（电力系统及其自动化专业论文）城市轨道交通供电再生制动反馈能量利用仿真研究.pdf

a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m i c ，t h ej a mo f c i t yt r a f f i ci sg e t t i n gw o r s e w h i c ha f f e c t sp e o p l e sd a i l yw o r ka n dl i f es e r i o u s l y t h eu n d e r g r o u n dh a v e m a n ya d v a n t a g e s s u c h鑫s f a s t s p e e d ， s h o r t d i s t a n c e - s t o p ， s t a r t - b r e a k f r e q u e n t l y , s oa st ob e c o m ea l le f f i c i e n tt r a f f i cm o d ew h i c hc a n s p e e du pt h ec i t y st r a n s p o r t a t i o n b r a k i n gi st h ek e yt e c h n o l o g yo ft h eu r b a n r 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 gd e v e l o p m e n to f t h eu n d e r g r o u n dt r a i n , t h e b r a k i n gw a sr e l i e do nt h er e s i s t o rb r a k i n gw h i c hc o n s u m et h ep o w e rf r o m e l e c t r i c a lb r a k i n g a st h ed e v e l o p m e n to fp o w e r e l e c t r i c i t yc o m p o n e n t m a n u f a c t u r i n g , h o wt ou s et h er e b i r t hp o w e rr e a s o n a b l ge f f i c i e n t l ya n d e c o n o m i c a l l yi sb e c o m i n gah o ts p o t a f t e rs o m ei n t r o d u c t i o n so i lu r b a n u n d e r g r o u n dd e v e l o p m e n tp o w e r s u p p l ym o d ea n dt e c h n o l o g y , t h i sp a p e rs e tu pas i m u l m i o nm o d e lw h i c hi s b a s e do nt h ep r a c t i c ep r o j e c td a t aa n d v c + + l a n g u a g e t h em o d e lc o n s i s l so f c a t e n a r , y ；r a i l ，c o l l e c t i o nn e to fs t r a yc u r r e n ta n dg r o u n d , w h i c hc a ns i l l l u i 娃t e 磕ew h o l es y s t e ma sad y n a m i cn e t a n dt h ef o u rs u b - m o d e l se 鞠b es i m u l a t e a c c u r a t e l y 氇sw e l l tt h ee x a m p l e si sb a s e do na d j u s t i n gt h et r a i n d i a g r a m ， c o m p a r i n gt h ep o w e rs a v i n gr e s u l to ft h es e c o n ds i d eo ft r a c t i o ns u b s t a t i o ni n s i t u a t i o n so fu s i n gr e g e n e r a t i v eb r a k i n go rn o t ，t h e ni ta n a l y s i s 钕獭珞w 赫e h a f f e c tr e b i r t hp o w e r , a n dt h ee c o n o m i cb e n e f i t sb e i n gc a l c u l a t e d t o o f i n a l l y i t 则y s i st h ee n e r g ys a v i n gr a t ea n de c o n o m i co ft h ei d e a l e n e