图6 2 4 4 3 工况仿真及结果分析6 5 第5 章总结与展望。6 9 5 1 总结6 9 5 2 今后的工作展望6 9 致谢7 0 参考文献7 3 个人简历、在读期间发表的学术论文与研究成果7 3 i v 第1 章引言 1 1 课题背景 第1 章引言 随着国内城市化进程加快，城市人口密度的大规模增长，城市规模日益加大， 城市居民日常出行对整个城市的交通运转系统提出了更高的要求。传统的城市公 交系统有着太多无法克服的弊端，如乘车难、交通拥堵、票价混乱难以管理决定 了它只是一种效率及其低下的城市交通运营方式，必将在未来慢慢淡出历史舞 台。而私家车由于购买及维护费用高、停车难、交通拥堵也很难被大众所接受。 而城市轨道交通系统因为速度快、效率高、易于监控调度、舒适安全被越来越多 的城市所采用，利用轨道交通出行已成为人们首选。作为中国的经济大都市，上 海市早在9 0 年代初就已经建成4 条了城市轨道交通系统。2 0 1 0 年上海世博会提 出“城市，让生活更美好 的口号，表明城市建设应朝着改善城市居住环境、方 便人们日常生活的方向发展。目前超过1 0 条的地铁线路已经在开发或者已经运 营，这些线路覆盖了上海市的全境，甚至会延伸至江苏省境内。 在轨道交通飞速发展的同时，也随之带来一系列新的问题。 首先，地铁车辆与日俱增的能耗与纯电阻的制动方式对该种运营模式的推广 提出了严峻的考验。一般地铁线路，其能耗都是几十甚至上百兆瓦级的，如果大 量建设地铁线路，又给城市供电系统带来了沉重的负担。同时在运行方式上，城 轨车辆不同于铁道车辆，其频繁启制动导致线路上频繁出现制动电流。大幅值、 频繁出现的制动电流如不回收，将会造成极大浪费。制动方式分为电制动及机械 制动，机械制动主要应用在低速停车阶段或者补偿电制动不足的情况，而电制动 又分为电阻制动及再生制动。制动时，电机从电动机状态变为发电机状态，将车 辆的动能转换为电能回馈到供电系统直流电网中去，如果该能量流供给自身照明 及空调用电或者他车的启动用电则被称为再生制动，如果以热量形式被消耗在制 动电阻上，则为电阻制动。实际中，除很小的一部分用于自身的供能外，其余能 量会先被附近的其他车辆所吸收，但前提是附近有其它需能车辆存在，并需要相 应的能量值。当其制动能量无法被完全吸收时，会导致与车辆牵引逆变器并联的 支撑电容上短时间的电荷堆积，形成“泵升 电压，致使直流电压升高，过高的 直流电压会是各部分器件受到损害。因此，当直流电压超过一定值时，必须启用 电阻制动【，将多余的能量转化为热能。现阶段，地铁制动时的可回收能量占牵 引总能量的4 0 ，而通常只有2 0 一8 0 的制动能量被有效利用【2 】，当列车发车间 隔大于l o m i n 时，再生制动能量被吸收的概率几乎为零。同时，以电阻制动耗散 1 同济大学硕士学位论文城轨车辆能量回收系统控制策略研究 的热能造成隧道温升过高，增加了空调通风的负担，造成了能源的二次损耗p j 。 其次，由于运行列车剧增，造成了线路容量不足，引起线路跳闸事故频发， 严重影响了地铁系统的正常运营。以上海地铁一号线为例，其规划容量是由德方 根据1 9 8 3 年的上海市公共交通客运量观测资料设计的，而目前的实际情况是剧 增的客流量远远超过设计时所能预想，大大超过设计容量。而地铁列车的直流电 机改交流电机使这一矛盾进一步激化。 1 2 城轨交通制动能量回收系统概述 综上所述，现有的地铁系统存在较大不足，在制动方式上仍存在较大欠缺， 国外一些大公司正在致力于城轨交通制动能量回收系统的探索与研发，国外多条 地铁线路已经将能量回收装置投入运行，取得良好的效果，北京地铁5 号线也购 买了s i e m e n s 的s i t r a ss e s 系统，现正在安装调试中嘲。