（车辆工程专业论文）城市轨道车辆辅助供电系统的仿真.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 城市轨道车辆是在城市中运行于地下、地面或高架铁路上的公共交通 运输工具。城市轨道的车辆辅助电源系统是控制系统的重要组成部分，其 主要任务是产生能够满足车辆控制用的低压电源、客室照明、空调及通风 机组以及其它低压用电设备所需的各种不同电压和电功率。辅助供电系统 的供电质量与可靠性将直接影响到车辆运行安全及旅客舒适度。研究和完 善辅助供电系统性能，确保稳定、安全的列车供电是研究和设计人员主要 的任务。 本文首先对城市轨道车辆的高压输电系统、城市轨道车辆的受流技术、 牵引主电路系统以及列车辅助供电系统进行了分析与比较。然后利用 m a t l a b 仿真软件对逆变器的核心组成器g b t 、以及辅助供电系统主 要部分实施了仿真，着重分析了逆变器及其脉宽调制技术( p w m ) 的原理 与仿真结果。 本文旨在研究车载设备运行状态的变化对整个辅助供电系统的影响。 因此，针对上海明珠线一期地铁( 3 号线) 车辆的辅助供电系统，建立了 m a t l a b 仿真模型，进行了相关变化参数的设置和整个辅助供电系统仿真 模拟。通过模拟改变负载的大小得出不同的仿真波形图，从而利用这些波 形图来分析车载设备加载后对辅助供电系统的影响，以及减小与消除这些 影响的措施和方法。 解决加载大功率交流负载所带来的影响可以采取车载设备分步顺序起 动或降压降频起动等措施。论文对加载大功率交流负载时所采取的顺序起 动措施进行了仿真，结果表明，对车载的大功率交流负载进行合理的分组， 按一定的顺序起动，可以大大降低车载设备在起动过程中对辅助供电系统 的冲击。 直流负载加载方面，论文主要对直流负载造成辅助供电系统干扰方面 的影响进行了分析，提出了解决干扰的方法和措施。 关键词：城市轨道车辆；辅助供电系统；仿真；m a t l a b 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 a b s t r a c t u r b a nr a i lt r a i n sr u n n i n gi nt h ec i t yo nt h eg r o u n df l o o r , g r o u n do r e l e v a t e dr a i l w a yo nt h ep u b l i ct r a n s p o r t u r b a nr a i ls y s t e m ，a u x i l i a r yp o w e rt r a i n c o n t r o ls y s t e mi sa ni m p o r t a n tp a r to ft h e i rm a i nt a s ki st op r o d u c ev e h i c l e st o m e e tt h el o w v o l t a g ep o w e rc o n t r o l ，p a s s e n g e rl i g h t i n g ，a i rc o n d i t i o n i n ga n d v e n t i l a t i o nu n i t sa n do t h e rl o w v o l t a g ee l e c t r i c a le q u i p m e n tr e q u i r e df o rt h e d i f f e r e n tv o l t a g ea n de l e c t r i cp o w e r a u x i l i a r yp o w e rs u p p l ys y s t e mo fq u a l i t y a n dr e l i a b i l i t yo fe l e c t r i c i t ys u p p l yw i l ld i r e c t l ya f f e c tt h es a f eo p e r a t i o no f v e h i c l e sa n dp a s s e n g e rc o m f o r t r e s e a r c ha n di m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f a u x i l i a r yp o w e rs u p p l ys y s t e mt oe n s u r es t a b i l i t y , s e c u r i t y , p o w e rt r a i nr e s e a r c h a n dd e s i g ns t a f fi st h em a i nt a s k t h i sa r t i c l ef i r s tu r b a nr a i lt r a i n so nh i g h - v o l t a g et r a n s m i s s i o ns y s t e mo f u r b a nr a i lt r a i nt e c h n o l o g y , t r a c t i o ns y s t e m s ，a sw