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【摘要】地铁的供变电系统研究与列车电气传动模型建立和仿真是研究地铁运行可靠性和安全性的重要部分。本文从地铁供变电系统的组成和重要性以及供电方案等方面介绍了其供电系统，简述了列车电气传动系统的结构，并根据整个列车运行过程中能量流动示意图对牵引网和换流站中整流和逆变等方面进行电气传统模型的建立以及使用Simulink动态软件进行仿真，得到了与实际测量数据较为符合的结果。
【关键词】城市轨道交通；供变电系统；电气传动模型
1.地铁供电系统的重要性
我国城市轨道交通正步入高速发展阶段，地铁在人们日常生活中扮演着越来越重要的角色。地铁的供变电系统是整个地铁的绝对核心部分，其作为地铁的动力来源，必须保证供变电系统的正常可靠运行。因此研究地铁供电系统具有重要意义。该系统主要分为电源系统、电气牵引传动供电系统和普通照明供电系统三部分。电气牵引传动供电系统主要是给列车牵引动力，照明供电系统则是主要给车站和车内进行照明以及通风设备的运作。整个供电系统主要采用集中供电和分散供电两种方案。集中供电是建设专用地铁供电的变电所，该方案形成了城市轨道交通供电系统的独立性，有利于管理和运营。分散供电是通过电网就近给地铁进行供变电，该方案采用就地取材，不需要单独建设变电站，节省建设经费。
2.列车电气传动系统的结构
列车电气传动系统主要结构有牵引动力变电站、架空线路、导轨和列车等部分。其主要作用是在牵引工况时将电能转换为列车运行动能，在制动工况时，将列车动能转换为电能回馈给电网，其中能量流动为轮对经逆变器传输到接触网中。列车电气传动系统主要传动动力为直流电力，直流比交流在调速范围、控制便易性、电压质量、建设经费和整个电气传动系统结构等方面更具优势。牵引电流送到列车上的方式主要有接触轨和架空接触网两种。其电压等级主要为IEC标准中的600V、750V和1500V，我国主要使用750V和1500V。
3.列车电气传动系统模型的建立和仿真
列车电气传动系统的分析计算主要是靠建立相应的仿真模型来实现的，进而与实际测量数据进行比较，研究不同情况下该系统的实际反应。在满足要求精度的情况下，所建立的模型要尽可能的简单，现如今的电气传动模型往往只能从基本物理概念出发，使用较为理想化的模型。一般可分为恒功率模型、恒电流模型和恒阻抗模型。
3.1列车牵引模型的建立。以某地一段地铁为例，建立一个将牵引变电站等效为电压源和电阻串联的接触网（包括牵引网和回流网）模型。该模型采用架空接触网和钢轨回流方式。由于是直流供电，其电容忽略不计，以电阻等效架空接触网。钢轨由于趋肤效应，可等效为电阻和电感串联。
变电所内阻，其中，Un=1.5为直流侧额定电压（kV）；Ud=8%为牵引变压器短路电压百分值；Sr=3为变压器容量；n=2为牵引整流机组套数；kr=1为内阻系数。计算得Req=0.03Ω。根据实际测量，得到其接触网参数：牵引网单位电阻为0.04Ω/km，轨道单位电阻为0.03Ω/km，轨道单位电感为0.002H/km，牵引变电所间距为3607m。
3.2列车换流站模型的建立。列车从接触网上获取电能进行整流，再通过逆变为交流提供给三相异步电动机使用，因此在换流站中的整流和逆变好坏对整个传动模型的质量有很大影响。为了减少电网侧谐波电流的影响，在城市轨道交通牵引整流站采用了24脉波整流方式，其主要由两台整流变压器并联构成，每个变压器有两个三相六脉全波桥式整流电路分别接在整流变压器二次侧的三角形绕组和星形绕组上。在不计换相电抗情况下，其输出的平均直流电压为，其中U为电网额定电压有效值。24脉波整流电路可以等效為一个电压源和一个等效电阻的串联电路，但是该等效电阻的阻值会随负荷变换和换相模式的不同而改变。除此之外，由于负荷电流决定换相模式，而换相模式反向影响负荷电流，所以在求解时一般采用迭代的方法。
3.3换流站模型仿真。本文使用动态仿真软件simulink对24脉波整流电路进行仿真，该软件中的电力电子系统工具箱可用于电力电子电路和系统的仿真，本文的换流站模型就是使用该工具箱进行仿真的。24脉波整流电路仿真模型采用三相对称交流电压源作为电源，电源侧绕组三角形接线方式以移相变压器△/△+7.5°和△/△-7.5°，为了给每台变压器低压绕组侧引进30°相位差，在移相后接入△-△/△-Y连接变压器T1和T2。通过研究知，在所有的整流器中输出波形质量最好的是三相桥式6脉波整流器，因此，为了实现24脉波整流器的工作特性，将两个6脉波整流器并联到一台整流变压器上，组成12脉波整流机组，再将两台整流机组并联工作。