城轨交通制动能量回 收系统能将制动能量储存在介质中，在车辆启动时，将介质中的能量重新放出， 供给启动的车辆使用。在城轨交通加装此装置带来以下显而易见的好处： 1 ) 回收装置作为能量缓冲环节，最大限度的利用了制动能量，节省了能源， 降低了损耗，符合节能减排的国策，韩国有研究称，安装有能量回收装置的地铁 系统年可回收价值6 6 2 ，0 9 1 ，7 5 0 韩元的电量，只需2 年便可以收回投入成本临1 。 2 ) 回收装置在车辆启动时分担了变电站负荷，等效于扩充了系统容量，减 少了无故跳闸事件的发生。 3 ) 回收装置由于分担了变电站电流，使变电站内的损耗减少，并减少了由 变电站电流造成的网压降。 4 ) 回收装置在变电站因故障无法正常供电时，可以作为后备电源，提供能 量给车辆使其驶回客运站，防止车辆停在隧道，造成坏的影响。 对应于城轨交通的特殊性，其能量回收系统的能量存储器件要求有高的能量 密度及功率密度，以满足车辆大而持续的功率及能量需求，并容身于并不宽裕的 安装空间。符合其要求的存储介质有以下几种： 1 ) 飞轮储能。当车辆制动或减速时，先将车辆在制动或减速过程中的动能 转换为飞轮高速旋转的动能；当车辆再次起动或加速时，高速旋转的飞轮又将存 储的动能通过传动装置转化为车辆行驶的驱动力。但其运行的巨大噪音及较低的 效率、不安全等因素使其较难推广1 。 2 ) 液压储能。先将车辆在制动或减速过程中的动能转换成液压能，并将液 压能储藏在液压蓄能器中；当车辆再次起动或加速时，储能系统又将蓄能器中的 液压能以机械能的形式反作用于车辆，以增加车辆的驱动力。但其复杂的转换原 2 第1 章引言 理及低下的效率使其难以得到推广。 3 ) 电化学储能。首先将车辆在制动或减速过程中的动能，通过发电机转化 为电能并以化学能的形式存储在储能器中；当车辆需要起动或加速时，再将存储 器中的化学能通过电动机转化为车辆行驶的动能。储能器可采用蓄电池或超级电 容，尤其是超级电容，作为一种新兴的存储介质，其兼备蓄电池较高能量密度及 电容器较高的功率密度，频繁充放电能力强并且无须维护，投资费用相对飞轮储 能较低。超级电容凭借它自身优势，逐渐成为能量存储系统研究主流。举例来说， 西门子主推的s i t r a ss e s 超级电容能量回收系统【丌，凭借其稳定电压和存储能 量两大工作模式，最高节约能量达百分之三十的优异性能，正在获得大量的市场 份额，目前已经成功地应用于国外1 3 条地铁线路。 为了实现能量存储器件与地铁系统的对接，需要斩波器等能量变换电路，同 时按照控制策略对能量回收进行控制，另外需要断路器等保护回收装置的器件， 以及软件上的控制策略控制硬件对不同的工况进行相应处理，所有这些组成城轨 交通能量回收装置。本文会在第三章及第四章对这些部分进行详细介绍。 1 3 本文研究意义及主要工作 前文已提到过，作为一种正在世界范围内推广的地铁能量回收系统，对整个务 地铁系统节能、安全、稳定运行等各个方面大有裨益。即便这样，它是一项复杂 而又繁琐的工程，需要软件上的各种控制策略、控制方法，硬件上的能量变换电 路、保护装置协同作用才能达到理想的效果。城市轨道交通系统在城市中起着举 气 足轻重作用，是满足市民正常出行的必备设施，回收装置要务必保证能量回收装 置不会给地铁带来任何不利影响，所以它是一项严谨而细致的工作。作为工程的 初始阶段，本文首先采用专业软件m a t l a b s i m u l i n k 对整个地铁系统进行建模， 作为整个研究的基础平台。计算机模拟仿真是缩短研发周期、减少研究费用的有 效手段，并且可以为后续现场实验提供必要地理论支持。