e l la st h em a i nc i r c u i tt r a i n a u x i l i a r yp o w e rs y s t e m sa n a l y s i s a n d c o m p a r i s o n m a t l a b s i m u l a t i o n s o f t w a r ea n dt h e nu s eo fac e n t r a lc o m p o n e n to ft h ei n v e r t e rd e v i c e i g b t , a s w e l la st h ea u x i l i a r y p o w e rs u p p l y s y s t e m o ft h em a i n p a r t o ft h e i m p l e m e n t a t i o no ft h es i m u l a t i o n , f o c u s i n go na n a l y s i so f t h ei n v e r t e ra n dp u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) p r i n c i p l ea n ds i m u l a t i o nr e s u l t s t r a i ne q u i p m e n tt h i sp a p e ri st os t u d yc h a n g e si nt h eo p e r a t i o n a ls t a t u so f t h ea u x i l i a r yp o w e rs u p p l ys y s t e m t h e r e f o r e ，f o ras u b w a yi ns h a n g h a ip e a r l l i n e ( l i n e3 ) a u x i l i a r yp o w e rs u p p l ys y s t e m so fv e h i c l e s ，t h ee s t a b l i s h m e n to fa m a t l a bs i m u l a t i o nm o d e lp a r a m e t e r sw e r er e l a t e dt oc h a n g e si nt h es e ta n d t h ea u x i l i a r yp o w e rs u p p l ys y s t e ms i m u l a t i o n l o a db ys i m u l a t i n gc h a n g e si n t h es i z eo ft h es i m u l a t i o nt oh a v ed i f f e r e n tw a v e f o r m sa n dt h u st h eu s eo ft h e s e w a v e b o a r de q u i p m e n tt oa n a l y z et h el o a do nt h ea u x i l i a r yp o w e rs u p p l y s y s t e m s ，a sw e l la sr e d u c et h ei m p a c to ft h ee l i m i n a t i o no ft h e s em e a s u r e sa n d m e t h o d s l o a ds h a r i n gp o w e rt or e s o l v et h ei m p a c to ft h el o a dc a nb et a k e n s t e p b y - s t e pa u t o m o t i v ee q u i p m e n ts t a r t - u p o rs t e p d o w nd e s c e n d i n go r d e ro f f r e q u e n c yo fs t a r t u p a n do t h e rm e a s l e s t h ee x c h a n g eo fp a p e r so n 1 1 i g h p o w e rl o a dw h e nt h el o a ds t a r t u pm e a s u r e st a k e ni no r d e rt oc a l t yo u tt h e 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 s i m u l a t i o n ，r e s u l t ss h o wt h a tt h ep o w e ro fb o a r dt oc a r r yo u tar e a s o n a b l e l o a d - s h a r i n gg r o u p ，a c c o r d i n gt oac e r t a i no r d e ro fs t a r t u p ，c a ns i g n i f i c a n t l