（交通信息工程及控制专业论文）城轨交通牵引供电系统电阻制动控制策略的研究.pdf

摘要 摘要 随着经济建设的蓬勃发展，各种运输量增加很快，特别是市内客流量成倍或成几十 倍的增长，加上城市基础设施建设相对滞后，导致公共交通问题越来越突出，严重的影 响了经济建设的进程。目前城市轨道交通已成为国际上一些发达国家和地区解决城市交 通难的有效措施。制动系统作为交通工具的重要系统，直接涉及到车辆的运行性能和安 全，影响乘客的舒适度。制动性能的好坏还直接关系到车辆运行速度的提高、运能的增 长。因此，车辆制动系统类型的选择、性能尤为重要。 本文分析了城市轨道交通牵引供电系统的结构及其数学模型、再生制动的原理及剩 余能量的处理方式，分析了一种考虑地面电阻制动的直流牵引供电仿真分析方法。通过 建立直流母线设有电阻制动装置的牵引变电所模型，分析了再生制动能量的吸收过程和 不同的地面制动电阻开启电压对再生能量的利用率和牵引网电压的影响。 在该算法的基础上，利用m a t l a b s i m u l i n k 建立直流侧电网模型，通过和m 文 件编写的直流侧算法进行交互，实现了城市轨道交通直流侧潮流计算，并分析了直流侧 母线电压的收敛特性和影响牵引变电所直流侧母线电压的因素。 仿真和结果的校验表明：升高开启电压会使变电所总的输出能量减少，提高再生能 量的利用率，同时也提高了牵引网的电压：反之，降低开启电压，可限制牵引网的电压， 但变电所吸收的能量也相应增多。通过仿真的结果，验证了该系统的可行性。 关键词：城市轨道交通；电阻制动；仿真 大连交通人学丁学硕+ 学位论文 a b s t r a c t w i 也t h ev i g o r o u sd e v e l o p m e n to fe c o n o m i cc o n s t r u c t i o n ，t r a n s p o r ti n c r e a s e dr a p i d l y ， e s p e c i a l l yt h ec i t yt r a f f i cg r e wb ys e v e r a lt i m e so re v e nm u l t i p l i e d h o w e v e r ，t h eu r b a n i n f r a s t r u c t u r ec o n s t r u c t i o nh a sl a g g e db e h i n dw h i c hl e a d st ot h ep u b l i ct r a n s p o r tp r o b l e m s b e c o m i n gm o r ea n dm o r es e r i o u s a l la b o v eg e n e r a t et h es e r i o u si m p a c to ft h ee c o n o m i c d e v e l o p m e n tp r o c e s s a tp r e s e n t t h eu r b a nr a i lt r a n s i th a sb e c o m ea l le f f e c t i v em e a s u r ef o r l o t so fd e v e l o p e dc o u n t r i e sa n dr e g i o n st os o l v et h ep r o b l e m so fu r b a nt r a f f i c n l eb r a k i n g s y s t e m a s a ni m p o r t a n tm e a no ft r a n s p o r ts y s t e m s ，d i r e c t l yr e l a t e st ot h eo p e r a t i o n a l p e r f o r m a n c ea n ds a f e t yo fv e h i c l ea n da f f e c t st h ec o m f o r to fp a s s e n g e r s t h ep e r f o r m a n c eo f b r a k i n gh a sa l s od i r e c t l yi n f l u e n c eo nt h ei n c r e a s eo fv e h i c l es p e e d ，t h eg r o w t ho ft r a n s p o r t c a p a c i t y a sar e s u l t ，t h et y p es e l e c t i o na n dp e r f o r m a n c eo ft h ev e h i c l eb r a k i n gs y s t e ma r e p a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t 1 1 1 i sp a p e ra n a l y z e st h es t r u c t u r eo fu r b a nr a i lc o m m u n i c a t i o np o w e rs u p p l ys y s t e