r g ys 幻r a g e d e v i c eo ft h et r a c t i o ns u b s t a t i o nu n d e rt h eb a c k g r o u n do f d e v e l o p m e n to ft h e e n e r g ys t o r a g ed e v i c e k e y w o r d s ：s u b w a y ，t r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m ，r e g e n e r a t i v eb r a k i n g ， r e s i s t a n c eb r a k i n g ，e n e r g ys a v i n gr a t i o ，e n e r g ys t o r a g e e q u i p m e n t 附泶3 ：鲥南交通人学学 筑论文版权使h j 授权抟 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文律者完全了解学校有关像镦、使用学位论文的舰定， 同意学校保留并向l 奄家有关酃门或机构送交涂文的复印件和电子版， 允许论文被轰瓣籽错漉。本入授权西南交逶大学；以将本沦文鼢全都 或部分内容编入有关数据库进行枪索，可以采j 弱影印、缩印或扫描等 复印手段保存和汇编本学位途文。 本学位论文属于 l 。保密霸，在年解蜜舞运瘸本授权； 2 不傈魁使用本授权书。 ( 请在以上方棰爽打“静) 学位论文作者魏猫诵 r 期：鼬辞编f 踌 指导老师签名： 足期：0 9 r t 1 5 、。附录4 ：两南交通大学学位论文创新性声明 西南交通大学学位论文创新性声明 本入郑熏声嗡：所呈交的学位论文，是在导粪季指导下独立进行研 究j ：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f e 何楚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。本人完全意移 到本 声明的法律结果由本人承担。 本学位沦文的主要创新点如下： 1 在地铁牵引供电仿真模型建立中，对整流机组采用多段折线 的外特性模型，使燔变化理想电压源、内阻的戴维南等效电 路模拟，建立了供电系统仿真模型，可较准确的仿真器时刻 整流机组负荷及牵李| 蹦、钢轨等电位的变化情况 2 利用模型调整列车运行图，仿真电阻制动和再生制动f ，牵 弓 变电所能耗情况，计算利用再生制动能量的节能率，并分 析蹲融调整运行蹦方式对节能率的影嚷。 嚣南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 l 。l 引言 从2 0 世纪5 0 年代中期开始，世界经济和科技水平发展较恢，带动了 铁路运输行业的飞速发展。随着经济的发展，世界城市化进程的加快，城 市的交通拥挤状况也越柬越明显，城市轨道交通作为种新的交通运输工 具，在我函得到越来越广泛的应用。未柬数年将足城市轨道变通发展的黄 金时期。城市轨道交通的类型主要包括地铁、轻轨、有轨电车和磁恳浮列 车等。地铁足目前城市轨道交通的主流，其次足轻轨。地铁的运量在帕 万人d , 时左右。人口密集地区地铁列车在地下封闭的隧道中运行，郊外 人口不密集区在高架或者地面封闭运行，适用于市内和郊区之间。囡其具 有快捷、舒适安全和载客量大的优势，不仪能有效缓解城市交通的紧张状 况，而且足现代化大都市的标志之一，又由于地铁列车采用电力能源做动 力，无污染、噪皆小，所以成为发达城市市内交通的主力军【1 1 。 在城市轨道交通中牵引供电制式基本上采用直流牵引系统，电压等 级多为d c 6 0 0 v ，d c 7 5 0 v 和d c l 5 0 0 v 。这主要由城市轨道交通系统的特 点决定的： ( 1 ) 、城l 耔轨道交通系统多穿行于市区或者地下隧道，电气牵辱| 线路 的走廊空闽有限，不适合离电压等级的牵弓| 系统； 2 ) 、车辆运行密度大，运行翔躐短，频繁起动、加速、惰行和制动。 对子城击轨道交通挈辆束；兑，采用壹流供电具有溺速范 祷丈、调速方便、 易于控制、车辆超制动平稳、投资省、电压质毓高等优点。它不但适合予 电隘起动控制方式，而且也适合用予斩波调压和变频凋压等控稚l 方式。因 此，城轨车辆无论采用直流牵弓| 电动机还是交流牵弓l 电动机，旋转传动方 式还足直线电动机传动方式，都采用了矗流制供电方式弦1 。 轨道列车的制动方式主要分为摩擦制动和动力制动两大类。再生制动 是动力制动的一种。蒋生制动的原理足列车在制动时利朋动力车车轮带动 牵引电动机作为发电机运行，并将发电机产生的电能反馈剑供电系统。再 生制动的最大优点足在实现列车制动的同时，可以节约大量电能。日i j 世 界各国研制的高速列车( 如f i 本的3 0 0 系、法困的t g v - t m s t 等) 均具 有再生制动功能。对于城f 轨道交通来说，具有沾距短、起制动频繁等特 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 点，因此利用再生制动可蛰省的能链非常町观。研究菇生割动能量的充分 利用也具有非常实际的意义i lj 。 