而且计算机仿真可以模 拟大量现场试验无法操作的复杂工况，对于研究控制策略对一些极限恶劣工况的 适用性提供了研究平台。 为了避免仿而不真情况的出现，本文在第二章认真分析研究了城轨交通的牵 引变电站及车辆系统的结构组成，并一一对应进行了计算机建模，根据元器件特 点，运用了物理及数学建模相结合的方法。细化了从牵引站到车辆的每一个元器 件的参数，并将仿真结果与得到的地铁实测波形进行分析比对，对波形的细节进 行理论上的说明。为了达到最大限度的真实，本文用矢量控制技术对基于三相异 步电机的车辆模型结合牵引变电站模型进行了联合仿真，运用外特性模型对多车 3 同济大学硕士学位论文城轨车辆能量回收系统控制策略研究 等工况进行仿真，并从理论上对仿真结果进行分析，与实测波形进行比对。 在第三章，本文详细介绍了城轨交通能量回收装置的硬件构成，并对超级电 容器组的特性及直流斩波器的工作原理进行详细介绍。 在第四章，分析了地铁系统各种工况下信号量的特点，并以其作为依据，初 步探索并拟定了制动能量回收系统的控制策略，并在m a t l a b s t a t e f l o w 下进行了 验证。 第五章总结全文，并提出今后改进方向。 4 第2 章城市轨道交通系统的m a t l a b 建模与仿真 第2 章城市轨道交通系统的m a t ia b 建模与仿真 2 1 城轨交通建模的重要性及现阶段发展 城市轨道交通系统作为大型城市居民出行必要组成部分，起着重要作用。地 铁能量回收系统作为一种能量存储中介，需要根据工况频繁向地铁系统注入及吸 收能量，如果时机选择不当，极有可能对地铁的稳定运行造成不利影响，甚至产 生重大事故。所以，在这样的系统中进行实验研究一定要慎之又慎。而且城轨交 通工况异常复杂，现场试验无法模拟出许多复杂工况，具有很大的弊端。计算机 仿真作为现代工程开发重要工具，在缩短工程开发周期，减小开发费用等起到了 不可替代的作用，而且它可以根据实际需要模拟任意工况。所以，有必要先对城 轨交通进行计算机建模，可以将该仿真模型作为基本研究平台，在上进行控制策 略的研究及验证，当理论分析与仿真结果吻合时，再到实际系统进行现场试验。 城轨交通中，牵引变电站所供给的电力会随各列车的起动、滑行等行车状态 及供电区间内上、下行轨的列车数而不断变化，这些因素皆直接影响牵引动力变 电站的负载量及架空线上直流供电系统的线电压的变动。地铁仿真的初级目的是 随着地铁车辆转矩、加速度、速度等运动学参数的变化，得到地铁直流侧网压、 接触网电流、交流侧波动、功率等电参数的变化，从而为能量回收系统的设计提 供依据。 由于供电系统与车辆牵引系统的数学模型的界面连结不易，大部份的商用列 车系统仿真软件并未同时进行供电系统与牵引系统的计算，造成在最终的仿真结 果上存在一定的差异。现有多种车辆系统仿真软件，既有各种科研机构开发的， 又有商业公司开发的。市面上的商用软件有美国s y s t r a 公司的r a i l s i m 与 t p c ( t r a i np e r f o r m a n c ec a l c u l a t o r ) 系统；由美国c a r n e g i e m e l l o n 大学轨道研究中 心开发k a i s e re n g i n e e r st r a n s i to p e r a t i o n a lm o d e l ( t o m ) ，美国铁路协会( a a r ) 开 发的用于研究车辆纵向运行仿真的t o e s ( t h et r a i no p e r a t i o na n de n e r g y s i m u l a t o r ) 和t e m ( t m i ne n e r g ym o d e l ) 仿真器；和b o o za l l e n ，h a m i l t o n 开发的 软件v i s t a ，还有一些最初由科研院所开发出来的，最后经过商业化包装而投入 市场的软件，其中应用最广的要算是e n e r g ym a n a g e m e n tm o d e l ( e m m ) 了。