y r e d u c et h ev e h i c l ee q u i p m e n ti nt h es t a r t - u pp r o c e s so ft h ei m p a c to fa u x i l i a r y p o w e rs u p p l ys y s t e m d cl o a dt ol o a d , t h ep a p e rl o a do fd ca u x i l i a r yp o w e rs u p p l ys y s t e m c a u s e db yi n t e r f e r e n c ee f f e c t sa r ea n a l y z e da n dp u tf o r w a r dt or e s o l v et h e i n t e r f e r e n c eo f t h em e t h o d sa n dm e a s u r e s k e y w o r d s ：u r b a nr a i lt r a i n ；a u x i l i a r yi n v e r t e r ；p o w e rs u p p l ys i m u l a t i o n ； m a l l 。a b 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段 保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保萄西使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：盟为b 日期：。佯歹辟石四 j 指导老 日期： 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工 作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 本文对整个辅助供电系统的分析及比较，研究了车载设备运行状态的 变化对整个辅助供电系统的影响。针对上海明珠线一期地铁( 3 号线) 车辆 的辅助供电系统，建立了m a t l a b 仿真模型，进行了相关变化参数的设置 和整个辅助供电系统仿真模拟。通过模拟改变负载的大小得出不同的仿真 波形图，从而利用这些波形图来分析车载设备加载后对辅助供电系统的影 响，以及减小与消除这些影响的措施和方法。 曼豁 弘p c | 牟只 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景 第1 章绪论 城市是人类活动的中心，是社会进步的标志。随着经济和科技的快速 发展，城市人口不断的增多，城市轨道交通日益演变成为城市公共交通客 运系统的骨干，它主要包括地铁和轻轨。辅助供电系统是城轨车辆的一个重 要组成部分，若能利用现代计算机仿真技术，在用电负载变化的各种情况 下，建立城市轨道车辆辅助供电系统仿真模型。模拟实际电源系统的工作 状态，就可以用模型代替实际系统，从而取代许多繁琐的人工分析，减轻 劳动强度，提高分析能力，提前预防各种事故的发生，更好地保证列车供 电系统的稳定。 1 1 1 城轨车辆电源发展概述【”】 城市轨道车辆是在城市中运行于地下、地面或高架铁路上的公共交通 运输工具。城市轨道车辆通常为电力牵引，它主要包括城市快速列车、地 铁车辆、轻轨车辆和有轨电车等。早在18 3 2 年，世界上最早的城市轨道车 辆由马拉着，沿固定的轨道运行在美国纽约。1 8 世纪下半叶开始出现蒸汽 和电力牵引的城市轨道车辆，1 9 6 5 年在国际交通博览会上展出了第一列采 用铝合金车体的轻型车辆，2 0 世纪8 0 年代中期，交流传动技术开始在城市 轨道车辆上应用，2 0 世纪9 0 年代初期研制出采用独立车轮和低地板车辆。 随着城市人口持续增长和经济的不断繁荣，我国越来越重视和发展城市轨 道交通系统。目前，我国除上海、北京和深圳等城市已经开始逐渐完善城 市轨道交通系统外，武汉和青岛等2 0 多个城市正在进行筹建轨道交通的前 期准备工作。 辅助供电系统是城轨车辆的一个重要组成部分，安装于拖车构架上。 当供电系统供电正常时，输入的直流电源经辅助逆变器逆变为交流电源，并 向通风机、空调设备、电加热器、电动刮雨器、空气压缩机等三相负载和 客室照明系统及控制系统设备供电；经直直变换器变换的直流电源供蓄电 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 池充电及其他直流负载用电。辅助供电系统的负载设备对提高机车车辆的 运行可靠性以及乘坐舒适性起着重要的作用。随着机车车辆的发展和对运 输质量要求的提高，辅助系统的结构形式也逐渐多样化，总的来讲即是功能 逐渐增加，技术指标与可靠性也越来越高。我国的辅助供电系统是2 0 世纪 8 0 年代中后期开始使用，当时主要依据从欧洲引进的8 k 型机车的相关技 术进行研制与生产，采用g t o 作为其开关功率器件。9 0 年代中期，由我国 设计和制造的采用i g b t 技术的辅助逆变器，在机车和客车领域取得了成功 应用，其功率等级从3 0k v a 到2 0 0k v a 。