城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)動態(tài)仿真

1、<p>　　城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)動態(tài)仿真</p><p>　　摘 要：本文基于電路理論中的節(jié)點法以及計算機仿真技術(shù)，闡述了利用城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)相關(guān)模型和算法進行牽引供電系統(tǒng)直流側(cè)的動態(tài)仿真方法。按照這一套方法利用Matlab編制程序?qū)Τ擒壗煌恳╇娤到y(tǒng)動態(tài)運行進行了仿真研究，并結(jié)合國內(nèi)某地鐵線路的實際運行參數(shù)進行了計算,驗證了這一計算方法的準確性。 </p><

2、p>　　關(guān)鍵詞：城市軌道交通；直流牽引供電；節(jié)點法 </p><p>　　中圖分類號：U213文獻標識碼： A </p><p><b>　　1引言 </b></p><p>　　城軌交通在現(xiàn)代城市中對緩解交通運輸壓力方面有著不可替代的作用。城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)是保障城軌列車以及整個城軌系統(tǒng)正常且安全運行的基礎(chǔ)。因而在設(shè)計供

3、電系統(tǒng)之初就需要對其進行潮流分析，以選擇或校驗牽引變電所的位置和相關(guān)設(shè)備的額定容量，同時對列車運行時供電系統(tǒng)能否提供所需功率等進行檢驗。 </p><p>　　對直流潮流進行解析的方法不斷發(fā)展，從算法上：國內(nèi)從最初的平均運量法、列車運行圖法[1-3]進行估算到引進節(jié)點法[4、5]、梯形法[6]等應(yīng)用精確的電路理論進行計算。從模型上：隨著整流技術(shù)的不斷發(fā)展，整流機組的模型從簡單的單折線模型發(fā)展到了如今的24脈波整流

4、的多折線模型[7]，列車也從電流源模型逐漸調(diào)整為更為精確的功率源模型。另外，考慮到鋼軌對大地的漏電阻，有些模型采用的是上下行割裂計算[8]，有些模型將上下行鋼軌合二為一[9]，這都降低了模型的精度。 </p><p>　　本文中將應(yīng)用并改進相關(guān)計算模型并應(yīng)用較為精確的數(shù)學模型對直流牽引供電系統(tǒng)進行動態(tài)的仿真研究，以期得到牽引供電系統(tǒng)的電氣量動態(tài)變化結(jié)果為進一步的分析與研究提供更為精確的計算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 </p

5、><p>　　2 直流牽引供電系統(tǒng)各部分模型 </p><p>　　在牽引供電系統(tǒng)中的直流側(cè)是直接為電動機車提供電能的部分。主要包括軌道，接觸網(wǎng)(或第三軌)，饋電線和回流線。另外，地鐵列車的運行分為上行和下行，上行和下行的接觸網(wǎng)(或第三軌)在變電所母線處是連在一起的，為了建模方便通常認為上行和下行軌道的回流線僅在變電所處連通。如圖1所示，牽引變電站(Tss)將高壓的交流電降壓整流成750V或其

6、它的電壓等級的直流電，通過第三軌或接觸網(wǎng)供給列車，然后經(jīng)軌道回流。 </p><p>　　圖1 直流側(cè)牽引供電系統(tǒng)示意圖 </p><p>　　2.1整流機組的多折線外特性模型 </p><p>　　整流機組的外特性是指，直流輸出端電壓隨其負荷電流或短路電流變化的關(guān)系曲線。整流機組在直流牽引供電系統(tǒng)仿真中常處理成帶內(nèi)阻的恒定理想電壓源。實際上，整流機組的外特性是呈非

7、線性的。本文采用文獻[7]中的2個并聯(lián)12脈波整流電路的輸出特性曲線等效24脈波整流電路的外特性曲線。 </p><p><b>　　2.2列車建模 </b></p><p>　　由于列車所受取的網(wǎng)功率與網(wǎng)壓波動無關(guān)，所受取的牽引網(wǎng)電流卻受網(wǎng)壓波動的影響較大，所以列車模型應(yīng)該采用功率源模型更為精確。列車在某一時刻的功率可由牽引計算和列車運行圖得到。然而，由于列車采用功

