英语翻译电气1101-201109141-杜江翻译中文1

兰州交通大学毕业设计（英文文献翻译）用于轻轨系统的一种新型高压直流电源的仿真计算和优化设计Rmi Vial, Delphine Riu, Nicolas RetireGrenoble Electrical Engineering Laboratory, 38402 Saint-Martin dHres, FranceE-mail : remi.vial, delphine.riu, nicolas.retiereg2elab.grenoble-inp.fr摘 要在本文中，介绍了一种用于轻轨的新型高压直流供电系统，并与基于交/直流转换器控制的传统配电网进行了比较。考虑到机车的运行和高速直流电力的分配，设计了一种针对这样一个复杂的系统进行仿真的仿真工具。然后，使用拉格朗日公式对高压直流供电结构和控制进行优化。最后，将所有的结果和传统的配电方式进行比较，显示出了用于轻轨系统的供配电的优点。关键词：轻轨系统，高压直流电源，模拟工具，优化设计1 引言根据欧洲能源节约政策公共交通系统期望减少能源损耗。像阿尔斯通公司一样的公共交通（轻轨、高速铁路、高速列车）供应商，旨在以低投资和低运行费用提供节能的轻轨系统1。轻轨系统是一个包含一个由架空接触线供电的运行机车的复杂系统。如今，受限于城市公交系统的运量，这种运输系统在城市得到了广泛应用。这种系统和地下轻轨系统相比造价更低、需要的工作量更少1,3。轻轨供电系统可以通过机车储存能量、临近机车的消耗或高效的分配系统的方法获得更好的制动系统能量恢复，即提高能量利用效率。在本文中，作者着重论述了最后一点的改善。以前，轻轨系统的供电系统包括一个上百万瓦特的大容量变电所，这个变电所包括一个电力变压器、一个由二级管组成的整流器和保护部分2。这种变电所既不可控又不可逆，因而它在整体范围内效率提高的可能性受到了限制。而且，由于体积过大，使得这种变电所在城市的综合使用极为困难3。本文主要涉及一种用于轻轨系统的新型电源。这里，作者提出一种减少损耗并包括有与传统变电站控制结构相反的电源拓扑结构。这种电源结构基于一种整流器和沿轨道分布的小型变电站互相连接的中介高压馈电线的使用。小型变电站用简单同步降压转换器将高压直流电转换成低压直流电。这些变电站将变得成本更小、综合更方便。这种拓扑结构减少了牵引供电变电站的数量，并允许更好的标准化从而降低了成本。本文第一部分介绍这种基于高压直流变电所的新供电系统。第二部分论述了一种适用于全球轻轨系统包括机械和电气系统的仿真工具。第三部分介绍了一个简单的机车运行轨道对传统和高压直流供电网络的比较。最后，介绍了一些优化结果，显示了系统的全局性能控制的影响。2 电力系统研究2.1 传统供电网络通常，轻轨消耗1MW的峰值功率，通过直流750V架空线向牵引供电变电站取电。架空线电压必须保持在600V到900V之间以满足电压波动时机车的正常运行。为了将电压控制在这个运行范围，便沿着轨道每公里都配置牵引供电变电站2。标准牵引变电所中，降压变压器将20kV交流电变成585V交流电，然后供整流网络使用，如图2.1所示。虽然在轻轨系统中有不同的整流技术，但三相二极管整流桥的使用还是最主要的3。790V直流电流通过断路器流入架空接触线供电。最后，通常需要输入滤波器来减少配电网中整流器产生的谐波污染2,4。考虑到车辆组成，供电电流通过受电弓和LC输入滤波器流入直流母线。然后，发动机由供应异步牵引电动机的整流器组成3，异步电动机的转矩通过驱动程序和嵌入式计算机控制，以达到跟踪时间进度和确保舒适的操作的目的。这个传统的网络得到了广泛使用，却导致了两个问题。其一，二极管桥是不可逆的，其二，电流只能沿着从交流供电网络到机车一个方向流动。当机车减速时，牵引电动机作发电机工作，逆变器作整流器工作。因此，如果牵引相的另一辆临近机车供电不足，则电能被送回输电线，使得直流母线电压接近900V。所以，接入变阻器吸收多余能量，这样就降低了效率12。再者，牵引变电所体积大，价格昂贵。其综合是相当困难的，通常其位置也不仅只是由电气考虑作为指导的。此外，电压升降随着机车和牵引变电站的距离变得越来越重要。这两个问题增加了损耗，减少了再生制动能力。图2.1 标准供电系统2.2 高压直流供电网络如今，由于电力电子设备的飞速发展，高压直流网络越来越受到广泛使用。