ma n d t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fi t , t h ep r i n c i p l eo fr e g e n e r a t i v eb r a k i n ga n dt h ew a yo fh o wt od e a l w i t ht h er e s te n e r g y i ta l s oa n a l y s e sam e t h o do fd ct r a c t i o np o w e rs u p p l yc o n s i d e r i n g g r o u n d r e s i s t a n c ep a r t i c u l a r l ya g a i n s t i t s s h o r t c o m i n g s t h r o u g ht h ee s t a b l i s h m e n t o f s u b s t a t i o nm o d e lw h o s ed cb u s e sh a v er e s i s t a n c eb r a k et r a c t i o n , i ta n a l y s e st h ea b s o r p t i o n p r o c e s so ft h er e g e n e r a t i v eb r a k i n ge n e r g ya n dd i s c u s s e st h ei n f l u e n c e so f t h eo p e nv o l t a g eo f t h ed i f f e r e n tb r a k i n gr e s i s t a n c e so nt h eg r o u n dt ot h eu t i l i z a t i o no fr e n e w a b l ee n e r g ya n d t r a c t i o nn e tv o l t a g e b a s e do nt h ea l g o r i t h m ，t h ea cs i d eo ft h eg r i dm o d e li se s t a b l i s h e db yu s i n g m a t l a b s i m u l i n ka n di n t e r a c t i n g 、析t ht h ed cs i d ea l g o r i t h mp r e p a r e db yt h em d o c u m e n t s t h ed cp o w e rf l o wo ft h eu r b a nr a i l w a yc o m m u n i c a t i o ni sr e a l i z e d i ta n a l y s e s t h ec o n v e r g e n c ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ed cb u sv o l t a g ea n dt h ei m p a c tf a c t o r so ft h et r a c t i o n s u b s t a t i o nd cb u sv o l t a g e i ti ss h o w e dt h a ta c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o na n dv e r i f i c a t i o no ft h ee x a m p l e ：l i f t i n gt h e o p e nv o l t a g ec a l lr e d u c et h et o t a lo u t p u te n e r g yo fs u b s t a t i o n ，c a ni m p r o v et h eu t i l i z a t i o no f r e n e w a b l ee n e r g y ，a sw e l la si n c r e a s et r a c t i o nn e tv o l t a g e o nt h eo t h e rh a n d ，r e d u c i n gt h e o p e nv o l t a g ec a nl i m i tt r a c t i o nn e tv o l t a g e ，b u tt h ea b s o r b e de n e r g yo fs u b s t a t i o ni n c r e a s e s c o r r e s p o n d i n g l y t h er e s u l t so f s i m u l a t i o nv e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h es y s t e m k e yw o r d s ：u r b a nr a i l w a yt r a f f i c ；r e s i s t a n c eb r a k i n g ；s