它最 初是由c a m e g i e m e l l o n 大学的轨道研究中心开发出来的，后来又被称作t r a i n o p e r a t i o n sm o d e l ( t o m ) 软件。t o m 主要有车辆性能仿真器( t r a i np e r f o r m a n c e s i m u l a t o r ，t p s ) ，电网仿真器( e l e c t r i cn e t w o r ks i m u l a t o r ，e n s ) ，车辆运行仿 真器( t r a i nm a n a g e m e n ts i m u l a t o r ，t m s ) 三个主要功能模块。 5 同济大学硕士学位论文城轨车辆能量回收系统控制策略研究 t p s 仿真特定网压下的单车性能，它以车辆的牵引力特性曲线、车辆运行 阻力、车辆重量、线路数据等为输入量，输出单车辆从起点到终点的功率、时间 相对于位置的变化情况。t p s 的输出文件( p o w e rp r o f i l e ) 作为输入，配合列车时 刻表及牵引供电系统的参数以迭代算法仿真多车的运行工况，其输出包括重要位 置处的功率潮流、电压、电流、配电系统与牵引站的损耗等。同时，e n s 也可 把再生制动能量和储能装置计算在内。t m s 与e n s 的功能很相似，所不同的 是它可以仿真多车辆在统一控制系统下运行的情况，这有助于解决多车运行时的 存在的冲突等问题。因车辆性能仿真与交流负载潮流分析分开进行，车辆线电压 变动对两者的影响将无法加以考虑，而实际上由于牵引网自身的损耗，车辆运行 过程中所获得的电压和电流也在不断变化。其他的仿真软件，如t o e s 等，在仿 真模型处理上，为了算法的可执行性、快速性和收敛性，通常会将系统模型进行 简化处理。一般将直流供电系统看成简单的多源、多负载的d c 电路。将变电所 等效为直流电压源加内电阻形式。合并轨道与接触网的阻抗，并将其作为集中参 数，使接触网电阻随着车辆运行不是连续变化而是阶段性跳跃，大大降低了精度。 将车辆等效为功率源，简单的从数学角度粗略的模拟列车系统，对车辆运行中的 动态变化忽略不计，仅从稳态角度分析车辆运行状况，对供电系统交流侧的影响 也忽略不计。系统结构如图2 1 所示，其中r l 表示接触网电阻，r 表示轨道电 阻，r 代表牵引变电站内阻。 图2 1 简化的牵引变电站及轨道模型 可以看出现阶段的城轨交通仿真都存在一定的不足，一些降低仿真精度的问 题都亟待解决。本文在借鉴前人的工作成果上，对城轨交通建模提出了如下的要 求： 1 ) 根据地铁变电站的实际构成，对牵引变电站进行物理建模。 2 ) 构建轨道变电阻模块，根据车辆行进距离，该电阻的值会相应的进行改 变。 3 ) 用交流异步电机对车辆进行建模，用动态矢量控制对交流电机进行控制。 4 ) 进行多车辆、多牵引站的联合仿真，观察吸收电阻对制动电流的吸收作 用。 6 第2 章城市轨道交通系统的m a t l a b 建模与仿真 5 ) 细化所有模块的参数，尽量的逼近实际运行结果。 2 2 仿真软件的选取 m a t l a b 是目前国际工程界最流行的软件，m a t l a b 提供了控制系统模型图形 输入与仿真工具s i m u l i n k , s i m u l i n k 根据应用场合提供了许多子模型库，库里面 有大量的子模型，每个模型都有特定的功能，这些模块的底层是用高级语言编写， 这可以让用户免于复杂的底层功能程序编写。