1 2 国内外城市轨道交通现状概况 1 2 1 困外地铁发展概况 1 8 6 3 年，伦敦建成赶界上第一条地铁，该地铁线路长为6 5 k m ，采用 7 “挖盖的方法建成，即先从地亟i 将地铁隧道挖掘完毕，修好地铁后 蚶其进行封盖。初期采用蕉汽机车牵引。它标志藉城市快速轨道交通在世 界上诞生。第一条地铁的建成和运营都非常成功，第一年的客运蟹就达到 了9 5 0 万人。1 8 9 0 年伦敦首次采用盾构法旅工修建地铁，该线艮5 2 k m ， 并采用电力机车牵弓f ，为世界上第一条电气化地铁。伦敦地铁现宵1 2 条 线路纵横交错，四通八达，总长超过4 0 0 公里，殴客流量3 0 0 万人次，车 站2 7 0 多个。地铁与火车站、机场联为一体。伦敦希思罗机场和所有火车 站火厅罩都青地铁进出通道，再加上许多地铁站设有汽车自动停车场，所 以地铁的使用率非常高。 1 8 6 3 - - - , 1 8 9 9 年，美圈、英国、法国、匈牙利、奥地利等5 个国家的7 座城市棚继修建了地铁。1 9 0 0 - , 1 9 2 4 年，欧洲和荚洲又有9 座城l 缸修建 了地铁，包括柏林、马德毽、费城等。1 9 2 5 - - - , 1 9 4 9 年，由于第二次世界 大战的影响，城市轨道建设速度放慢。莫斯科第一条地铁于1 9 3 5 年建成 通车。1 9 5 0 - - - 1 9 7 4 年，欧湘、亚洲、美洲宵3 0 余座城市地铁相继通车。 1 9 7 5 2 0 0 0 年，世界进入和平发展时期，又有3 0 余座城市地铁相继通车， 其中亚洲有2 0 余座城市丌通了地铁。 根掘日奉地铁道协会的最新统计资料，到1 9 9 9 年全世界已经育1 1 5 个城市建成了地下铁道，线路总度超过了7 0 0 0 k m 。其中，英、美、法、 德、臼、西班牙以及饿罗斯等发达因家所属的2 0 个城市到1 9 9 9 年来，总 里程达2 8 4 0 k m 左右，其中一半以上为第二次世界大战以后修建的。 1 2 2 国内地铁发展概况 我固于1 9 6 5 年开始建设城市地铁。北京地铁l 号线的建设拉开了我 国现代城l 苻地铁建设的序幕。在我国地铁发展的仞期，地铁的建设主要集 中在北京、上海和广州三个城市，但是随着社会经济的飞速发展，大中城 市的交通问题愈礁突出，因此，沈阳、杭州、成都、两安、南京等城市已 经开始建没地铁。因内各个城市的地铁情况简单介绍如下。 北京 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 北京地铁是我 蝎第一条地铁，一期工程f1 9 6 5 年动工，1 9 6 9 年l o 月通车试运行，宣告了中因没有城市地铁历史的结束。经过三十多年的发 展，现有运营线路3 条，在建线路2 条，近期规划线路4 条。2 0 0 2 年完 成客运最4 8 2 亿人次，约占全市公交总鼋的1 0 。 现有运营线路 地铁l 号线：起点为石景山区苹果困站，终点为朝阳区四惠东站，全 长3 0 4 4 公罩，设有车站2 3 座。现日均客运量约为6 0 万人次。 地铁2 号线：为沿北京l 因城墙的环行线，全长2 3 1 公壁，设有车站 1 8 座，1 9 7 1 年3 月动工，1 9 8 4 年9 月通车运营。现闩均客运置约7 0 万 人次。 1 3 号线( 城市铁路) ：是北京第一条以地面和高架运营为主的线路， 起点为西直门站，终点为东直门站，全长8 5 公罩，1 6 座车站。2 0 0 3 年1 月2 8 日通车。工程总投资6 2 。4 亿元，现同均客运量8 万人次。 八通线，也即l 号线延长线：起点为朝阳区四惠，终点为通州区土桥， 全长1 8 9 5 公里。设育车站1 3 座。工程总投资3 4 亿元。 5 号线：为第一条纵贯京城的地钦线路，起点为丰台区宋家庄，终点 为昌平区太平庄，线路全长2 7 6 公罨，设车站2 3 座。2 0 0 2 年1 2 月动工， 2 0 0 7 年1 1 月开通运萤。工程总投资1 2 0 亿元。 在建线路 地铁4 号线：起点为丰台马家罐，终点为颐和困北富门。线路全长 2 6 2 公鼋，共设车站2 3 座。 地铁l o 号线：起点为海淀火器营，与地铁4 号线、城市铁路、地铁 5 号线、地铁l 号线相交，线路全长2 6 2 公里。 奥运支线：以奥运公踊为起点，在熊猫环岛接入地铁l o 号线，线路 全长4 公里( 4 号线、l o 号线、奥运支线2 0 0 4 年l1 月底开工) 。 东直门至首都机场轨道交通线路：线路起点足东直门交通瓠纽，在枢 纽设计中已予瑟留了本站位置。全线共设车站2 座，起点东直门站，终点酱 都机场站，中f n j 不设站。 办庄轻轨线：线路起予宋家庄，终点次渠镇。 地铁9 号线：起于城市逝郫世界公困东侧的万寿路惠延( 规划道路) ， 至白石桥。招标已经完成。 到2 0 0 8 年，北京将初步形成轨道交通的基本骨架，运营总里程达3 0 0 公壁。 西麾交通大学硕士研究生学位论文第4 页 -_-_删_-_h_-_-删_h_-_-_-一一 一一 一一 上海 上海地铁建设开始于地铁l 号线。 l 号线：地铁l 号线是上海城 蠢轨道交通嘲络中的南 芝主于邀，工程 南起苹庄，北到宝钢。日静已建成通牟的一期工程是上海兴建的第条城 市轨道交遴快速线，工程南越莘庄，北至上海火车站，工程正线全长2 1 3 5 公里。