3.4模型参数和仿真参数的设置及仿真结果。为了仿真的准确性，使用35kV电压等级进行仿真，因此交流源电压幅值为35kV，频率为50Hz（工频），相位分别相差120°。为了满足移相要求，两台移相变压器分别对电力变压器进行+7.5°和-7.5°的移相。三相二极管整流桥参数设置：使用默认值；RLC负载参数设置：电阻R设为200Ω，电感L设为0，电容C设为无穷大。在基于ode23tb数值算法上工频条件下0.04s内的通过仿真软件仿真后得到了从示波器中观察输出波形。
3.5中间直流环节。在整个交直交牵引传动系统中，中间直流环节主要作为消除电网谐波影响和作为储能回路，并作为两侧的连接桥梁。主要包括支撑电容器和过电压限制电路结构。支撑电容器作为主要的储能器，稳定直流电压，承载连接整流器和逆变器之间的能量交换作用。
3.6逆变模型的建立和实现。要将整流得到的直流应用到三相异步电机上必须对直流进行逆变，还应保证逆变出来的电压波形中谐波尽可能的少，因此对逆变模型的要求较高。逆变主要通过控制功率器件的开通关断状态实现输出三相交流。可分为电流源型和电压源型，可通过三电平逆变器主电路实现逆变。该电路主要采用2个开关管串联和中点带钳位二极管的方式，将开关管的承受电压降低一半。通过不断改变开关器件的通断状态，可以实现直流到交流的逆变。具体方法为：将整个周期分为6个区域，每个区域60度，对每个区域分别进行区间判断、时间计算和时间状态分配。在时间状态分配是，应经量减少开关损耗即尽可能减少开关动作次数。遵循开关不能跃变和开关矢量对称选择的原则。
4.总结
本文通过对地铁供变电系统的组成和作用以及供电方案进行了讲解，说明了该系统的重要程度。对列车电气传动系统进行建模和仿真，建立了牵引网模型和换流站模型，重点介绍了整流和逆变，并对其进行仿真，得到了较为理想的仿真波形。
参考文献
[1]汪斌.列车牵引传动系统性能分析和仿真技术研究[D]浙江大学，2013
[2]徐舒.南京地铁牵引供电系统负荷建模与仿真及其对电网影响分析[D]东南大学，2006.
[3]肖涛古.地铁直流供电系统模型及直流短路分析[D]华南理工大学，2012.
[4]栾桂海.PWM变流器在城市轨道交通再生制动中的应用[J]变频器世界，2013（2）.
[5]叶芹禄.浅析城市轨道交通列车再生制动能源的转化和利用方案[J].铁道勘测与设计，2009（3）.
作者简介
张必伟（1975-），男，四川大竹人，高级工程师，研究方向为电力企业施工管理及技术管理。
【关键词】城市轨道交通；供变电系统；电气传动模型
1.地铁供电系统的重要性
我国城市轨道交通正步入高速发展阶段，地铁在人们日常生活中扮演着越来越重要的角色。地铁的供变电系统是整个地铁的绝对核心部分，其作为地铁的动力来源，必须保证供变电系统的正常可靠运行。因此研究地铁供电系统具有重要意义。该系统主要分为电源系统、电气牵引传动供电系统和普通照明供电系统三部分。电气牵引传动供电系统主要是给列车牵引动力，照明供电系统则是主要给车站和车内进行照明以及通风设备的运作。整个供电系统主要采用集中供电和分散供电两种方案。集中供电是建设专用地铁供电的变电所，该方案形成了城市轨道交通供电系统的独立性，有利于管理和运营。分散供电是通过电网就近给地铁进行供变电，该方案采用就地取材，不需要单独建设变电站，节省建设经费。
2.列车电气传动系统的结构
列车电气传动系统主要结构有牵引动力变电站、架空线路、导轨和列车等部分。其主要作用是在牵引工况时将电能转换为列车运行动能，在制动工况时，将列车动能转换为电能回馈给电网，其中能量流动为轮对经逆变器传输到接触网中。列车电气传动系统主要传动动力为直流电力，直流比交流在调速范围、控制便易性、电压质量、建设经费和整个电气传动系统结构等方面更具优势。牵引电流送到列车上的方式主要有接触轨和架空接触网两种。其电压等级主要为IEC标准中的600V、750V和1500V，我国主要使用750V和1500V。
3.列车电气传动系统模型的建立和仿真
列车电气传动系统的分析计算主要是靠建立相应的仿真模型来实现的，进而与实际测量数据进行比较，研究不同情况下该系统的实际反应。在满足要求精度的情况下，所建立的模型要尽可能的简单，现如今的电气传动模型往往只能从基本物理概念出发，使用较为理想化的模型。一般可分为恒功率模型、恒电流模型和恒阻抗模型。
3.1列车牵引模型的建立。以某地一段地铁为例，建立一个将牵引变电站等效为电压源和电阻串联的接触网（包括牵引网和回流网）模型。该模型采用架空接触网和钢轨回流方式。由于是直流供电，其电容忽略不计，以电阻等效架空接触网。钢轨由于趋肤效应，可等效为电阻和电感串联。
