城轨交通直流供电系统仿真建模_苗斌.pdf

178 AUTO TIMETRAFFIC AND SAFETY|交通与安全城轨交通直流供电系统仿真建模苗斌西安铁路职业技术学院 陕西省西安市 710026摘 要：随着地铁、轻轨、有轨电车等轨道交通的大力发展，城市轨道交通牵引供电系统是否正常运行直接关系到城轨交通的安全稳定运营，进行城市轨道交通直流供电系统的仿真建模对轨道交通牵引供电系统设计、施工和运营阶段判断可能的故障类型和制定可行的处理方案具有重要作用，本文首先介绍了城市轨道直流供电系统的结构组成，然后采用 MATLAB/Simulink 对城轨直流供电系统进行仿真建模，分别介绍了 35KV中压电源、整流机组和牵引网的仿真建模方法和仿真参数的计算方法。关键词：城轨直流供电系统整流机组牵引网MATLAB/Simulink1前言随着城市轨道交通的快速发展，城轨直流供电系统的安全稳定运行对地铁、轻轨系统中的车站供电、机车供电的质量影响重大。城轨直流牵引供电系统是地铁电力机车的能源与动力来源1。本文首先描述了城轨直流供电系统的组成结构及电能传输的过程，然后应用MATLAB/Simulink 对城轨直流供电系统进行仿真建模，描述了其各组成部分仿真建模时所使用的模块，并阐述了模型参数的计算方法。2城轨交通直流供电系统简介城市轨道交通供电系统由外部电源、主变电所（分散式供电系统中没有主变电所）、牵引供电系统、动力照明供电系统、牵引网和电力监控系统组成，外部电源来源电网 110KV或者 220KV 的变电站，主变电所通过主变压器降压为 35KV 或 10KV，通过中压环网输送给牵引供电系统和动力照明供电系统，电力监控系统则对供电系统的运行进行状态检测及远程控制2。城轨直流供电系统包含在牵引供电系统中，由整流机组（包括干式整流变压器、24脉波整流器）、直流母线、直流馈线、牵引网（包括接触网、钢轨、回流网）构成，干式整流变压器将 35KV 降压为 1180V 交流电，再通过整流柜中的 24 脉搏整流器整流为 1500V 直流，通过直流馈线柜送至牵引网，列车通过牵引网获得直流电能3 5。城市轨道牵引供电系统正常运行时，越区隔离开关处于分闸状态，对机车而言，此时的供电方式为双边供电，即机车从相邻的两个牵引变电所同时获取电能，当某一个牵引变电所发生故障时，如整流机组不能正常运行，此时馈线柜直流断路器跳闸，越区隔离开关闭合，此时对机车的供电方式为大双边供电，即机车由故障牵引变电所相邻的两个牵引变电所供给电能。在一个牵引变电所中，设置两台干式整流变压器，要求高压侧绕组接线采用延边三角形接法，联接组别标号分别为Dy11d0和Dy1d2，实现两台整流变压器高压侧绕组移相分别为7.5和 7.5。在整流柜中，将 2 个三相桥式不可控电路并联构成 12 脉波整流器，因为两台整流变压器二次侧绕组相位差 15，所以经过 2 个整流柜后，并联输出 24 脉波直流到直流正极柜母排，然后经 4 个直流馈线柜将直流1500V电能输送至上下行接触网，经机车、钢轨、回流电缆返回至直流负极柜母排，负极母排与整流器负极相连。系统结构图如图 1 所示。Simulation Modeling of DC Power Supply System for Urban Rail TransitMiao BinAbstract：With the vigorous development of metro,light rail,tram and other rail transit,whether the normal operation of urban rail transit traction power supply system is directly related to the safe and stable operation of urban rail transit,simulation modeling of urban rail transit DC power supply system for rail transit traction power supply system design,construction and operation stage judgment possible fault types and development of feasible treatment scheme plays an important role.This paper first introduces the structural composition of urban rail DC power supply system,and then adopts MATLAB/Simulink simulates and models the urban rail DC power supply system,and introduces the simulation modeling methods and calculation methods of 35KV medium voltage power supply,rectifier unit and traction network.Key words：urban rail DC power supply system,rectifier unit,traction nets,MATLAB/Simulink正极母线负极母线上行接触网下行接触网上行钢轨下行钢轨AC35KV母线Dy11d0网侧移向+7.5Dy1d2 网侧移相-7.5整流变压器整流变压器整流柜整流柜直流负极柜直流正极柜直流正极柜直流负极柜馈线柜馈线柜越区隔离开关越区隔离开关电分段电分段回流线DC1500V图 1城轨牵引供电系统结构图AUTO TIME 179 TRAFFIC AND SAFETY|交通与安全3MATLAB/Simulink 建模3.135KV 电源建模由于牵引变电所电能来源于主变电所，所以进行 35KV 电源建模时，需要建立主变电所模型。