i m u l a t i o n i l 大连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太董塞通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太蔓銮通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太董交通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太蔓銮通太堂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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名： 饵 日期：盼肜月q 日 学位论文作者毕业后去向： x - 作单位： 通讯地址： 电子信箱： 导师签名： 日期：扩年1 2 - 户1 哆日 电话： 邮编： 大连交通大学学位论文独创性声明 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 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究威 果，也不包含为获得太董銮通太堂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谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有刁= 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： 日期：召年j 堋勺日 4 第一章绪论 第一章绪论 1 1 城市轨道交通的现状及发展意义 城市轨道交通作为城市公共交通系统的一个重要组成部分，在中国国家标准城市 公共交通常用名词术语中，将城市轨道交通定义为：通常以电能为动力，采取轮轨运 转方式的快速大运量公共交通之总称。目前国际轨道交通有地铁、轻轨、市郊铁路、有 轨电车以及悬浮列车等多种类型，号称“城市交通的主动脉。城市轨道交通和其他公 共交通相比，具有以下特点：用地省，运能大，轨道线路的输送能力是公路交通输送能 力的近1 0 倍。每一单位运输量的能源消耗量少，因而节约能源；采用电力牵引，对环 境的污染小u 2 1 。 中国城市轨道交通发展迅速。中国城市规划建设的轨道交通网络总里程己达5 0 0 0 公里，总投资估算将超过8 0 0 0 亿元。随着城市化的快速推进，作为中国城市公共交通 网络重要组成部分的城市轨道交通网络建设也在快速发展。中国已有北京、上海、广卅l 、 深圳等1 0 个城市拥有已建成的轨道交通线路，全国规划建设轨道交通网络的城市则已 有2 5 个。 城市轨道交通是属于资本密集和技术密集的行业。目前中国的建设和运营管理体制 还不足以对项目建设进行有效的监督、引导和控制；国内城市轨道交通行业的法制建设、 技术控制、标准化体系尚未形成。为使中国城市轨道行业具有国际竞争能力，应尽快制 定相关的行业法律法规，促进国产化设备的发展。由于城市轨道交通的投入大，建设期 长，退出成本高，要保证有足够的客运量，才能盈利，因此投资建设应相当慎重，谨防 盲目上马。 中国轨道交通设备在全面建设初期主要依靠进口，价格昂贵，地方财力难以承受。 尤其是一些通过国外贷款建设轨道交通的城市，限于贷款条件规定，必须要用相当一部 分贷款用于购置贷款国的设备产品。自从实施城市轨道交通设备国产化政策以来，中国 城轨车辆国产化成绩斐然，国产城轨车辆不断涌现，如南京浦镇客车厂与法国阿尔斯通 公司合作，生产的地铁车辆供上海轨道交通3 号线使用；大连机车车辆厂生产的轻轨车 辆，供大连的金石滩黑石礁轻轨使用；长春客车厂生产的时速l o o k m 的轻轨车辆， 供天津滨海轻轨使用；四方机车车辆厂生产的地铁空调车辆，供北京地铁八通线使用。 虽然取得了比较大的进步，但面对国外厂家的激烈竞争，国内厂家仍需努力。 大连交通大学t 学硕七学位论文 1 2 城市轨道交通电气制动方式及研究的必要性 制动系统作为交通工具的重要系统，直接涉及到车辆的运行性能和安全，影响乘客 的舒适度。制动性能的好坏还直接关系到车辆运行速度的提高、运能的增长。因此，车 辆制动系统类型的选择、性能尤为重要b 嘲。 由于城市轨道车辆具有站间距离短，列车调速、停车比较频繁，起动快、制动距离 短、乘客波动大等特点。同时，还应具有各种载客量下保持基本一致的车辆制动率的性 能。所以又有别于铁路干线机车，其制动方式一般均采用电气制动为主、空气制动为辅 的空电联合制动方式。 利用电机的可逆原理，在制动时把牵引电动机变为发电机，将机车的动能变为电能。 这时，牵引电动机轴上的反向转矩，作用在动轮上形成制动力，称为电制动。电制动时 牵引电动机所产生的电能，如果将电能重新反馈回接触网中去加以利用，就称为再生制 动或反馈制动；如果利用电阻使之转化为热能散掉，称为电阻制动或能耗制动。 再生制动，它是一种更有经济效益的电气制动。在干线电力机车上，再生反馈电能 可供其他机车牵引使用，所以具有巨大的节能效益。 电阻制动，对于提高列车运行安全和改善运行指标具有重大意义。 而城市轨道交通的优点之一是可以进行电制动，采用电制动具有以下优点： ( 1 ) 提高列车运行的安全性。