全线设车站1 6 缝。嚣翦曩客流逯己达4 0 万入次左右。近麓建设昀 共和新路高架工程2 0 0 3 年贯通后，地铁l 号线和目前已建地铁2 号线组 成上海求区南北、东两桷互垂直的孰道交道框架，两条轨道线路可在人民 广场专用通道进行换乘。 2 号线：地铁2 号线是上海地铁网络中的塞两线路。话起虹桥机场， 终点为缀溢离科站；在茂戮路避可与在建的磁悬浮线换乘，直达漓东篷际 机场。一期工程全长1 8 9 7 公聚，设车站1 3 座。1 9 9 7 年歼工，2 0 0 0 年6 月l l 一全线试通车。到2 0 0 1 年第三攀度，上海地铁2 号线一期工程闩客 流量己达2 0 万入次左右。 软道交通明珠线：轨道交通明珠线一期唐起，k 海旃站，北楚涯湾镇。 工程全长2 唾。9 7 公罄，设王9 个车遮，2 0 0 0 年辽建成通车。 在建的蹦珠线= 期工程2 0 。辱年建成后，全长2 2 公避，设计1 9 靡车 站，全部为地下站，其中，地下一层站6 连，地下二层站1 0 照，地下三 层站3 鹰，另设箨车场薹缒。4 号线共为主i 条轨道交通线路预留了换乘 点。 地铁羔号线、地铁2 号线稻观璩线一、二瓣工程将最终形成辩枣糖字形 麴城市快速轨道交通体系，将大大方便上海市民出行，产生臣大的社会效 益、经济效益。 广州 地铁1 号线：广捌缝铁l 号线为东两走尚，全长1 8 。4 9 7 公基( 其中 地蕊线2 。0 4 8 公景) ，没1 6 鹰车站。单肉断面高峰小时运能5 5 5 爿人次。 每罗i l 莩6 节编组，最高擎速可达8 0 公聚小时，平均旅行速度3 s 公翟 小时。设计最，j 、菱车闽隔可达到2 分钟。予1 9 9 3 年1 2 月2 8 磊动工兴建。 1 9 9 9 年6 月2 8 口全线开通运营，总工期6 6 个月。2 0 0 1 年3 月2 4 姻顺利 透过国家验收。 蔓塑奎鋈查雯堡圭雯塞塞堂堡篓塞 蔓曼蔓 一一 砸獗互丐甄2 0 0 2 死f 砭了雨虿百虿丐珏三夏再面磊港段 ：通。与原地铁2 号线：年1 2 月2 9 日2 号线三元壁垒晓港毁，1 逮。与熔 有的地铁l 号线形成群十”字型交叉地下轨道嘲络，大大提升城市交通运 载麓力。 广州地铁2 号线经过技术攻关，在我困实现了第个应朋地铁站台屏 蔽门系统、第一个全 仁接触式i e 卡的自动蒋检祭系统，第一个地铁集中 供冷系统，第一个架空剐性憨挂接触嬲技术，第一个使用毽产纯鑫型车辆。 地铁3 号线：2 0 0 3 年，全线4 3 个土建工点汪奇3 7 个实现歼工。 地铁4 号线：采用直线电机牵辱| 系统，全长约6 9 。9 7 公驻。全线蔑设 2 7 座车站。其中大学城专线疑1 4 1 l 公晕，设筝菇5 窿，在琶洲塔蛞与 二号线实现换乘，初步设计概算为5 6 7 7 亿元。4 号线士投入使用的新车 堪称世界最大“肚量”的直线电枧车，每箝车厢核定载客量约为2 4 0 入，比 翔本的直线电桃车多7 0 入。缝铁4 号线将成为世器酋条大运适的线性电 机线路，也是全豳第一条袋煳直线电机车辆技术的轨道交通线路。 此外，广州的城市轨道交通还规划了广佛线、5 号线、6 号线、7 号 线鄹8 号线等地铁线路。广雠线从广州的沥淄到馋出的魁奇路，全长 3 2 3 2 8 公驻，车站2 l 座。5 号线从教口到文园，全长3 l 公驻。6 号线从 沙灵刘沙河，全长i 9 公攀；7 号线从西郊矧小谷暖，取楼2 l ，8 公墨；8 号线从毅州到风鹰薪村，全长1 7 5 公黔。 天津 天溥击地铁既雷线是天滓铁路西站至薪华路全长7 4 公驻，途经遥站 f ； f 街、大丰路、舔马路、南开三马路、南京路，全线熬没八个车站，分别 为：蓖涎站、西藏角遗、两赢角站、二纬路涎、海光寺站、鞍出道站、营 溺道站、瓶华路站、该段地铁予1 9 7 0 年歼工，1 9 8 4 年建成并歼始试运行， 歪2 0 0 1 年l o 月停运。共历时3 1 年。 天津f 静快速鞔道系统规划共规崩了六条线路，总长度1 6 0 6 公鼙，共 设车站1 3 1 瘫，路嬲密度0 + 4 2 公鼹平方公里。确定1 、2 、3 号线为城市 快速轨道交通的壤本骨架线。4 号线为内部填充线，5 、6 号线为外围发展 线的线嬲构絮格弱、轨道交通系统采；蔼放射式的线两结构，并褐并j 两条线 路构成中心市区瞧不封闭的随个半环线以加强组逐间的联系、具体线路 走向为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 l 号线：刘园至双林全长2 6 1 8 8 公里，共设车站2 2 座。该线通过c b d 地区、西南角、西南楼并连接了中心市区边缘的西横堤居住区、小海地居 住区和陈塘庄工业区等并设刘园停车场、双林车辆段( 外环线内) 。 2 号线：曹庄至李明庄，全长2 3 5 公里，设2 0 座车站。 规划中 3 号线：侯台至小淀，全长2 2 3 公里，设1 9 座车站。 4 号线：引河北至张贵庄，全长3 5 7 公里，设2 8 座车站。 5 号线：大寺至北仓，全长3 1 2 公里，设2 4 座车站。 6 号线：李七庄至大毕庄。全长2 1 4 公里，设1 8 座车站。 台北 台北捷运( m e t r o ) 目前运营线路有木栅线、淡水线、新店线、中和线、 板南线、新北投支线、小南门支线共7 条线，线路总长度6 7 2 公里，平 常每日运量9 5 4 3 万人次。