1 9 9 9 年我国开始研制具有自主知 识产权的地铁车辆辅助供电系统的产品，2 0 0 0 年研制出了t g f 4 型d c 1 5 0 0 v 地铁车辆辅助供电产品。2 0 0 1 年1 0 月其改型产品t g f 4 a 型d c 1 5 0 0 v 地铁车辆辅助供电系统安装于香港地铁车辆上用于替代原辅助发电 机作为辅助电源可靠运行至今。2 0 0 2 年3 月，香港地铁公司采用了4 6 9 台 株洲电力机车研究所的t g f 4 b 型d c1 5 0 0 v 地铁辅助供电系统。 由于列车电力系统是一个高电压、大容量较复杂的联合动力系统。在 这种现实情况下，许多电力科研实验的实际条件难以满足，且系统的安全 运行也不允许进行实验。目前，电力系统稳定分析和研制，几乎都离不开 仿真研究。将计算机仿真技术应用于城轨车辆辅助供电系统的设计，利用 计算机来模拟其辅助供电运行组织的动态过程，对供电系统进行辅助设计， 进行多方案的仿真比选，优化设计方案，提高设计效率，节省工程投资， 减少运营成本。无疑是供电系统设计的一种高效的设计工具和手段，是供 电系统理论和实践相结合的发展方向。我国越来越多的城市开始修建地铁、 轻轨，并且对其供电系统要求也越来越高，因此对城市轨道列车辅助供电 系统的仿真就很有必要。 1 1 2电力系统仿真研究的动态 1 9 6 1 年c t w m o r g e n t h a t e r 首次对“仿真( s i m u l a t i o n ) 一词做了技术 性的解释，他认为“仿真 指在实际系统尚不存在的情况下，对系统或活 动本质的复现。也即是仿真并不能完全等同实物的，但其最基本的内容是 相同，所建立的模型是真实地反映系统的主要特征或本质特征。近几十年 来，仿真技术的发展使人们对它的认识与概念得以深化。今天，工程技术 界对仿真一词的定义是：仿真是通过对系统模型的实验去研究一个存在的 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 或是设计中的系统。仿真技术在近几十年中有了很大的发展，因为它除了 计算机技术和软件技术的飞速发展以外，其独特的优点是促使其快速发展 的重要原因。它可以带来重大的社会和经济效益；可以降低系统的研制成 本；可以提高系统实验、调试和训练过程的安全性；不受被研究系统的规 模和复杂性的限制。因此，用仿真的方法研究城轨列车辅助供电系统，具 有十分重要的意义。 仿真工作的核心是仿真软件。近年来，由于国外城市铁路比较发达， 国外在城市轨道列车供电系统的仿真软件上也比较发达，国内对供电系统 也做了相关研究。研究的主要方法基本上都是借助于m a t l a b 等通用数字仿 真软件，首先在s i r n u l m k 仿真平台中利用p s b 工具箱建立辅助供电电路的 仿真模型，然后对仿真结果进行分析和处理，并得出相关的结论。 目前，在国内外对电力系统的仿真与分析大量的研究中，得到比较有 代表性的电力仿真软件主要有以下几种f 4 】： 1 、邦纳维尔电力局b p a 程序和e m t p 程序。b p a 程序是美国联邦政 府能源部下属邦纳维尔电力局计算方法开发组，于二十世纪6 0 年代初期开 发的大型电力系统离线分析程序。b p a 程序主要用来计算潮流和暂态稳定， 并在上世纪末应用较广，后来随着其它各仿真软件的开发、完善和推广， 应用b p a 进行电力系统分析的科研人员相对减少。我国于1 9 8 0 年初在水电 部计算机办公室的领导下，从美国b p a 公司引进了e m t p 程序，1 9 8 8 年通 过电力部引进了微机版电磁暂态计算程序。中国电力科学研究院在引进的 程序基础上进行了调试、修改以及功能二次开发，并且在全国范围内推广 使用，完善了中文使用说明及相关技术资料，编制了人机会话式数据输入 程序及a t p 工作环境软件包，提供了与用户友好的人机界面。 2 、曼尼托巴高压直流输电研究中心开发的p s c a d e m t d c 程序。 d 锄f i sw o o d f o r d 博士于1 9 7 6 年在加拿大曼尼托巴水电局开发完成了 e m t d c 的初版，随后在曼尼托巴大学创建高压直流输电研究中心，多年来 该直流输电研究中心在d e r a i l sw o o d f o r d 的领导下不断完善了e m t d c 的元 件模型库和功能，使之发展为既可以研究交直流电力系统问题，又能够完 成电力电子仿真及非线性控制的多功能工具。p s c a d e m t d c 典型应用是 计算电力系统遭受扰动或参数变化时，参数随时间变化的规律。此外 p s c a d e m t d c 软件还广泛应用于高压直流输电f a c t s 控制器的设计、电 力系统谐波分析及电力电子领域的仿真计算。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 3 、德国西门子公司研制的电力系统仿真软件n e t o m a c 。自1 9 7 0 年 初开始经过多年开发和使用，现在n e t o m a c 程序较为完善，功能很多， 在世界各国尤其是欧洲拥有众多用户。该软件模型库几乎包含了当前电力 系统所有的元件，且具有良好的开放性。 4 、中国电力科学研究院开发的电力系统分系综合程序p s a s p 。p s a s p 与e x c e l 、a u t oc a d 、m a t l a b 等通用的软件包分析工具有方便的接口， 可充分利用其它软件包的资源。