列车除机械制动系统外，由于配备了电气制动系统， 因而提高了列车运行的安全性。 ( 2 ) 减少了闸瓦和轮缘磨耗。机械制动时，接触表面温度很高，闸瓦和轮缘的磨耗 十分严重。 ( 3 ) 提高了列车下坡运行速度。采用机械制动时，列车下坡速度波动较大，使列车 平均下坡时速下降。 ( 4 ) 节约了能量。采用电阻制动可使列车的动能得到较好地利用。 ( 5 ) 易于实现制动力自动控制。与再生制动相比较，电阻制动控制电路比较简单， 制动力调节十分方便，可以采用恒流、恒速或恒制动力闭环控制，以及实现粘着、功率、 电流、安全整流和速度各种极限限幅控制。 车辆在制动时，如果接触网具有吸收能力，则转化的电能反馈给接触网，此时为再 生制动；若接触网不具有吸收能力，那么转化的电能在反馈给接触网时，接触网电压将 升高，当电压升到牵引网电压上限时，牵引系统启动制动斩波器，将过量电能消耗在制 动电阻内，即施行电阻制动。 2 第一章绪论 轨道交通作为相对环保的大流量交通工具，已被全世界各个大中城市作为解决交通 问题的首选。近十几年来，随着我国国民经济的增长，国内越来越多的城市已经、正在 或将要修建地铁、轻轨或市郊快速轨道交通。未来的几十年我国对轨道交通车辆的需求 量是巨大的。对于事关城市轨道交通车辆安全、正点运行的制动系统，由于其部件寿命 远低于整车寿命，因此其需求量更是巨大。目前在批量订购新车时，城市轨道车辆制动 系统的价格约占整车价格的1 0 ；然而在车辆运用维护时制动系统部件的增购价格约为 新车购买时的5 倍左右。所以从整车的寿命成本来讲，制动系统所占的比例将远远超过 1 0 。鉴于此，充分认识我国城市轨道车辆制动技术的现状是极其必要的。 1 3 本课题的主要任务 ( 1 ) 在城市轨道交通中，轨道车辆在制动控制时，优先使用再生制动向接触网反馈 电能供其它轨道车辆使用，如果反馈电能过大，超过接触网极限电压时，改用电阻制动 方式，当速度降到一定程度时，使用机械制动进而使轨道车辆停止。本课题主要针对电 制动方式时，对接触网电压变化进行讨论分析，对再生制动、电阻制动建立对应的物理 模型和数学模型，对模型进行推理论证，得出可行性制动控制策略。 ( 2 ) 综合考虑接触网电能质量、系统容量、对环境影响等因素，使用再生制动时， 反馈能量对接触网的影响及解决方法；使用电阻制动时，对制动电阻的容量、对环境的 影响以及放置位置等做出比较，得出可行性方案。 ( 3 ) 对可行性方案进行m a t l a b 仿真，使其更具有说服力。 1 4m a t l a b s i m u l i n k 软件简介 m a t l a b 是矩阵实验室( m a t r i xl a b o r a t o r y ) 之意。除具备卓越的数值计算能力外， 它还提供了专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制等功能旧7 1 。 m a t l a b 的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学，工程中常用的形式十分 相似，故用m a t l a b 来解算问题要比用c ，f o r t r a n 等语言完相同的事情简捷得多。 在新的版本中也加入了对c ，f o r t r a n ，c 抖，j a v a 的支持。可以直接调用，用户也 可以将自己编写的实用程序导入到m a t l a b 函数库中方便自己以后调用，此外许多的 m a t l a b 爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用，非常的 方便。 当前流行的m a t l a b 6 5 7 0 包括拥有数百个内部函数的主工具包和三十几种工具 包( t o o l b o x ) 。工具包又可以分为功能性工具包和学科工具包。功能工具包用来扩充 大连交通大学t 学硕十学位论文 m a t l a b 的符号计算，可视化建模仿真，文字处理及实时控制等功能。学科工具包是 专业性比较强的工具包，控制工具包，信号处理工具包，通信工具包等都属于此类。 开放性使m a t l a b 广受用户欢迎除内部函数外，所有m a t l a b 主包文件和各种 工具包都是可读可修改的文件，用户通过对源程序的修改或加入自己编写程序构造新的 专用工具包。 s i m u l i n k 是m a t l a b 最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综 合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操 作，就可构造出复杂的系统。s i m u l i n k 具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、 贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点s i m u l i n k 已被广泛应用于控制理 论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要 求应用于s i m u l i n k 。 