变电所内阻，其中，Un=1.5为直流侧额定电压（kV）；Ud=8%为牵引变压器短路电压百分值；Sr=3为变压器容量；n=2为牵引整流机组套数；kr=1为内阻系数。计算得Req=0.03Ω。根据实际测量，得到其接触网参数：牵引网单位电阻为0.04Ω/km，轨道单位电阻为0.03Ω/km，轨道单位电感为0.002H/km，牵引变电所间距为3607m。
3.2列车换流站模型的建立。列车从接触网上获取电能进行整流，再通过逆变为交流提供给三相异步电动机使用，因此在换流站中的整流和逆变好坏对整个传动模型的质量有很大影响。为了减少电网侧谐波电流的影响，在城市轨道交通牵引整流站采用了24脉波整流方式，其主要由两台整流变压器并联构成，每个变压器有两个三相六脉全波桥式整流电路分别接在整流变压器二次侧的三角形绕组和星形绕组上。在不计换相电抗情况下，其输出的平均直流电压为，其中U为电网额定电压有效值。24脉波整流电路可以等效為一个电压源和一个等效电阻的串联电路，但是该等效电阻的阻值会随负荷变换和换相模式的不同而改变。除此之外，由于负荷电流决定换相模式，而换相模式反向影响负荷电流，所以在求解时一般采用迭代的方法。
3.3换流站模型仿真。本文使用动态仿真软件simulink对24脉波整流电路进行仿真，该软件中的电力电子系统工具箱可用于电力电子电路和系统的仿真，本文的换流站模型就是使用该工具箱进行仿真的。24脉波整流电路仿真模型采用三相对称交流电压源作为电源，电源侧绕组三角形接线方式以移相变压器△/△+7.5°和△/△-7.5°，为了给每台变压器低压绕组侧引进30°相位差，在移相后接入△-△/△-Y连接变压器T1和T2。通过研究知，在所有的整流器中输出波形质量最好的是三相桥式6脉波整流器，因此，为了实现24脉波整流器的工作特性，将两个6脉波整流器并联到一台整流变压器上，组成12脉波整流机组，再将两台整流机组并联工作。
3.4模型参数和仿真参数的设置及仿真结果。为了仿真的准确性，使用35kV电压等级进行仿真，因此交流源电压幅值为35kV，频率为50Hz（工频），相位分别相差120°。为了满足移相要求，两台移相变压器分别对电力变压器进行+7.5°和-7.5°的移相。三相二极管整流桥参数设置：使用默认值；RLC负载参数设置：电阻R设为200Ω，电感L设为0，电容C设为无穷大。在基于ode23tb数值算法上工频条件下0.04s内的通过仿真软件仿真后得到了从示波器中观察输出波形。
3.5中间直流环节。在整个交直交牵引传动系统中，中间直流环节主要作为消除电网谐波影响和作为储能回路，并作为两侧的连接桥梁。主要包括支撑电容器和过电压限制电路结构。支撑电容器作为主要的储能器，稳定直流电压，承载连接整流器和逆变器之间的能量交换作用。
3.6逆变模型的建立和实现。要将整流得到的直流应用到三相异步电机上必须对直流进行逆变，还应保证逆变出来的电压波形中谐波尽可能的少，因此对逆变模型的要求较高。逆变主要通过控制功率器件的开通关断状态实现输出三相交流。可分为电流源型和电压源型，可通过三电平逆变器主电路实现逆变。该电路主要采用2个开关管串联和中点带钳位二极管的方式，将开关管的承受电压降低一半。通过不断改变开关器件的通断状态，可以实现直流到交流的逆变。具体方法为：将整个周期分为6个区域，每个区域60度，对每个区域分别进行区间判断、时间计算和时间状态分配。在时间状态分配是，应经量减少开关损耗即尽可能减少开关动作次数。遵循开关不能跃变和开关矢量对称选择的原则。
4.总结
本文通过对地铁供变电系统的组成和作用以及供电方案进行了讲解，说明了该系统的重要程度。对列车电气传动系统进行建模和仿真，建立了牵引网模型和换流站模型，重点介绍了整流和逆变，并对其进行仿真，得到了较为理想的仿真波形。
参考文献
[1]汪斌.列车牵引传动系统性能分析和仿真技术研究[D]浙江大学，2013
[2]徐舒.南京地铁牵引供电系统负荷建模与仿真及其对电网影响分析[D]东南大学，2006.
[3]肖涛古.地铁直流供电系统模型及直流短路分析[D]华南理工大学，2012.
[4]栾桂海.PWM变流器在城市轨道交通再生制动中的应用[J]变频器世界，2013（2）.
[5]叶芹禄.浅析城市轨道交通列车再生制动能源的转化和利用方案[J].铁道勘测与设计，2009（3）.
作者简介
张必伟（1975-），男，四川大竹人，高级工程师，研究方向为电力企业施工管理及技术管理。