该软件在我国高校研究人员和电力系统现 场都有广泛应用。 5 、美国m a t hw o r k s 公司开发的大型仿真软件m a t l a b 。m a t l a b 是高性能、通用的科学与工程计算软件，它功能强大，在电气、化工、制 造、医疗等多个行业均有应用。 除了以上几种还有美国加州大学研制的p s p i c e ，美国p t i 公司的 p s s e ，美国e p r i 的e t m s p ，a b b 公司开发的电力系统分系软件e d s a 盘t x t e r _ o l 。2 本文研究的意义 列车辅助电源系统是控制系统的重要组成部分，其主要任务是产生能 够满足车辆控制用的低压电源、客室照明、空调及通风机组以及其他低压 用电设备所需的各种不同电压。列车辅助电源系统能自动完成启动、关闭 及故障切换功能，在列车网络正常工作时，能及时报告辅助系统的运行状 况，其供电质量与可靠性直接影响到车辆运行的安全。随着国民经济的发 展和人民生活水平的不断提高，旅客对列车速度和舒适度的要求越来越高。 旅客列车加装空调、电开水炉等用电设备，使列车供电量增大。因此需将 辅助供电系统日益完善，这样才能确保列车安全、稳定的供电。 通过仿真系统软件模拟整个机车辅助电源运行情况，对电力机车辅助 电路系统的设计具有重要作用。对现有辅助电路系统中各参数的选择，各元 器件的搭配提出优化设计思路，使设计人员可以从繁重的计算中解脱出来， 缩短设计周期，提高城轨列车辅助供电系统的设计水平。 在本此课题研究中，用m a t l a b 软件来仿真其辅助供电系统，根据波 形图的结果，来采取适当的应对措施来解决问题，可以更好地保证列车供 电系统的稳定与安全性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 3 工作内容 1 3 1 课题来源 本课题主要来源于上海明珠线一期( 3 号线) 地铁列车辅助供电系统【5 】， 以及适当考虑d c 7 5 0 v 输入电源。上海明珠线一期地铁列车是由法国阿尔 斯通公司和南京浦镇车辆厂联合制造的a 型宽体地铁列车。1 列车由2 个3 辆车为单元构成的6 辆编组，其静止辅助电源为每2 辆套一台。辅助供电 系统主要由以下三个部分构成( 如图1 1 ) ： 1 、变流部分 辅助用电设备大都需要三相四线制3 8 0 v 2 2 0 v 交流电源，因此要将波 动较大的d c l 5 0 0 v 逆变为恒压恒频的三相交流电。 2 、变压器隔离部分 出于安全考虑，必须将电网上的高压与低压用电设备在电气上隔离。 一般采用变压器进行电气隔离，同时也可以通过设计不同的匝比以满足电 压值的需要。 3 、d c l l 0 v 控制电源部分 车辆上的各操纵电器都是由控制电源d c l l 0 v 供电，蓄电池作为紧急 用电设备，因此d c i1 0 v 控制电源同时也是蓄电池的充电器。 图1 1 上海明珠线辅助供电系统结构图 v c 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 3 2 主要工作内容 本文主要对我国城市轨道列车辅助供电系统进行分析，对其供电模式 进行分析探讨，同时对国外列车供电制式作了一定的探讨。通过介绍m a t l a b 软件库p s b 系统，对辅助供电系统各个部分如何进行仿真以及参数的设置， 着重讨论逆变器及其脉冲波的原理及结构。随后又对电力机车主电路结构 和电气化铁路中的主要谐波源整流装置的结构和工作原理进行了介 绍。并对典型的上海明珠线地铁车辆建立了m a t l a b 模型，进行了仿真，重点 对加上不同用电负载后对列车供电系统的影响然后通过采取措施来解决问 题。其中包括辅助逆变器、全波整流等。通过模拟改变负载的大小得出不 同的仿真波形图，从而利用这些波形图来分析车载设备加载后对辅助供电 系统的影响，以及减小与消除这些影响的措施和方法。 1 3 3 工作难点 1 、i g b t 模块的搭建 最初是自己搭建所有的模块，但有点繁锁，最终采用m a t l a b 模块库 中既有模块，只需改变参数。 2 、控制方式的确定 逆变技术应用脉宽调制技术( f w m ：p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ) ，现在 己有多种s p w m 控制脉冲生成法的出现。怎样结合具体情况从中选用合适 的控制方法，是本课题的难点之一。在m a t l a b 中采用编程还是何种方式 控制使其发脉冲波最准确。 3 、负载最大功率及其变化对整个辅助逆变系统的影响 既有大功率的d c3 8 0 v 空调负载也有小功率的照明等a c1 1 0 v 负载， 当所有用电设备全部打开后的影响都要考虑到，并且去解决它，也是本文 的难点。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章城轨车辆电源系统 2 1 城轨车辆高压供电系统 城轨车辆高压供电系统【7 l j 由外部供电系统( 城市电网) 和列车内部供 电系统两大部分组成。城轨车辆作为城市电网的一个重要用户，一般直接 从城市电网取得电能，无需单独建设电厂。其内部供电系统包括：主变电 所、牵引供电系统、动力照明供电系统和电力监控系统。