s i m u l i n k 是m a t l a b 中的一种可视化仿真工具，是一种基于m a t l a b 的框图 设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、 非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。s i m u l i n k 可以用连续采样时 间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统 中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，s i m u l i n k 提供了一个建 立模型方块图的图形用户接c i ( g u i ) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成， 它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。 本章小结 本章介绍了城市轨道交通的现状及未来发展、城市轨道交通的电气制动方式及研究 的必要性、本课题的主要任务以及m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件。 第二章城市轨道交通牵引供电系统及其数学模型 第二章城市轨道交通牵引供电系统及其数学模型 2 1 城市轨道交通牵引供电系统的构成 我国和大多数国家一样，电力生产由国家经营管理，因此无论是干线电气化铁路， 还是工矿电力牵引和城市轨道交通电力牵引用电均由国家电网统一供给。对于直接从系 统高压电网获得电力的城市轨道交通牵引供电系统，往往需要再设一级主降压变电站， 将输入电压( 11 0 k v 或2 2 0 k v ) 降低到适合直流牵引变电所需要的电压( 1 0 k v 或3 5 k v ) 。主 降压变电站及其以后的部分统称为“牵引供电系统”，如图2 1 所示，包括主降压变电 站、直流牵引变电所、馈电线、接触n ( - - 轨) 、轨道及回流线等汪9 j 。 2 2 交流侧系统 主降压变电所 直流牵引变电所 图2 1 城市轨道交通牵引供电系统 f i g 2 1t h eu r b a nr a i l w a yp o w e rs u p p l ys y s t e m 2 2 1 交流侧变电所 地铁( 轻轨) 交通供电系统，根据实际需要，可以专设地铁( 轻轨) 高压主变电所，由 发电厂或区域变电所对其供电，经主变电所降压后，分别以不同的电压等级对牵引和降 压变电所供电，这种供电方式被称为集中式供电方式。上海地铁一号线就是采用这种供 一r k十 磐j一、 大连交通大学t 学硕十学何论文 电方式，在人民广场和万体馆设置两个主变电所负责整个一号线的牵引动力负荷供电， 二号线、明珠线也采用集中式供电方式。在地铁( 轻轨) 供电系统中，也可以不设地铁( 轻 轨) 主变电所，由城市电网中的区域变电所直接对地铁( 轻轨) 牵引变电所或降压变电所供 电，这种供电方式被称为分散式供电方式。北京、天津地铁就采用这种方式。供电方式 的不同，会对变电所的选择和分布产生影响，下面对交流侧各类变电所进行介绍。 主变电所的作用是将城市电网的高压( 1 1 0 k v 或2 2 0 k v ) 电能降压后以相应的电压等 级( 3 5 k v 或1 0 k v ) 分别供给牵引变电所和降压变电所。为保证供电的可靠性，一般设置 两座或两座以上主变电所，主变电所由两路独立的电源进线供电，内部设置两台相同的 主变压器。根据牵引负荷容量和动力负荷容量的大小情况不同，主变压器可采用三相三 绕组的有载调压变压器，也可采用双绕组的变压器，使3 5 k v 电压和1 0 k v 电压来自不 同的变压器。采用有载调压变压器使得电源进线电压波动时二次侧电压可维持在正常值 范围内。 牵引变电所的功能是将城市电网区域变电所或地铁主变电所送来的3 5 k v 电能经过 降压和整流变成牵引所用的直流电能，其主接线包括高压交流( 3 5 k v ) 受、配电系统和直 流( 0 7 5 k v 或1 5 k v ) 受、馈电系统两部分，其中，整流机组则是交、直流系统变换的重 要环节。牵引变电所的容量和设置的距离根据牵引供电计算的结果得出，并作经济技术 比较后确定。变电所一般设置在沿线若干车站及车辆段附近，变电所间隔一般2 4 k m ， 牵引变电所按其所需总容量设置两组整流机组并列运行，沿线任一牵引变电所故障，由 两侧的相邻的牵引变电所承担其供电任务。 降压变电所是为车站与线路区间的动力、照明负荷和通信信号电源供电而设置的， 可与直流牵引变电所合并，形成前述的牵引、降压混合变电所。 2 2 2 交流侧网络拓扑 由于交通运输的重要性，所有轨道交通的牵引供电都属于电力部门供电的一级负 荷，即要确保向它供电的可靠性。为此，牵引变电所均由两个独立的电源供电。又由于 轨道交通线路分布范围较广，通常需要在轨道沿线设置多个牵引变电所向它供电，再加 上电源线路的具体分布情况不同，因此，交流侧的电网拓扑的形式复杂多样，但总的来 说可以归纳成以下几种典型的形式n 0 | 。 ( 1 ) 环形供电接线 图中a 为牵引变电所；b 为主降压变电所；c 为线路三相输电电线；d 为轨道线，本 节以下各图中符号意义相同。 6 第二章城市轨道交通牵引供电系统及其数学模型 由两个或两个以上主降压变电站和所有的牵引变电所用输电线联成一个环形。