计划2 0 2 1 年建成2 3 0 公里路网，每日运量预 测可达3 6 0 万人次。 图1 1 台北地铁运营线路图 其他城市 深圳地铁一期工程于2 0 0 4 年开通，工程包括：地铁1 号线罗湖世界 之窗段和4 号线少年宫一皇岗段，全长2 1 5 公里，共设2 0 座车站，1 个 西南交通大学硕士研究生学位论文第! 页 车辆段，1 个中央监控中心。 此外，成都、南京、杭州、西安器城市也行始了地铁的建设。 1 3 论文研究的主要内容 本论文酋先介缨图内外地铁发展现状，地铁制动系统的发展情况，城 市轨道交通的供电方式以及采用的技术，然后以广州地铁二号线南延段工 程实际数据为基础，利硝v c + + 语言对城市轨道直流牵引供电系统建立了 仿真系统。该仿真系统由接触网、钢轨、杂敌电流收集网和大地等四层子 模型组成，是一个完整的动态潲络。本论文重点讨论考虑再生制动的仿真 系统，并对系统的备模型原理进行详细介绍，参数分析计算。 论文主要通过调整仿真系统的列车运行图，分别对列车采耀和不采用 再生制动的情况进行仿真，通过统计牵引变电所直流侧发出功率的情况， 统计牵引变电所发出能最的变化，计算再生能疑节省率。对影响铃能率的 因素进行分析比较，寻求较为经济合理的运行方式，最大化节能率，并通 过比较增加理想磁能故螯后的节能搴变化，分析目酶最经济合理的再生能 量利用方式。 西南交通大学硕士研究生学位论文第j 页 第2 章轨道交通供电系统 2 1 城市轨道交通供电系统构成 城市轨道交通供电系统负责提供车辆发供电设备的动力能源，般包 括两大部分，一部分为岛压供电系统( 外邦电源) ，即城市电嘲；部分 为城市轨道交通内部供电系统，即通常所说的供电系统。城 亍轨道交通作 为城市电网的一个用户，一般都直接从城市电网取得电能，无需单独建设 电厂，城f 矗电网对城市轨道交通进行供电，供电方式柯集中供电、分散供 电和混合供电l 引。 城市轨道交通供电系统的组成如图2 1 所示。 t n - - l ! 一一：l 。 l 馈线 接触网 尉流线 燃l 赢i 圈2 - i 地铁供电系统 2 2 高压供电系统 城【订轨道交通系统的外郎电源方案，即城l 订电网对城市轨道交通进 行供电的方式，根据城市电网构成的不同特点，可采用集中式、分散式、 混合式等不网形式。 2 2 1 集中供电方式 根据删电量和线路的长短，在城市轨道交遥沿线，建设城市轨道交通 专用主变电所，这种由主变电所构成的供电方案，称为集中式供电。主变 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 电所进线电压一般为ll o k v ，经降琏后变成3 5 k v 或l o k v ，供牵弓l 变电 所与降压变电所。主变电所应有两路独立的进线电源。如图2 2 所示。 城市电网 牵弓l 或降蘸变电所 阁2 2 集中式供电方式 集中供电方式又分为三级电压制鄹两级电压制即1 1 0 k v 3 5 k v ( 或 3 3 k v ) l o k v 系统和1 1 0 k v 3 5 ( 3 3 ) k v 系统。 三级电压制，如图2 3 所示， 图2 - 3 三级电压制集中供电方式结构示意图 两级电压制，如图2 - 4 所示， 强压囊费电桶 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 ：- = 。一 l i o k v l l o k v l l o k v 牵弓l 、降匿主交电所 圈2 - 4 两级电压制集中供电方式环网接线示意图 1 1 0 3 5 ( 3 3 ) k v 两级供电方式，供电可靠性不低于1 1 0 3 5 ( 3 3 ) 1 0 k v 三 级供电方案，面且在工程投资、运营成本、工程建设条件等方面优势明显。 但从谐波的影响来看，三级供电方式的技术要好一些。 2 2 2 分散供电方式 根粥城带轨道交通供电系统的需要，在城市轨道交通沿线矗接由城市 电网引入多路电源，电源电压等级般为l o k v ，供给各牵引或降压变电 所，这种方式为分散式供电。分散式供电应保证每座牵引变电所和降压变 电所能获怨双路电源，要求城市轨道交通沿线青足够的电源弓| 入点及备用 容瞳。如图2 - 5 所示。 0 k y 区域变电所 章弓l 戴烽废变电所 图2 5 分散供电方式 2 2 3 混合供电方式 k v 将瓣嬲种供电方式结合起来，一般以集中式供电为宅，个别地段引 入城市电网电源作为集中式供电的补充，使供电系统更加完善和可靠。这 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 种方式称为混合式供电。 由于城市轨道交通的供电系统与城f f 电网的分布密切相关。凼此设计 时应根据城市电网的构成情况和城市轨道交通的具体情况，选用某种形式 的供电方式。部分城市采月j 的供电方式如表2 1 所示。 表2 1 部分城市采瑚的供电方式 供电方式采用的城市或线路 集中供电三级制上海l 、2 号线、明珠一期、二期、香港、德黑兰 等 鼹级制广州1 、2 号线、深圳、南京、随安、台北等 分散供电沈阳地铁、长春轻轨、大连轻轨、北京城铁、北 京八通线、北京地铁5 号线等 混合供电北京地铁l 号线和环线、武汉轨道、青岛地铁南 托线等 台北捷运供电系统的设计采用集中供电两极制。