其中牵引供电系 统包括牵引变电所和牵引网两大部分，动力照明供电系统包括降压变电所 与动力照明配电系统。 2 1 1 供电方式的分类 城市高压供电通常采用分散供电、集中供电和混合供电这三种方式f 6 】。 1 、分散供电方式 分散供电方式是指不设主变电所，而直接由城市电网区域变电所或中 压输电线，向城轨车辆沿线设置的牵引变电所、降压变电所供电并行车环 网。采用这种供电方式要求城市电网比较发达，并且在有关车站附近有稳 定电源，其中压网络的电压等级应与城市电网相一致。这种方式可设置电 源开闭所，并且可与车站变电所合建。分散供电方式要保证每座牵引变电 所和降压变电所均能获得双路电源，并由不同地方的电源提供。北京地铁5 号线、沈阳地铁就采用这种供电方式。 2 、集中供电方式 集中式供电方式是指沿着城市轨道交通线路，根据用电量和线路的长 短，建设城市轨道交通专用的主变电所。主变电所应有两路独立的电源进 线，进线电压一般为1 l o k v ，经降压后变成3 5 k v 或l o k v ，供给牵引变电 所和降压变电所，再由主变电所变压为城市轨道交通内部供电系统所需的 电压级。由于目前我国电力资源紧缺，电力调度控制技术还无法满足城市 轨道交通综合控制的要求，集中供电方式是我国城市轨道交通的主要方式。 上海地铁1 号线就是采用这种供电方式，在人民广场和万体馆设置两个主 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 变电所负责整个一号线的牵引动力负荷供电，2 、3 号线也采用的集中式供 电方式。广州、深圳、上海和香港地铁均采用这种供电方式。 3 、混合式 集中供电和分散供电相结合的方式称为混合式，北京地铁1 、2 号线供 电系统采用混合式。它是由北京电力公司的1 1 0 k v 变电站或2 2 0 k v 变电站 供给地铁电源开闭所两路1 0 k v 电源，再由电源开闭所供给牵引降压混合变 电所两路1 0 k v 电源。 2 1 2 三种供电方式的比较 这三种供电方式各有优缺剧7 。分散供电其冗余度大，均衡轴重好配置， 但造价要大些，且总重量也会高些。当采用分散供电方式时，不设主变电 所，各牵引变电所、降压变电分别由城市轨道交通沿线电网近接引两路相 互独立的3 5 k v 或1 0 k v 电供电。 与分散供电方式相比较，集中供电方式具有以下优点： 1 、可靠性高，便于统一调度和集中管理。 2 、易于施工与维护，电缆敷设路径比较好走。 在城市轨道交通地下部分，电缆可沿隧道内壁上的支架敷设，在高架 区段，电缆可沿线路两侧的支架敷设，不存在另选路径开挖道路的问题， 可以节省投资，方便电缆的维护保养。 3 、抑制谐波的效果较好。 城市轨道交通系统是直流牵引供电系统，其牵引整流系统是较好的谐 波源，为减少谐波对电网的影响与危害，可以采用较高脉波整流机组，还 可用较高电压的电源。因为大容量、高电压电网的承受能力强，同时国标 规定的谐波总畸变率和谐波电压含有率比小容量、低电压电网要低得多， 而且也有利于今后集中采取高次谐波防治措施。 4 、计费方便、简单。 采用1 1 0 k v 电压集中供电方式，运行管理单位与电业部门的电度计费 在主变电所设总计量就行，不必在各变电所分别计量、汇总，计费方便、 简单，同时也减少了供电部门之间的联络环节。 混合式，一般是以集中供电方式为主，个别区段的牵引或降压变电所 直接引入城市电网电源作为集中供电式的补充。 总之，由于城市轨道交通的供电系统与城市电网的分布密切相关。建 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 设轨道交通时，应根据不同的地区，选择不同的供电模式。并且应根据城 市电网的构成情况和城市轨道交通的具体情况，选用适合的供电方式。 22 城轨车辆的受流系统 城市轨道交通供电网压有d c 6 0 0 v 、d c 7 5 0 v 、d c l 5 0 0 v 等三种。早期 城市有轨( 或无轨) 电车及地铁采用d c 6 0 0 v 与d c 7 5 0 v 供电，d c l 5 0 0 v 是后来发展的城市轨道交通供电网压制。电动车组通过受流系统从电源 牵引变电所获得电能。按照其安装形式，受流系统主要分为以下两种 基本形式。 第一种是以北京、天津为代表的接触轨受流的窄车体车辆。列车由受 流器从第三轨接受电能，通过车载的变流装置给安装在转向架上的牵引电 动机供电，将电能转换为机械能，并通过齿轮传动箱和轮对驱动电动车( 组) 运行。这种方式具有使用寿命长、维修量小，在地面时对城市景观无影响 等优点；但其车辆不能脱离电源，电压偏低，对于大运量的车辆供电使得 牵引变电所的距离较近。 第二种是以上海、广州为代表的架空线接触网受流的宽车体车辆。车 辆采用受电弓受流方式，受电弓安装在动车车顶，浪涌抑制器安装在每个 受电弓上以防止过电压。受电弓通过压缩空气进行升降，由电磁阀控制。 这种方式具有安全性较好，适应于大运量系统供电等优点。i e c ( 国际电工 委员会) 拟定的供电制式为d c 6 0 0 v 、d c 7 5 0 v 和d c l 5 0 0 v 。 目2 - 1 牵引供电系统构成 吖基 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 以具有代表性的广州地铁4 号线为例( 如图2 1 ) ，直线电机车辆同时 具备d c l 5 0 0 v 第三轨和架空接触网两种受流方式。