环形 供电是很可靠的供电线路，因为在这种情况下，一路输电线和一个主降压变电站同时停 止工作时，只要其母线仍保持通电，就不致中断任何一个牵引变电所的正常供电，但投 资较大。 d 图2 2 环形供电接线图 f i g 2 2t h ew i r i n gd i a g r a mo fa n n u l a rp o w e rs u p p l y ( 2 ) 双边供电接线 由两个主降压变电站向沿线牵引变电所供电，通往牵引变电所的输电线都经过其母 线联接，为了增加供电的可靠性。用双路输电线供电，而每路按输送功率计算。这种接 线可靠性稍低于环形供电。当引入线数目较多时，开关设备多，投资增加。 图2 3 双边供电接线图 f i g 2 3t h ew i r i n gd i a g r a mo f d o u b l es i d e dp o w e rs u p p l y ( 3 ) 单边供电接线 7 大连交通火学t 学硕十学位论文 当轨道沿线附近只有一侧有电源时，则采用单边供电。单边供电较环形供电和双边 供电的可靠性差，为了提高可靠性，应用双回路输电线供电。单边供电设备较少，投资 也少些。 d mmmmm- -mmmmmmm- - - 图2 4 单边供电接线图 f i g 2 4t h ew i r i n gd i a g r a mo fs i n g l es i d e dp o w e rs u p p l y ( 4 ) 辐射形供电接线 d mmmmm m m- - - -mmmm m- - 图2 5 辐射形供电接线图 f i g 2 5t h ew i r i n gd i a g r a mr a d i a lp o w e rs u p p l y 每个牵引变电所用两路独立输电线与主降压变电站联接。这种方式接线简单，适合 于轨道线路成弧形的情况，但当降压变电所停电时，将全线停电。在实际设计中，常常 是以上某些典型接线方式的综合，且当供电系统的一个元件故障损坏时，该元件应能自 动解列而不致破坏牵引供电。 第二章城市轨道交通牵引供电系统及其数学模型 2 3 整流机组 直流牵引变电所的主要功能是将交流进线电压通过整流变压器降压，然后经整流器 把交流电变成直流电，供机车的直流牵引电动机使用。为了提高直流电的供电质量，降 低谐波对交流侧的影响和直流电源的脉动( 波动) 量，通常采用多相整流的方法，可以是 6 脉波、1 2 脉波整流或2 4 脉波整流，如深圳地铁4 号线和在建的成都地铁1 号线均采 用2 4 脉波整流的方式。下面介绍1 2 脉波整流机组的原理及其模型。 2 3 1 整流电路 2 组 r l 图2 61 2 脉波整流机组结构图 f i g 2 6t h ed i a g r a mo f t h e1 2 - p u l s er e c t i f i e r 整流变压器的原边三相绕组为“”接线，相应端点为a 、b 、c ，两个副边绕组， 一个为“y ”接线，端点为a 、b 、c ，另一个绕组为“”接线，端点为a 、b 、c 。“y ” 接线的副边绕组连接到由整流管l “组成的第一组三相整流桥上；“x 接线副边绕组 连接到由整流管1 - 6 组成的第二组三相整流桥上。两组整流桥的“正 端通过平衡电抗 器l p 相连接，其接点分别为e 和g ，平衡电抗器的中点f 接负载( r ，l ) 一端，负载的另 一端接到两组整流桥“负”端的连接线上，这样就构成了由两个三相桥通过平衡电抗器 连接的并联工作电路。三相整流桥的输出整流电压为六相脉动波形，各波相差6 0 0 ，如 果另外一个三相整流桥的输出整流电压脉动相位与第一个相差3 0 0 ，则两组三相桥通过 平衡电抗器并联工作就能构成十二相脉动整流电压，如图2 6 所示。 等效2 4 脉波整流机组是由两套1 2 脉波整流机组构成，1 2 脉波整流由两个6 脉波三 相整流桥并联组成。其中一个三相整流桥接向整流变压器的二次侧星形绕组，另一个三 9 大连交通人学下学硕十学位论文 相整流桥接向整流变压器的二次侧三角形绕组。每台整流变压器二次侧星形绕组和三角 形绕组相对应的线电压相位错开r e 6 ，可以得到两个三相桥并联组成1 2 脉波整流电路。 当供给两1 2 脉波整流器的整流变压器高压侧并联的绕组分别采用7 5 0 外延三角形联 接时，两套整流器并联运行即可构成等效2 4 脉波整流，如图2 7 所示。 a c l l 0 k v j ) a c1 1 0 1 3 5 k v 图2 72 4 脉波牵引整流站主电路原理图 f i g 2 7t h em a i nc i r c u i tp r i n c i p l eo f2 4 一p u l s et r a i l i n gc o n v e n i n gp l a n t 2 3 2 牵引变电所的电路等效 整流变压器的空载电压是空载直流输出电压波形的平均值，它与输出波形的幅值、 脉波宽度和形状有关。6 脉波、1 2 脉波和2 4 脉波整流机组空载直流输出电压的波形只 有脉波宽度不同，分别为n 3 、7 c 6 和r e 1 2 ，而它们的波形变化相同，同为正弦变化， 所以可以根据整流机组输出波形来计算空载电压啪删3 。 6 脉波 = 半 ( 2 1 ) 1 2 脉波 吃= 警s i n ( 丧) 嘞 2 4 脉波 1 0 第二章城市轨道交通牵引供电系统及其数学模型 ，2 4 6r 兀、 一 p 圹了硒m 【西j 式中，屹。