用户可以直接按照自己所需功能拖 拽相关模块，或者按照逻辑功能组合几个模块，像“搭积木 那样得到所需功能， 并创建子系统，使建模大大简化【8 】。 可以将用m a t l a b 仿真的优点总结如下： 1 ) m a t l a b 作为工程广泛应用的软件具有比较高的可信度。 2 ) 采用了图型接口的方式，使用户觉得更加方便和亲切。所以可以在模型 窗口中构造出地铁系统的模型，使模型的输入变得相当容易而且直观。 3 ) 可以构建逻辑清晰的子系统，当程序需要修改或者添加功能时很方便。 4 ) 具有强大的解代数环功能。 5 ) 其中的查表模块对于拟合如道路信息等曲线非常方便。 6 ) 数学与物理建模灵活组合。本文中所有仿真参数均按照上海地铁一号线 进行设置，以便与实测曲线进行比对。 7 ) m a t l a b s i m p o w e r s y s t e m 含有大量工程常用的电力模块，像变压器、二极 管、开关管、各种交流电机，这对构建地铁模型无疑具有巨大优势。 基于以上所述，决定采用m a t l a b 作为建立地铁模型的仿真软件【9 】。 2 3 地铁牵引供电建模 2 3 1 地铁牵引供电系统拓扑构成及参数 本文的地铁供电系统模型时基于一号线的实际情况构建的，上海地铁工程中 一律采用1 5 0 0 v 牵引供电电压制式，采用集中供电方式。一期工程变配电系统 由2 座主变电站、7 座牵引变电站、1 4 座降压变电站和相应的高、中压输电线路 ( 交流1 1 0 k v 、3 3 k v 、l o k v 和直流1 5 0 0 v ) 构成。2 座主变电站均建在地下， 一座设在上海体育馆2 号门西侧，另一座设在地铁人民广场车站西侧。2 座主变 电站分别从城市电网的2 2 0 k v 长春变电站和2 2 0 k v 人民广场地下变电站引入 l l o k v 两路独立进线电源。主变电站采用两级降压方式，即将1 1 0 k v 降到3 3 k v 7 同济大学硕士学位论文城轨车辆能量回收系统控制策略研究 供给牵引变电站用电，并在主变电站内3 3 k v 降低到l o k v 供降压变电站用电， 再通过3 3 k v 和l o k v 电缆线路分别向各牵引变电站和降压变电站送叫1 0 1 。牵引 变电站主要负责向线路上的车辆提供能量，降压变电站主要为站台照明空调等设 施供电。其拓扑结构如图2 2 所示： 主站是双路供电，提高了供电的可靠性，以上海体育馆站为例，它既可以从 市电瑞金站l l o k v 侧受电，又可以单独从长春站l l o k v 侧受电。 上海体育馆主变电站 图2 2 地铁一号线供电系统拓扑图 由于降压变电站主要为站台照明空调等设施供电，其负荷稳定且相对于牵引 变电站功率很小，仅占地铁耗能的1 0 左右【1 1 l 。为了突出主次，忽略其对整个供 电系统的影响，在建模时对其不予以考虑。则拟建立的地铁车辆受电原理图如图 2 3 所示。为了提高容量，在每个牵引变电站采用了两个牵引变压器并联到正负 极母线，通过4 根馈线向接触网供电，每根馈线上均设有开关。每个变压器的次 级型输出与y 型输出作为两个整流器的输入，两个整流器并联。由于型输 出与y 型输出相差3 0 度，故并联后得到1 2 脉波的整流输出，这样会使直流接 触网的电压高频脉动变小【1 2 】，该整流器的具体构成与特性会在下文详细给出。为 了防止在短路时扩大事故范围通过在接触网上设置绝缘子，在短路时配合馈线开 关使事故段停止供科b j 。 