其被用在国家电网、数据中心和风力发电厂5,6。本文提到的供电网络是基于牵引变电站和架空接触线之间的中介高压直流母线的。实际上，通常供电损耗的减少可以通过高压来实现。如法国的高速列车通过25kV交流架空接触线供电，可承受50kV电压的馈线以25kV电压输电。然后，在牵引变电站中按规律隔开的自耦变压器将电压降低。本文作者基于相同的原则提出一种新的高压直流电源。然而，不是用变压器降低中介高压直流馈线的电压，而是引进了同步斩波器，如图2.2所示。斩波器是只需两个电力开关和滤波器同时工作的最简单的电力整流器，其能量是可逆和全控的。它的使用使得将网络内的电压控制在标准值和控制功率潮流成为可能。通过简单调整其工作周期，整个系统的效率将大为提高。车辆之间的能量交换简化了，允许移除制动系统变阻器且需要和电网进行的交换更少。而且，斩波器远比牵引变电站价格便宜、体积小。它们的整合将变得简单，从而可以安装在需要的位置。图2.2 高压直流供电系统2.3 对轻轨线路的研究这种轨道的描述如图2.1和图2.2所示。输电线每1.5km由有规律的分散的车站和变电站隔开。机车分配的功率是1MW。3 用于仿真工具的高压直流轻轨系统模型包括运行的机车、大量的电力电子设备和一些需要获得的性能所设计的轻轨系统是很复杂的。有许多仿真工具，它们组建了传统的交/直流供电系统模型，但是对于车辆机械行为的描述却很少，对于轻轨系统设计的描述就更少了8,9,10,12。显然，它们不适合我们的电源拓扑结构。然后，作者设计了一个基于Matlab的仿真工具，主要用于高压直流轻轨系统的静态建模。这个模拟器分三部分。第一部分模拟机车的机械行为，第二部分模拟司机的行为，最后一部分是一个混合的交/直流电压源。这一部分，我们一方面关注机车运行和转矩的分量模拟，另一方面关注电力系统的模拟。然后，我们对计算的运行结果和仿真工具得出的结果进行讨论。3.1 机车运行模型牵引电动机运行时的最大转矩和制动区取决于转速和母线电压，可以表示为：式中，是转速为和母线电压时的最大转矩；，为电机的参数，是常数；是由式3.1确定的等级因数。 (3.1)式中，是直流母线额定电压。由式3.1得到的转矩和机械速度的变化如图3.1所示。通过驱动程序调节使最大转矩达到目标值。可以用式3.2表示3,7。 (3.2)式中，称为缺口命令。引进用来模拟考虑牵引制动需求时司机的行为。图3.1 机车运动模型考虑到传动装置和车轮的减少，电动机承受的压力也减小了，这个由整个机车产生的压力可以用式3.3表示： (3.3)式中，是整个机车的运行压力，此时，为机车运行速度，为电动机数量，是效率（考虑传动装置），为传动比，为车轮半径。减去摩擦阻力和电阻器值后，可以很容易计算出加速度。由式3.4表示： (3.4) (3.5)式中，为轨道的倾斜角，m为机车的质量，是考虑转动惯量以及让A，B，和C保持常数时对应的一个系数。通过依次集成，就可以计算速度，确定车辆可能的位置。所有这些变量都由一个嵌入式计算机监控，以使操作更可靠、更舒适来进行限制。然后，还必须对急拉效果和加速度影响进行限制7。这种模型可以计算所有的机械变量，从轨道剖面到驱动行为。应该指出的是，司机行为是建模过程中很困难的一部分6,11。在本文中，司机不仅仅是一个简单的控制器，还有预测速度的限制和机车的停止。通过计算各计算点的停止和制动距离，作者就可以知道司机需要加速、减速，还是滑行。最后，机械计算中，简单轨道上需要为机车供应的电能如图3.2所示。这个曲线是在直流母线电压一定的情况下计算得到的。顺便说一下，这个电压在标准轨道上波动更大。因此，电能模型就必须提高分析能力。图3.2 需要供应的电能和机车位置3.2 供电系统模型然后，静态模型的最后一部分是高压直流供电系统功率流。首先，忽略所有的电气动力。有了这样的假设，交/直流整流器就可以看作串联了一个代替了重叠部分电阻的电压源，如式3.6计算。 (3.6)式中，是平均整流直流输出电压，是交流电压值，是触发角（只有晶闸管整流器才有）的余弦值，是整流变压器的电抗值，是整流得到的直流电流值12。电能潮流问题的解决基于牛顿-拉夫逊迭代算法，可以很方便的按每一基本单位来算13。在每个基本单位系统中，式3.6可以写作式3.7。 (3.7)三相整流器的有功和无功功率可以用式3.8表示： (3.8)功率因数可以由式3.9计算得到： (3.9)其中，k可以看作一个常数。网络的高压直流部分用一个连接整流器高压侧电压值:和电流斩波转换器两个变量的常电导矩阵来描述。 (3.10)对于网络低压直流部分（架空接触线），电导矩阵根据机车位置而改变。于是，这个矩阵的结构取决于车辆之间和降压转换器的互联。而且，系数随机车位置的变化而变化，表示如下： (3.11)式中，和分别是降压转换器低压侧的电压和电流。和分别是机车电压和电能。用直流等效变压器模拟降压转换器。电流和电压通过调节输入和输出的工作周期进行调节如式3.1214。 (3.12)对于交流部分，我们应用古典潮流方程3.13，和整流器相连的点有功功率和无功功率分别等于和，其余节点为0。 (3.13)通过求解这个非线性系统，就可以计算出不同结构和不同控制模式时的效率。由于降压转换器是完全可控的且可逆的，选择避免可以产生损耗的电流循环的正确工作周期是很必要的。而且，不同转换器可以互相影响，产生低频干扰。转换器的输入滤波器也可以造成不稳定，所以必须研究电力网络的动态行为。而这将在以后的作品中作进一步论述。3.3 仿真工具介绍这个基于Matlab开发的仿真工具用于分析整个轻轨系统。首先，程序计算，接触线电压给定时，由电源供应机车所需电能。然后，计算高压直流供电系统的功率潮流，以提高车辆的电压值。计算的一种新思路是在机车侧进行计算，等等。对于一个简单的轨道，仿真时间约为4秒，这是非常合理的。4 高压直流输电系统结构分析本节中，根据轻轨系统的效率和供电电压，对传统的和高压直流输电系统结构进行了比较。更多的结果将会在下一节控制系统的优化中给出。对于第一个和最后一个车站之间的简单输电，计算出的交流母线供电的整体效率和电压分别如图4.1和图4.2所示。然后，通过这些定期的仿真，可以清楚的看到，这个基于直/直流转换器的新供电系统结构可以显著提高配电系统的整体效率和电能质量。这些结果在变电站之间更明显，效率差异可达2个百分点，而电压差距可达20V。图4.1 提出的供电系统的效率最后，这个仿真工具可以让轻轨设计者在合理计算时间内评价给定的供电拓扑结构性能。而且，为了设计并优化像变电站和储能元件一样电源的功率，这种工具可以完成对一种嵌入式存储结构的能量利用率的计算11。图4.2 提出的供电系统的直流电压5 设计的优化在这最后一部分，作者提出了对供电系统的静态优化。然后，决定了遵守电气约束减小网络损耗的控制规律。约束等式见式3.7至式3.13；约束不等式源自各电压等级的轻轨标准，如式5.1所示14。 (5.1)优化问题可以表示为式5.2： (5.2)式中，x和u分别表示电气变量和控制变量（即整流触发角和斩波转换器的占空比）。 (5.3)减少功率损耗后，目标函数方程如下： (5.4)最后，问题的约束等式可以表示为： (5.5)用拉格朗日方程解决优化问题：。优化程序使用fmincon Matlab函数进行计算。这一部分，对供电系统的拓扑结构做了一些修改。然后，和传统结构一样，只考虑了距离初始位置500米和1千米处得两个直/直流变电站。轻轨系统功率恒定为1MW。并假定只从最初的车站到最后的车站流一次。牵引变电站交流侧计算出的整体损耗如图5.1所示。图5.1 优化设计的整体损耗而且，如图5.2所示，供应的电能质量也得到了改善。因此，使用优化程序控制方法使电压降显著减少。可以得出，每次控制算法达到至少一个直/直转换器的电压限制就可以使效率最大化。图5.2 优化设计的机车侧电压结论本文提出了一种适用于新型高压直流电气化轻轨系统的完整的仿真工具。由于这个仿真工具可以整体测量系统的电气和机械变量，所以对设计者特别有用。而且，这个工具可以和优化计算结合，通过修改变电所的结构或指令来提高效率和性能。然后，和传统的供电系统相比，说明了变电站的优化控制可以使整体效率显著提高。还可以对这个设计课题进行进一步设计，作者似乎可以把重点放在研究与本文相关的提高系统稳定性和研究稳定性问题的控制方法上。此外，这个仿真工具还将分量的动态模型和谐波模型结合在了一起。参考文献1 Alstom Transport website. 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