主 变 电 所 从 国 网 110KV/220KV 线 路上获取电能，所以首先应在 Simulink 中选择“Three-Phase Source”模 块 建 立 国 网110KV/220KV模型，然后选择“Three-Phase Transformer(Two Windings)”模块建立主变电所模型，如图 2 所示。图 235KV 电源模型主变压器的需要设定的仿真参数包括：一、二次绕组的等值电阻、等值漏抗的标幺值、，及励磁电阻和电抗的标幺值、。在主变压器的铭牌中，给出了短路实验和空载试验的结果，所以，根据变压器数学模型及铭牌信息，包括：变压器短路损耗为，额定容量为，一次侧额定电压为，变压器短路阻抗百分比为，空载电流为，空载电流百分比为，一次侧额定电流为，变压器空载损耗为。得出以下仿真参数计算公式：(1)(2)(3)(4)(5)(6)由于空载电流远远小于额定电流，所以可以将铁心损耗当成空载损耗，所以励磁电阻、电抗标幺值和可以通过下列公式进行计算：(7)(8)(9)(10)(11)(12)3.224 脉波整流机组建模一个牵引变电所内有两套整流机组并列运行，每套由 1 台整流干式变压器和 1 台 12脉波整流器构成，由于整流变压器一次侧采用延边三角形接法进行移相 7.5，而在Simulink 中并没有专用的模块，所以，采用“Zigzag Phase-Shifting Transformer”模块串接“Three-Phase Transformer(Two Windings)”模块的方法，模拟移相的整流干式变压器。采用“Universal Bridge”模块建立 3 相 6 脉波整流器模型，然后，2 个整流器模型并接一个整流干式变压器构成一套 12 脉波整流机组模型，2 套整流机组并接，构成24 脉波整流机组模型，如图 3 所示。整流变压器采用的是轴向双分裂式四绕组牵引整流变压器，其铭牌信息除了跟主变压器铭牌具有相同的信息之外，还具有穿越阻抗百分数和半穿越阻抗百分数。一、二次侧等值电阻标幺值为、为：(13)(14)一、二次侧等值电抗标幺值、为：(15)(16)励磁电阻、电抗标幺值、的计算方法和主变压器相同。3.3直流母线及馈线建模我国城轨供电牵引供电系统中的直流母线一般采用单母线分段形式，且一个牵引变电所有 4 条馈线，在建模时，忽略直流正极柜馈出电缆(R1L1、R1L2)、直流母线(R2L1、R2L2、R2L3、R2L4、R2L5)及馈线电缆(R3L1、R3L2、R3L3、R3L4)的对地电容，采用“Series RLC Branch”模块搭建模型，如图 4 所示。直流母排=0.00014，2.0710-6H。R2L1、R2L2、R2L3、R2L4、R2L5 的 2.3310-5，5.5110-7H。直流正极柜馈出电缆和馈线电缆的参数为 0.0006，0.0310-3H。3.4牵引网建模牵引网由接触网、钢轨、回流线构成，主要为机车运行提供电能。由于车辆在运行时，灰尘会附着在钢轨与道床的绝缘垫上，所以钢轨对地并非完全绝缘，导致出现杂散电流，杂散电流对钢轨，特别是地下金属管线、图 324 脉波整流机组建模180 AUTO TIMETRAFFIC AND SAFETY|交通与安全结构钢筋具有腐蚀，所以我国地铁中设置地下排流网进行排流。本文构建牵引网模型时，考虑接触网对钢轨电容的影响、钢轨及排流网对大地的过度电阻影响，将两条钢轨并联看作一条钢轨，构建了一种“网轨地排”的牵引网模型，此模型中，接触网、钢轨、排流网均采用“PI Section Line”模块建模，如图 5 所示。接触网和钢轨的纵向电阻根据材料的横截面积及电阻率求解：(17)钢轨对地的过渡电阻根据国标 49 规定为 3，接触网对地的过度电阻视为无穷大，接触网和钢轨的电感应按照多导体系统进行内电感和互电感计算。接触网对钢轨的电容根据二平行线模型，公式如下：(18)接触网和钢轨对地的电容计算公式如下：(19)为真空介电常数，=8.85410-12F/m，d 是钢轨与接触网之间的距离，r 是接触网等效半径。4结论本文首先描述了城市轨道交通供电系统的组成及直流供电系统的设备组成和运行原理，并给出了牵引供电系统结构示意图，然后，采用 Matlab/Simulink 建模工具分别建立了35KV 电源（主变压器）、牵引整流机组（移相器、整流变压器和 24 脉波整流器）、直流母线及馈线、牵引网模型，并给出了各个模型仿真参数的计算方法。城轨交通直流供电系统仿真模型的建立为后续进行故障诊断及系统调试提供了基础平台。项目来源：陕西省教育厅专项科研计划项目项目名称：基于 IEC61850 的城轨供电保护测控装置及信息交互建模项目编号：20JK0860。参考文献：1 刘炜，吴拓剑，禹皓元，等.直流牵引供电系统地面储能装置建模与仿真分析 J.电工技术学报，2020，35（19）：4207-4215.2 杜峰，史文钊，徐丽莉，等.城市轨道交通牵引供电系统综合平台设计与研究 J.上海电力大学学报，2022，38（4）：386-390，395.3 罗樟，丁智勇，黄鑫.浅谈城市轨道交通牵引供电系统的技术发展 J.中国新技术新产品，2020（17）：60-61.4 陈杰城市轨道交通牵引供电系统的技术发展研究 J装备维修技术，2019（3）：1925 李凡.城市轨道交通牵引供电系统分析 J.建材与装饰，2020（27）：263-264.图 4直流母线及馈线建模 作者简介苗斌：（1987.03），男，汉族，河南省武陟县人，研究生学历，讲师，主要从事城市轨道交通供配电系统检修与维护。图 5牵引网模型接触网对钢轨电容 C1接触网对钢轨电容 C2钢轨对地过渡电阻 R1钢轨对地过渡电阻 R2接触网钢轨排流网CP1CP4CP3CP21432