8 第2 章城市轨道交通系统的m a t l a b 建模与仿真 图2 3 地铁车辆受电原理图 作为仿真模型，必须最大限度的保证所采用的模型参数与实际系统相一致， 如果仿而不真，没有任何意义。所以有必要准确计算所采用模块的物理参数。 对于变压器而言，根据国标g b 厂r “5 1 1 9 9 9 三相油浸式电力变压器技术参 数和要求中的相关要求，我们可以计算出变压的等效阻抗，具体的计算过程如 下： 首先查询国标g b f r 6 4 5 1 1 9 9 9 得到主变压器的技术参数如下表2 1 所示 表2 1 主变压器的技术参数 标称容量( k v a ) 高压低压( k v ) 连结组标号 空载损耗( k w ) 负载损耗( k w ) 空载电流( ) 阻抗电压( ) 3 1 5 e 3 1 1 5 3 5 y nd 1 1 4 0 5 1 5 6 1 2 1 0 5 得到牵引变压器的技术参数如表2 2 所示 ， 表2 2 牵引变压器的技术参数 9 同济大学硕士学位论文城轨车辆能量回收系统控制策略研究 负载损耗( k w )6 6 6 空载电流( ) 0 阻抗电压( ) 8 上海地铁一号线一期7 座牵引变电站主结线基本相同：受电侧电压为交流 3 3 k v ，单母线不分段，两路电源进线，互为备用，两路出线接整流变压器。直 流侧1 5 0 0 v 单母线不分段，牵引变电站都是4 路馈线，牵引变电站结线如图2 3 所示。 牵引变电站的整流装置是由德国t u 公司生产的整流变压器和a e g 公司生 产的整流器组成。整流变压器选用户内干式变压器，铝箔线圈，高压侧两圈，低 压侧两圈，按照y - 5 与a 0 结线。用环氧树脂浇注成形，阻燃、防潮。每 台尺寸为3 1 4 0 n n n x1 4 0 0 r n m x 3 0 6 0 m m ，重量1 4 2 t ，自然冷却。整流器选型， 采用两组并联的三相桥式整流器，每个桥壁两个支路，共计2 4 个支路，每一支 路都由平板型二极管与熔断器串联组成，如图2 4 所利1 4 1 。 j 图2 4 牵引变电站整流装置原理图 这一套整流装置的特点可以概括为三个方耐1 0 1 ： 1 ) 整流电路结线省去了平衡电抗器。由于该整流变压器的次级形与y 形 线圈相互基本无耦合，漏抗大，相当于两组相位差3 0 0 的独立的三相桥式整流器 组并联运行。国外文献指出，当每组三相桥式整流器的整流变压器阻抗足够大时， 可以省去它们之间的平衡电抗器，从而使结线简化，降低设备投资。 2 ) 过载时输出电压线形变化小，外特性硬。整流装置的外特性，主要取决 于整流变压器线圈间的耦合因数f o 当整流装置的直流电压调整率一定，耦合因 数风别为1 ( 次级形与y 形线圈理想全耦合) 及0 ( 次级形与y 形线圈理想 无耦合) 之间无级可调。f 值越小，外特性越硬，理想无耦合时f = - 0 ，外特性最 1 0 第2 章城市轨道交通系统的m a t l a b 建模与仿真 好，由于本整流变压器次级形与y 形线圈基本无耦合，因此该整流装置在额 定电流3 9 5 范围内，其输出电压能保持线形的减小，从而满足了地铁车辆对牵 引供电的要求。 3 ) 输出1 2 脉波的直流电，纹波系数小，高次谐波含量少。整流变压器的二 次测形与y 形结线，相位差3 0 度，接入两组三相桥式整流器并联输出直流电， 可以得到相位差3 0 度的两个6 脉波的叠加，从而获得脉动周期为3 0 度的1 2 脉 波直流电。该脉波与6 脉波相比较，具有纹波系数小，高次谐波含量少的优点， 经过计算，该整流装置在交流电源侧可以省去滤波装置。 直流接触网是一种悬挂在轨道上方沿轨道敷设的同轨道保持一定距离的输 电网。通过地铁车辆受电弓和接触网的滑动接触，牵引电能就由接触网进入车辆 牵引电动机运行。