线路大部分为高架，为 了满足高架桥景观的要求，区间上采用了第三轨供电方案，4 辆编组的列车 在每节车辆的两侧各设有1 个受流靴。在车辆段内，为了保证段内工作人 员的安全，避免受到第三轨d c l 5 0 0 v 电压的危害，采用架空接触网向地铁 列车供电，在带司机室的车辆上安装受电弓。 2 3牵引主电路系统 城轨列车供电系统主要包括整流电源、逆变电源、充电机、蓄电池组、 供电母线、电源分配及相关保护电路等几大部分。图2 2 是上海地铁3 号线 主电路图1 9 】，车辆由受电弓d c l 5 0 0 v 电网上获得电能，经高速断路器、滤 波器，在逆变器中将直流电变成电压、频率可调的( v v v f ) - - 相交流电，向 4 台并联的交流异步电动机供电。在动力制动时，牵引电动机工作在发电机 状态下，将电能反馈至电网，供“用户 使用。当系统无法实施再生制动 时，电流经制动模块将直流电能消耗在制动电阻上。主电路通过接地碳刷、 轮对和钢轨构成负极回路。 整个主电路与辅助供电系统是并行的，主电路的组成主要分为： 1 、高速断路器： 高速断路器安装在受电弓与线路( 输入) 滤波器之间，能有效地保护 由于短路、接地等造成的过流，其保护范围与变电所保护协调。它的限流 特性和高速切断能力，能够防止由于短路或过载而引起的损坏。 2 、制动系统： 采用动力制动与机械制动协调配合的方式并以动力制动优先。在不能 再生制动时，用电阻制动代替。动力制动与机械制动的混合不会引起制动 力的损失，且混合是连续的、可逆的。机械制动只是动力制动的补充，用 于低速时动力制动减小以及紧急制动。 3 、牵引逆变器： 采用i g b t 元件组成的二相电压型脉宽调制工作方式逆变器。列车牵引 运行时，牵引逆变器把从架空电网上获得的直流电转变为调频调压的三相 交流电。列车进行制动时，牵引逆变器把由电机产生的三相交流电转换成 直流电。 4 、牵引电动机： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 牵引电机是专为地铁车辆设计的，采用逆变器供电方式的三相鼠笼式 异步交流牵引电动机。上海地铁3 号线，是在国内首次将全封闭结构电机 用于大容量的地铁车辆中。它是由电压源逆变器供电，变频变压( 、厂、厂、佰) 调速，采用架承式悬挂( 全悬挂) 方式。 5 、控制部分： 这部分主要由微电子器件、各种传感器和光学器件组成，也实现了免 维修。虽然目前各部件的可靠性较高，但在异常噪声干扰的影响下、在温 度升高或异常低温条件下仍然有可能产生误动作。因而提高故障时的检修 技术是非常重要的。 图2 2 上海地铁3 号线主电路图 2 4 辅助供电系统 辅助供电系统主要用于产生三相交流电压a c 3 8 0 v 以及d c l l 0 v 电源， 它包括d c a c 逆变器( 辅助逆变器) 和d c d c 变换器( 蓄电池充电器) 。 2 4 1 辅助供电系统组成及参数 辅助供电系统能自动完成启动、关闭及故障切换功能，在列车网络正 常工作时能及时报告辅助系统的运行状况。辅助供电系统由牵引变压器辅 助绕组、辅助电源装置、蓄电池、辅助及控制用电设备、地面电源等几部 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 分组成。辅助电源装置由辅助电源箱( a p u ) 和辅助整流器( 朋陋) 两部分 组成。 其主电路原理是经受电弓或第三轨受流输入的d c l 5 0 0 v 和d c 7 5 0 v ( 由于城市大客量的增加，现主要采用d c l 5 0 0 v 网压制) 直流电压经过隔 离开关、熔断器、输入滤波器、预充电电路及主接触器等送至i g b t 逆变器， 控制装置通过对i g b t 逆变器的控制，使得i g b t 逆变器输出双极性的p w m 波形，经过三相交流滤波器的滤波，可得到低谐波含量的准正弦波形的交 流输出电压，再由三相变压器耦合得到基波有效值为a c 3 8 0 v 电压( 输出 为三相四线制) 。 城轨列车辅助供电系统包括辅助逆变器( d c a c 变流器，简称s ) 和 低压电源( d c d c 变流器和蓄电池) 。s i v 给列车上的交流负载如空调机、 压缩机、通风机等提供a c 3 8 0 v 及a c 2 2 0 v 电源。低压电源包括d c l l 0 v 和d c 2 4 v ，给列车控制系统及应急负载供电。早期的列车每节车均设有 s i v ，现在由于技术进步都已采用集中供电的方式。列车单元组成无论是两 动一拖，还是一动一拖，均由1 台s i v 给1 个单元的负载供电。因此，s i v 的容量也较大。例如，两动一拖单元组成的a 型车上s i v 容量已超过2 0 0 量溺。 以广州地铁3 号线为例( 如图2 3 所示) ，其辅助电源系统安装在b 车 上，设有2 台辅助逆变器同时对整列车供电，给空调机组、空气压缩机、 照明系统、控制系统等提供电源，逆变器的输出包括三相交流3 8 0v 、单相 交流2 2 0v 及直流1 l ov 电源。 