为理想空载电压，为相电压有效值。 为了导出整流机组稳态的工作模型，需要作以下的几个假设b 5 瑚1 ： ( 1 ) 整流机组交流母线装设有完善的滤波装置，因而认为整流器交流母线上的电压 是正弦波形，不含谐波； ( 2 ) 整流机组交流母线上的电压是三相对称的； ( 3 ) 整流机组本身的运行也是对称的； ( 4 ) 直流电压、直流电流是平直的； ( 5 ) 整流机组变压器无损耗且激磁电抗可以忽略。 系统仿真时，可以将牵引变电所进行戴维南电路等效。在戴维南等效电路中，牵引 变电所用等效内阻r 。与理想电压源k 相串联来表示。理想电压源由交流电源空载电压、 系统阻抗和整流机组的有关参数和其工作状态等决定。牵引变电所的内电阻由以下几个 方面因素决定：整流电路的拓扑结构、整流变压器的阻抗参数、交流电源的系统阻抗、 整流元件的电压降以及整流电路的工作状态等。 通常情况下，2 4 脉波整流器在仿真模型中可以进行戴维南电路等效。其中矿为变 电所整流机组空载输出电压。k 为变电所的额定输出电压，为额定输出电流。等效 后的电路结构如图2 8 所示。 图2 8 变电所等效电路结构图 f i g 2 8t h ee q u i v a l e n td i a g r a mo f t h es u b s t a i o n 大连交通人学t 学硕十学位论文 这里以6 脉波整流机组为例推导交直流稳态模型。桥式整流器等效电路如图2 8 所 示。等效电路中的电压，电流为平均值，内电势为触发延迟角伐的函数，换相角p 没有 专门表示于图2 8 中，而是用r 。，代表了换相叠弧的影响。 圪= v d 0c o s c t 一如l ( 2 2 ) 如果不存在换相重叠弧现象，则 = ，c o s a ( 2 3 ) 但当有换相重叠弧出现时 = ，c o s 仅一 ( 2 4 ) 圪= ( c o s i x c o s 6 ) 2 t 5 = 6 t + p 式中，是由换相重叠弧引起的平均电压降。故屹可表示为： v d v d oc o s 6 t - - 等( c o s c t - e o s 6 ) = 等( c o s 仅+ c o s 8 ) ( 2 5 ) 由式( 2 1 ) 可得 ：坐型半堕 ( 2 6 ) 兀z 忽略损耗，则交流有功功率与直流功率相等， 兄= 圪 因此，3 t ，c o s d ? = 厶，式中i l 。为基频电流有效值。 根据式( 2 4 ) 有 3 t 。c 。s 巾= 苎丝竺堡掣巨v 厶 ( 2 7 ) 7 cz 因此 i l i c o s d p = 巨 ( 半) i 7 c 八 z ， 第二章城市轨道交通牵引供电系统及其数学模型 当p = 0 时，巾= 0 【 i n ：竖l 。 兀 用五加表示“= o 时的丘。，则上式可表达为 式中 l zc o s 巾巩。( 半) 小鱼l 兀 2 3 3 交直流变换的稳态数学模型的近似描述 近似表达式l 。可认为近似等于t 。 t 。小鱼厶 丁【 ( 2 8 ) ( 2 9 ) r 2 1 0 ) 当p = 0 时，上述关系是精确的；当p = 6 0 。时，误差为4 3 ；而当p l 0 0 0 r l ，)( 3 2 2 ) z i = z + + i 。l1 3 2 2 l o r 5 、 “ 、 7 f ，：f + 盟+ 0 0 0 0 1 3 l , ( 只 l 3 ll s ) (323)rl z i = z 十o + i 矗 0 ，使 i i f 7 ( x ) 一f ( x ) lj - 0 i ，得到： x k + l = & 一女f ( 吒- if ( 吒) ，k = o ，1 ， ( 3 4 7 ) 通常取0 c o 女1 ，使它满足： i i f ( x , 卅) l l lf ( x 。) l i ( 3 4 8 ) 方法( 3 4 7 ) 称为牛顿下山法。一般牛顿法并不保证( 3 4 8 ) 成立，对式( 3 4 7 ) ，由于大部 分情况下可选择适当咄使式( 3 4 8 ) 成立，因而对初始值x o 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 4 7 ) 求根时，每步分别取= 1 ，1 2 ，1 4 ， 2 9 大连交通大学t 学硕十学位论文 直到式( 3 4 8 ) 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x ( ) 原地踏步的情况发生，常用一个较小的正 数来控q ，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。 ( 2 ) 阻尼牛顿法 使用牛顿法( 3 4 5 ) 的另一个限制就是要求f ( ) 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 4 4 ) d p 引入参数k ，使迭代序列改为： x k + ，= x k 一 ，( 坼) + k 刀- 1f ( 坼) ，k = o ，1 ， ( 3 4 8 ) k 称为阻尼参数，方法( 3 4 8 ) 称为阻尼牛顿法。适当选取k 可使f 7 ( x 以) + k ，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。 ( 3 ) 带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： x k “= 吒一。 ，( ) + k ， _ 1f ( 吒) ( 3 4 9 ) 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。 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。 本章小结 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。 3 0 第四章城市轨道交通制动策略分析 第四章城市轨道交通制动策略分析 4 1 城市轨道交通基本制动方式 当前，城市轨道交通的制动方式主要是：空气制动、电制动，以及空电配合制动。 空气制动即空气闸瓦制动，电制动是电阻制动和再生制动的总称。电阻制动的原理是通 过将列车的牵引电机转换为发电机，从而将列车的动能转化为电能，通过电阻发热消耗 掉。再生制动也是利用电机转换的原理消耗机械能，只是将制动中产生的电能反馈到电 网中去加以利用，因此再生制动能够节约电能，属于比较理想的制动方式。电空配合制 动是通过制动器和列车上的其它控制设备，合理分配电制动和空气闸瓦制动的大小和比 例，可以实现比较理想的制动力，从而能对列车进行分级制动控制。从国外引进的地铁 车辆基本上都配有电制动优先的电空配合制动装置，近年来国产地铁车辆已经对国外技 术进行了消化和吸收，也实现了电空配合的制动装置。电制动优先，空气制动配合的制 动方式是地铁与城市铁路制动的重要不同之处n6 | 。本章着重分析再生制动的原理和能量 的处理方式。 4 2 再生制动原理 再生制动将列车在制动时的动能转变为电能反馈给电网，供本列车的辅助系统和其 它列车使用，这样不但节约了能源，也减缓了地铁隧道内温度的上升，是一种较为理想 的制动方式，己被广泛应用在各种地铁列车上。对于地铁列车的再生制动，根据其牵引 系统的不同又分为交流牵引系统的再生制动和直流牵引系统的再生制动7 。 4 2 1 交流牵引系统的再生制动 交流牵引系统的再生制动原理是：制动时，控制给牵引电机供电的w v f 逆变装置， 使得牵引电机定子的电压频率低于其转子的旋转频率，这样交流牵引电机就转变为发电 机运行，并将发出的电能反馈给电网，如图4 1 所示。 此时产生的电磁制动转矩死为 = k 7 fc o s2( 4 1 ) 大连交通大学t 学硕十学何论文 ： 图4 1 交流牵引系统再生制动原理 f i g 4 1t h er e g e n e r a t i v eb r e a k i n gp r i n c i p l eo f t h ea ct r a c t i o n 堕 c o s 0 2 = - 埘 - s ：n o - n ：丘丛：五 zz 式中，西为气隙磁通，k 丁为电机转矩系数，是折算到定子侧的转子电流，c o s t l ) ： 为转子电路的功率因数，耳是折算到定子侧的转子感应电势，足是折算到定子侧的转 子电阻，墨是折算到定子侧的转子漏抗，s 为转差率，胛，n o 分别为电机转速和定子电 源同步转速，石，石，z 则分别为定子电源频率、转子电源频率及转差频率。 当转差率s 较小时有c o s t i ) ：1 ，考虑到与最f , 成反比，且电机系数k = l r ；，于 是有 3 2 ( 4 2 ) ( 4 3 ) e一厂刁 n i 一一 e 一厂 ( h 刮 塔 厂 第四章城市轨道交通制动策略分析 由此可见，只要控制g ，彳，z ，即可达到控制制动电流e 和制动转矩的目的。 4 2 2 直流牵引系统的再生制动 u e l e m ： 图4 2 直流牵引系统再生制动原理 f i g 4 2t h er e g e n e r a t i v eb r e a k i n gp r i n c i p l eo ft h ed c t r a c t i o n 直流牵引系统的再生制动原理是：制动时，控制斩波器c h 的导通和关断，斩波器 c h 导通时，牵引电机发出的电能贮存在主平波电抗器m s l 内；关断时，主平波电抗器 m s l 的自感电势置和牵引发电机感应电势厶叠加，此时发电机的感应电势虽低于 网压反，但叠加后便高于网压，经二极管d 向电网反馈电能，并同时产生电磁制动转 矩使列车减速。其产生的电磁制动转矩死为 t m = k m 固l ? im 媳 式中：k m 为电机转矩系数； ，为电机励磁磁通； l 为牵引发电机电流。 斩波器导通时( 若忽略电机、电抗器及线路的电阻) 有= e l ，考虑到 e m - k 。内f n ，e i j - l 等 于是有 大连交通人学t 学硕十学伊论文 耳刀：l 了d i m i ( 4 5 ) 式中：群为电机结构系数； 三为主平波电抗器电感； k 为斩波器导通时电机电流。 斩波器关断时 + e l = k c 西l n + l 鲁= b 式中：乙，为斩波器关断时的电机电流。 若斩波器的开关周期为丁，导通时间为互，导通比o 【= r , r ，则 ：e 。t - r , ：( 1 0 【) b ( 4 6 ) i s ：毛_ t - f r , ：( 1 一仅) l ( 4 7 ) 式中：毛，厶分别为牵引电机的平均电流和再生制动电