车站采用交流配电， 电动车组供电方式以第三轨提供7 5 0 v 直漉电压，整流变电站沿行驶路线 设置。全线供电系统单线陶如图2 - 6 所示。 台电系统 1 6 1 k 7 图2 - 6 台北捷返全线供电系统结构图 2 3 1 牵引供电系统构成 牵引供电系统由两部分构成：牵引变电所和牵引网。牵引变电所是牵 引供电的核心，根据牵引供电计算，沿城市轨道交通线路设置。牵引供电 系统的构成如图2 7 7 所示。 籀嚼习 甲妇 【： 图2 - 7 牵引供电系统构成 按照i e c 和我国规程规定，目前我国地下通道的牵引网普遍采用两 种，一种是d c 7 5 0 v 接触轨授电，标称额定电压为直流7 5 0 v ，另一种是 d c l 5 0 0 v 架空接触网授电。允许电压波动范围如表2 - 2 所示。 表2 - 2 直流牵引供电系统电压标准( 单位v ) 标称值最高值最低值 7 5 09 0 05 0 0 1 5 0 01 8 0 0 1 0 0 0 2 3 2 牵引变电所 牵引变电所的位置和容量，是根据运行高峰小时的车流密度、车辆编 组及车辆型式通过牵引供电计算，经过多方案比较后确定。 牵引变电所容量设置遵循以下原则进行设计： ( 1 ) 供电合理，运营方便，满足高峰运营时最大负荷的需要。 ( 2 ) 系统中任何相隔两座的牵引变电所故障解列时，靠其相邻牵引 讴南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 变电所的过负衙能力，仍应能保谜列举的l 常运行，不影响运送客流的能 力。 牵辱l 变电所一般设两套牵引整流机组，其容餐按远期迳量设计。牵引 整流规组鲮过受蕊麓力按i e c 。1 4 6 标准，城南鞔道交通牵萼| 瘸硪类负荷， 其过负荷能力应满足表2 3 和图2 8 所示： 表2 - 3 整流视缎辩受芬特性 负荷1 0 0 额定电流1 5 0 额定电流3 0 0 额定电流 持续时震 连续 2 hl 氆i n 嚣2 - 8 犟号l 燹电餍整流搬缀负蕊赘性 为抑制牵引供电系统产生的谐波电流渡入电网，牵引整流机组至少应 采用1 2 脉波整流。 2 3 3 整流祝组的主要技术参数 ( 1 ) 整流变压器主要技术参数 整流变压嚣采臻户蠹、于式变压器，瘦具备损耗小、低噪喜、骑火、 体积小簿特点。线湖为环氧树脂真空浇注，无空隙、无气泡、不吸潮、不 吸尘、不开裂。 主要技术参数如下： 类型：户内干式变压器 额定电压：菇题7 低蘧7 低压f 空载) 3 3 1 ，1 8 1 。1 8 k v 整流机组感性直流电压调整率：d x n 桊4 1 6 棚数：三相 连接组别：d y 5 删o ( 顺时针移植7 5 。) ，d y 加d 2 ( 逆时针移袒7 5 0 ) 额定容量：2 5 0 0 、3 3 0 0k v a ( 根据实际需要容量确定) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 _ - w _ p _ _ w _ _ _ 。- _ 。_ _ 。_ 一一一一一一 短路鞋i 抗：8 绝缘等级：f 级 绝缘水平：l l l 7 0 a c 为忍1 2 0 a c l 0 两台整流变压器阻抗电驻不平鹚率：2 冷却方式：自然飙冷 ( 2 ) 整流器的主要技术参数 采用平板式、硅二极管整流器，由两个并联的三栩桥构成，十二脉波 全波整流。整流器的二极管选型及二极管回路的设计应考虑足够的电漉及 电压冗余量，管组件安装于金属柜内，并配置完整的控制信号装置及二极 管圈路短路、断路保护和浪涌过电压保护等保护装置。 每台2 2 0 0 k w 整流器配嚣一蘧整流器桓，每台3 0 0 0 k w 整流器配置2 面整流器枢。技术参数如下： 额定壹流电压：1 5 0 0 v 最高直流电压：1 8 0 0 v 额定功率：2 2 0 0 、3 0 0 椿w 额定电流：1 4 6 7 、2 0 0 0 a 二极管形式：平板式 最大重复峰篮反向电压：大于等于4 4 0 0 v 冷却方式：自然风冷。 2 3 a 牵弓 嬲 城f 订轨道交通系统的牵引嘲是沿线路敷设的专为电动车辆供给电源 的装置。它由正极接触溺供电，负极走行轨酗流两部分组成。世界城市轨 道交通除巴黎个别线路为第四轨回漉外，全都采用走行轨哩瀛。接触嬲可 分为接触轨和架空接触嘲两种基本形式。根掘与电动车辆受流器的接继面 不同，接触轨可分为：( 1 ) 上部接触式，接触轨面朝上固定安装；( 2 ) 下 部接触式，接触轨面朝下固定安装。 架空接触蹦义分为剐性和柔性悬挂两种基本形式。除日本个剐城f 缸采 用刚性悬挂夕 ，城市轨道交通多聚用柔性悬挂形式。 图2 - 9 为接触轨和接触湖方式： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 ( c 根国呐d c i s o o v 果瑚胜按麓罔系统( 田柔性殊空接触两 豳29 接触轨与架空接触网应用实例 各城市应根据自己的特点，车辆编组和客流的大小，经过技术、经济 比较等，来决定采用接触轨还是接触网供电方式。现在世界上采用接触轨 供电方式的城市占7 0 ，采用架空接触网的城市占3 9 。两种供电方式 各有其优缺点，在技术上是同时并存的。 