d c l 5 0 0 v 辅助逆变器参数如下： 额定输入电压 输入电压变化范围 三相交流输出( 2 套) 输出电压 输出频率 输出功率( 连续) 最大谐波分量 单相交流输出( 2 套) 输出电压( 相线与零线之间) 输出频率 输出功率( 连续) d c l 5 0 0 v d c10 0 0 - 2 0 0 0 v 三相交流3 8 0 ( 1 5 ) v 5 ( 0 1 l ) h z 1 4 0 k v a 建立一个空白模型编辑框窗口，将模块拖放到其中来建立电气仿真模 型。尽量使用m a t l a b 模型库里现有的模块进行建模。 设置模块参数和仿真模型的系统参数。 进行仿真，不断的改变参数并查看仿真结果。 根据所得到的仿真数据，看对其整个系统的影响，并采取解决措施。 3 2 功率器件i g b t 2 0 世纪8 0 年代初发展起来的新型复合器件_ i g 旧t ( 绝缘栅双极晶 体管i n s u l a t e dg a t eb i p o l a r t r a n s i s t o r ) 是一种新型的电力半导体器件。i g b t 是一种电压控制型功率器件，它所需驱动功率小，控制电路简单，导通压 降低，且具有较大的安全工作区和短路承受能力。城轨车辆辅助供电系统 采用的是目前普遍使用的以i g b t 逆变器为核心的成熟技术。i g b t 模块具 有开关损耗小，模块结构便于组装，开关转换均匀的优点，目前在实际运 用中情况良好，已越来越多的应用在列车供电系统中。在应用i g b t 时应根 据实际情况，采取相应的保护措施i 3 z j 。 3 2 1i g b t i g b t 采用沟槽结构，减小通态压降，改善其频率特性，采用n p t ( n o n p u n c ht h r o u g h ) 技术实现i g b t 的大功率化。i g b t 只比m o s f e t 多一个p + 导通区，控制极的结构与m o s f e t 相同，是绝缘栅结构，也称栅极( g ) 。 其主体部分与g t r 相同，也有集电极( c ) 和发射极( e ) 。图3 2 清楚地 显示了一个n 沟道增强型垂直式i g b t 的结构和功能，它具有非穿通式n p t 结构，栅极为平面式。目前，除了图3 2 所示的非穿通型结构之外，穿通型 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 式p t ( p u n c ht h r o u g h ) 结构的i g b t 也得到了应用，最初的i g b t 就是基 于后者形成的。 厂、，三i 勿焉等等等匀谷触 ei ，ii f由。“一一磷辩b 虻兰搴i ；由 搿 n 。毒 p + 审 犍 j ， 西6 审6 西6 由6 66 ；i i ；oo 竹i j 旷 a b ：基本单元宽度d ：沟道宽度 图3 - 2n p t 结构的i g b t 单元及其导通时的电荷分布 i g b t 集大功率晶体管g t r 和m o s f e t 的优点于一身：既具有 m o s f e t 高速、高输入阻抗、易驱动的长处，又兼有g t r 的通态压降低、 耐压高、可承受大电流的优点，因此倍受青睐。在大功率电力电子器件应 用中，i g b t 已逐步取代g t o 和m o s f e t 成为主流。 采用i g b t 模块可确保制成的逆变器重量减轻，开关损耗小，允许使用 较高的开关频率。吸收电路小型化，甚至无需吸收电路，从而简化了逆变 器主电路。i g b t 的技术特点是开关速度比g t o 要高出1 0 倍，模块结构便 于组装，简化了装置结构。开关转换均匀，提高了其稳定性和可靠性。并 联简单，便于标定变流器功率等级。作为电压驱动型器件，只需简单的控 制电路来实现良好的保护功能。目前，由i g b t 基本组合单元与驱动、保护 及报警电路共同构成的智能功率模块( p m ) 已成为i g b t 智能化的发展方 向。 辅助供电系统的主电路功率器件采用高电压大电流i g b t 模块。在 d c l 5 0 0 v d c 7 5 0 v 的电网下，逆变器桥的每个桥臂均用1 个i g b t 模块。 即是逆变器采用6 个i g b t 模块组成，这种电路结构简单、部件少、可靠性 高，并且适合从大到小所有功率等级的逆变器。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 3 2 2i g b t 的应用 在轨道车辆中广泛采用i g b t 模块来构成牵引变流器以及辅助电源系 统的恒压恒频( c v c f ) 逆变器。i g b t 模块的电压等级范围在1 2 0 0 v - - - 6 5 0 0 v 。 l 、国外列车供电系统中的应用与发展 最初，德国将3 0 0 a 1 2 0 0 vi g b t 构成了几百k v a 的逆变器，它取代了 在工业上通用变频器中的双极型晶体管，用于网压为7 5 0 v 的有轨电车上。 不久后德国和日本又将4 0 0 a 1 2 0 0 vi g b t 构成的三点式逆变器用于7 5 0 v 和1 5 0 0 v 电网。在中期阶段，针对牵引需要开发出适用于7 5 0 v 电网的1 7 k v i g b t 和用于1 5 0 0 v 电网的3 3 k vi g b t 模块，也称其为高压i g b t ，这简 化了牵引逆变器主电路的结构，仍可采用两点式逆变器。在近期交流网压 下，