接触网经常处于动态运行状态中，结构复杂、技术要求高，而 且没有备用，故要求接触线和车辆受电弓滑板之间接触导电情况良好，并且保持 一定压力。 上海地铁一号线在地面部分采取了“全补偿简单链形接触悬挂”。架空接触 网采用耐温、抗拉强度大的双沟式银铜合金接触线，地面为简单链形悬挂，隧道 内为弹性接触悬挂。 上海地铁一号线采用简单链形悬挂，正线地面段和车辆段试车线的接触网均 采用链形悬挂，两者的区别在于试车线不设馈电线，仅由2 根承力索承担供电。 接触网电压变化范围为3 3 至+ 2 0 ，即d c l o o o 1 8 0 0 v 的变化范围。接触网 系统能承受最大不退火短路电流为4 0 0 0 0 a ，2 0 m s ；末端不退火短路电流为 1 5 0 0 0 a ，6 0 m s ；最大车辆起动电流为4 0 0 0 a 。其采用的材料为双沟式银铜接触 线，型号为r i s 的银铜接触线，电阻率为3 9 5 e - 5q m 多数电力牵引轨道交通线路是以走行轨道作为回流线路的，但是轨道与大地 之间不是绝缘的，所以由钢轨回流牵引变电站的电流必有一部分经大地回流到牵 引变电站。这部分电流因地下导电性质、地下金属管线位置不同而分布特殊，称 为地下迷流或杂散电流。车辆在走行轨上行驶时产生的电压降是杂散电流的根 源，对杂散电流防护主要采取以下措施：直流牵引供电系统采用正负极不接地的 “浮空制式，即正极用绝缘子绝缘，走行轨( 负极) 与道床绝缘、设纵向杂散电 流收集网、降低走行轨道电阻、缩短变电站之间距离、远离金属管道和增设专门 电保护等措施。 一号线采用走行轨回流的直流牵引供电方式，免不了会产生杂散电流( 即迷 流) 。除轨道采用绝缘扣件和垫层外，并在道床内增设迷流收集网，将迷流经二 极管引至牵引变电站负母排。所以，正线6 座牵引变电站均设置由二极管和调节 电阻器组成的排流柜，该柜属辅助设备，它在各站的安放位置不尽相同。上海地 同济大学硕士学位论文城轨车辆能量回收系统控制策略研究 铁一号线轨道设计准则和主要参数为：两根钢轨不接地，最大回流为每根钢轨 3 1 0 0 a 。回流轨的电阻率为3 4 3 6 e 一5f 2 r n 。 2 3 2 地铁牵引变电站m a t ia b 建模及参数计算 对照图，进行相应的m a t l a b 物理建模。 对于城市l l o k v 电网，可以在s i m p o w e r s y s t e r m s 中选用t h r e e p h a s es o u r c e 用来产生1 1 0 k v 的交流电，模拟1 1 0 k v 城市电网，参数设置比较简单，此处略 去。 对于主变压器及牵引变压器，国标中给定的是实验测试参数，如阻抗、空载 电压，阻抗损耗、短路损耗等，而m a t l a b s i m p o w e r s y s t e r m s 中的t h r e e - p h a s e t r a n s f o r m e r ( t w ow i n d i n g s ) 模块参数为如图2 5 所示的变压器t 型等效电路的漏 阻抗及激磁阻抗等参数，所以需要通过t 型等效电路进行转换。本文通过标幺值 的计算方法，直接从国标计算出t 型等效电路的标幺值【l 钔。 其相互转换关系为： 空载试验部分： 短路实验部分： 图2 5 变压器的t 型等效电路 弘等= 专 也= 啻p l ：= 皿霭。 z ：= i u o = u ： r 木：墨 最 1 2 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 第2 章城市轨道交通系统的m a t l a b 建模与仿真 l ：=