接触轨的主要优点是：使用寿命长、维修量小，在地面对城市景观没 有影响，适应于电压较低的制式。主要缺点是：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。 接触网的主要优点是：安全性较好，车辆可随时落弓脱离电源；电压 较高，适应于大运量系统供电。目前我国部分城市轨道交通牵引供电制式 的基本情况详见表2 4 。 表2 - 4 目前我国部分城市轨道交通系统基本情况 2 号线( 环线) 2 3 1d c 7 5 0 v 接触轨 1 3 号线 4 0 9d c 7 5 0 v 接触轨 八通线 1 8 9 6 4d c 7 5 0 v 接触轨 上海l 号线 3 3 。9 6d c l 5 0 0 v 架空剀 2 号线 2 7 3d c l 5 0 0 v 粲窄嘲 3 号线( 嘲珠l 期) 2 5d c l 5 0 0 v 架窀剐 4 号线( 明珠2 期) 2 2 0 3 2d c l 5 0 0 v 架窄列 莘阂线 1 7d c l 5 0 0 v 粲窄湖 广州l 号线 1 8 4 8d c l 5 0 0 v 架窄嘲 2 号线2 3 2 ld c l5 0 0 v 架空i , u l 3 号线 3 5 8d c l 5 0 0 v 架窄网 4 号线( 号线段) 1 4 。1 l难线d c l 5 0 0 v 接触轨 车辆段架空接触嬲 天津地铁1 号线 2 6 1 9 5 d c 7 5 0 v 接触轨 滨海轻鞔线4 5 4 0 9d c l 5 0 0 v 梨空网 深圳一期工程1 9 。5d c l 5 0 0 v 梨空嗍 南京 l - 号线 2 1 7 2d c l 5 0 0 v 絮空蚓 零庆较新线一期工程l9d c l 5 0 0 v 黔鹰式 武汉 1 号线( 一期) 1 0 2 4d c 7 5 0 v 接触轨 大连3 号线 5 1 5 3 d c l 5 0 0 v 架空嘲 台北6 条运营线路 6 7 2 d c 7 5 0 v 接触轨 2 3 5 回流网 西涛交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 盯ir t 2 2 0 1 22 0 2 2 2 0 l 约2r 1 d c 5 0 0 ￥w | l 2 l l5 1 3获2 2 l 毒；囊镪 l厂 排焉挺l 爱宅辨 耩钕竭 i2 1 l 2 1 3 1 2 1 2 l 2 1 4 l l h 1 刊2 1 2 4 l i 鹜2 - l q 牵孳l 变电麓簇线、礴瀛主接线鬻 麦穗；摹羲嚣 应t 铷钒 稿t j 手段两 嚣撬够现 在直流牵引供电系统中，牵引电流从接触嬲流向轨道交通车辆，丽牵 譬| 供电酲流以及再生制动的再生电流，鲻麸擎辆漉向牵弓l 变电所。在正常 运行或者敞障运行时回流流经的所有导体就构成了直流牵引供电系统的 隧瀛嬲。在牵弓| 变电掰中，誉弓| 电流秘回漉麴路径如躅2 一g 牵辱l 变电所的 馈线、网流圭接线潮所示。 当列车处于再生制动反馈能量剑接触嘲的时候，一般列车处控制电压 为1 8 0 0 v ，当超过这个电压，列车上的簇动电阻投入，将电莲降低，翔接 触网电压低于1 8 0 0 v ，丽整流机组处电压离于1 7 5 0 v 时，牵弓! 变电所投入 制动电阻，消耗可麓零 起危险的反馈电畿。 2 。3 6 牵弓l 供电系统运行方式 牵孳| 牵萼| 供电系统的运行方式备黼粹，即芷常运行方式蠢饪一牵孳l 变 电所解列时的运行方式。如图2 1 l 所示。 讴塑皇鎏查兰堡主墅窒皇堂篁篓窭 蔓! 璺夏 _ ，_ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 一一 o p 篓- 东 一 ( a ) i t ! 常运行 牵 牵 1 一- 一 ( b ) 任一牵弓 所解到 图2 - 1 1 牵弓l 供电系统豹运 亍方式 ( i ) 正常运行方式 正线各供电区闯，均由榴邻牵引变电所双边供电；车辆段内接触嘲由 车辆段牵引变电所供电；停车场内接触网山停车场牵引变电所供电。 ( 2 ) 任一牵弓l 变电所解列时的运行方式 当侄一牵弓l 变电威解列( 不含线路端头牵引变电所) ，由相邻变电所 越区“大双边”供电；当正线线路端头的牵引变电所解列，分别由相邻的牵 引变电所单边供电；当车辆段或停车场牵弓l 变电所解列时，由讵线牵引变 电所通过合上正线与车辆段或停车场接触蹦分段隔离开关向擎辆段或停 车场牵引网供电，而车辆段或停车场牵引变电所不向正线支援任务。 2 4 动力与照明供电系统 城市轨道交遁除了直流电动擎辆外，其它所钉交流低难负蒋都出动力 与照明供电系统供电。动力与照明供电系统由随部分组成：降压变电所和 动力照明。 2 5 电力监控系统 城求轨道交通内设备电力监控系统( s c a d a ) ，它的作用是保汪控制中 心对供电系统的主变电所、牵引变电所、降压交电所等供电设备的运行状 态监视、控制和数据聚集。它由设在控制中心的主机、设在各变电所的远 程控制终端以及联接终端与中心的通信网络三部分组成。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 第3 章地铁牵引供电模型建立 3 1 系统仿真分析基本方法 牵引供电系统仿真分析的基本方法主要平均运量法、运行嘲截面法和 基于时变等效电路模型的系统仿真法。 3 1 1 平均运量法h 1 平均运鼋法足以大量栩容雾件的统计和概率论为肇础的计算方法，具 有应用方便、计算简举等优点。应j 弱平均运量法，首先应知逆列车在供电 7 区问的乎均电流。啊铂列车电流间断系数c 两个量值；然后根据运量( 列车 对数) 求出馈电段、牵引变电所的电流、电压授失、功率损失等。在进行 计算时，应确定下列讨+ 算条件： ( 1 ) 、一辆车或列车的平均电流。 ( 2 ) 、列车电流间断系数、列车起动最大电流。 ( 3 ) 、列车运行状况，例妇列车运行间隔、列车编组数、，每辆笮自 重、乘客人数、速度等、并假定问线路上使照问一型号车。 ( 4 ) 、牵弓l 变电所的布置及f f i j 距、馈电方式、牵引系统电压、馈电线 及变电所内的电阻悠等。 ( 5 ) 、上述参数假定足不随线路状况变化的。 运用平均运量法可以初步确定牵引变电所的容量、各镄电臀的有效电 流、牵引网乎均电压损失和馈线功率损失等基本参数。 3 1 2 运行图截面法f 4 l 列擎运行图截画法又称运行图法。它足利用列车运行图中的时闽与距 离、电流与距离的关系求得每扫描时刻列车电流在供电距离上的分布， 从而得到一系列的瞬态供电嘲络图；利j 器它求出馈电线和牵引变电所变化 的电流、电压、功率变化的曲线，进而求出馈电线和牵引变电所的电流、 电压、功率等。 采 j 列车运行图截恧法的条件是： 1 线路的列车运行曲线圈，包括上下行运行圈。圈中给出列车运行 时问( t ) 和经过的距离( 1 ) 关系湖1 ) 和列车用电特性曲线鬏1 ) ，如图3 1 所 示。为列车运行晚点时调整列车运行计划起见，作运行图时将车辆最高速 珏南交通大学硕士研究生学位论文蔓垫页 度、线路曲线限速、出进站限速等比允许值降低3 s k m h 。 图3 一l 歹f j 乍运行图 2 列车运行闽隔( t ) ，馈电线距离( 1 ) 变电所位踅，牵引网结线及馈电 方式等。 3 假没条件是： ( 1 ) 线路上运行的列车具有同一型号，且运行速度棚同； ( 2 ) 褶邻列车之问的运行时间问隔和停站时问相闻； ( 3 ) 所有车辆的运动曲线( 用电电流曲线) 楣扛4 ； ( 4 ) 不考虑酗流时的杂散电流； ( 5 ) 不考虑各变电所的外界特性和供电电源线路阻抗的影响。 3 2 平均运量法及运行图截面法法的优缺点 平均运量法具有计算简单、方便的优点，但是计算结果误差较大。运 行图截面法计算过程复杂，工作量丈，但比平均运量法棚比具有较高的计 算精确度。这两种方法均以牵引变电所为分割点，将整个牵弓l 阏系统分成 多个相互独立的供电区段，计算是以某牵引变电所及其左右两侧各一个牵 引变电所为单元进行的，计算仅涉及到3 个牵引变电所。实际上，在正常 双边供电情况下，出牵引变电所直流母线将全线牵引嘲系统连通为个整 体，这样列车不仅仅从其左右两侧的各一个牵引变电所取流，而足( 理沧 土) 从全线所有牵弓l 变电所取漉。显然，这两种方法均基于局鄢的线性叠 加原理，未从全系统的角度分析直流牵引供电系统。而且这两种计算法尚 不畿反映系统运行时的瞬时牵引网电压水平、钢轨电位、短路电流等，网 时也不能分析杂敝电流泄漏水乎。 ；i 荟“ 蚋 躺 m 弧 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 实际上，全线直流牵引供电系统 娃 毛上连遽为个整体，别车牵弓| 负 荷沿线路分靠，且不同时刻、刁i 列线路条件，列车负荷波动较大，并与运 行图直接相关。列车的运行也会对牵弓l 供电系统产生影响，特别是交流传 动每辆广泛聚用再生制动后，列车的运行将会对牵引嘲的电压水平产生较 大影响。 因此，有必要建立反映牵引供电系统整体结构的仿真模型。 3 。3 系统分析与设计基本方法 直流牵引供电系统的分柝与设汁是城l l ：轨道交通供电系统分析与设 计的一部分，负责解决设计满足列车运行需要的直流牵弓j 供电系统的如下 主要内容： ( 1 ) 、确定直流牵弓l 供电系统的电压等级( d c 7 5 0 v d c l 5 0 0 v ) 牵弓l 嘲和 回流的基本形式。这些方面需要根掘系统的运逯等级、车辆的选型和整个 城 每线网的规划等因素，经过技术经济比较后确定。 ( 2 ) 、牵引变电所全线设置方案和牵弓l 变压器整流机组的容量和运行 方式。 ( 3 ) 、直流牵引供电系统供电能力和运行指标的计算，如牵引列电压、 电流、钢轨电位、系统运行能耗等。 ( 4 ) 、列车切期、近期、远期牵引能耗的估算。 ( 5 ) 、直流牵引供电系统在正常运行方式和故障运行方式下的仿真分 析。 ( 6 ) 、直流牵弓l 牵弓l 供电系统的短路故障电流的分析与计算，继电保 护的整定。 ( 7 ) 、直流牵引供电系统的无功功搴和谐波的计算。 ( 8 ) 、圈流系统和杂敞电流收集黼的设计。 由于本论文仪通过建立仿真模型，分析列车制动部分，所以，在后续 介绍中，仅介绍再生制动相关部分。 3 3 1 分析设计基本流程 根据技术标准和业主要求确定供电制式和 牵弓l 网基本形式 士 收集开展牵引供电系统设计的基础资料 ， 寺 j 熹 线车 车引 路 组辆供 织 电 _ - - _ 一 飞 - 。一 专l + 确定牵引变电所蠢点的基本原则 综合考虑线路和行车