8、率源模型，電路求解方程變?yōu)榉蔷€性方程組，需要通過迭代求解。 </p><p>　　2.3 牽引網(wǎng)建模 </p><p>　　由于牽引電流并非全部沿走行軌流回牽引變電所，而是有一部分泄漏入大地，再由大地流回鋼軌并回到牽引變電所。計算等值電阻時，必須考慮走行軌對大地的泄漏電阻，按均勻傳輸線理論，對每一段走行軌都采用精確等值型電路[10]。這里考慮建模的精確行，對上下行鋼軌應(yīng)該分開建模如圖2 所

9、示。 </p><p>　　圖2直流牽引供電網(wǎng)模型 </p><p><b>　　3 算法流程 </b></p><p>　　3.1 動態(tài)仿真預(yù)處理 </p><p>　　通過導入的列車牽引計算結(jié)果和對運行參數(shù)的設(shè)置，可獲得系統(tǒng)進行動態(tài)仿真時所需的列車每時刻位置、功率等信息并進行處理，從而得到當前時刻牽引網(wǎng)的等效電路。

10、</p><p>　　3.2算法整體流程 </p><p>　　算法流程如圖3所示。 </p><p>　　圖3直流牽引供電動態(tài)求解流程圖 </p><p>　?。?）根據(jù)當前時刻牽引網(wǎng)狀態(tài)和列車位置生成牽引等效電路； </p><p>　?。?）設(shè)定整流機組初始工作區(qū)間或更新工作區(qū)間； </p><

11、;p>　?。?）設(shè)定各列車初始電壓； </p><p>　?。?）根據(jù)牽引網(wǎng)當前的等效電路生成相應(yīng)的節(jié)點導納矩陣； </p><p>　?。?）對得到的節(jié)點導納矩陣進行LU分解； </p><p>　?。?）利用節(jié)點電壓方程YV=I，以及（5）中得到的LU分解結(jié)果計算出新的節(jié)點電壓，進而得到各列車的電壓更新值并進行收斂判斷： </p><p

12、>　　其中為第i輛車在t時刻的電壓值，e為設(shè)定的誤差限，若每輛車都滿足收斂條件那么該時刻的LU計算迭代結(jié)束，否則更新各列車電壓，繼續(xù)該步循環(huán)； </p><p>　?。?）各列車電壓收斂后計算各變電所電流，并判斷各變電所的工作區(qū)間是否出現(xiàn)變化，如果出現(xiàn)變化進入第（2）步修正整流機組參數(shù)，否則該時刻的迭代結(jié)束，輸出該時刻各個變電所的電氣量變化； </p><p>　?。?）更新時間，返

13、回步驟（1），進入下一時刻的潮流計算。 </p><p><b>　　4仿真實例 </b></p><p><b>　　4.1仿真條件 </b></p><p>　　這里以國內(nèi)某條地鐵線路為例進行仿真。 </p><p>　　對線路進行動態(tài)仿真需要獲取每時刻的列車信息以得到牽引網(wǎng)的等效電路拓撲，因而

14、列車的運行數(shù)據(jù)要作為程序輸入的一部分。另外，列車運行時間設(shè)置比如發(fā)車間隔，上下車首車發(fā)車時間等決定了線路上運行列車的密度以及列車位置的動態(tài)相對關(guān)系，也是重要的運行參數(shù)。這里將發(fā)車間隔設(shè)置為300s，上下行首列車發(fā)車時間都設(shè)置為0s，那么在首列車運行完全線后，線路上的電氣量將以300s為周期變化。由于列車運行全線的時間接近3000s，為進行全線列車仿真，這里將仿真時間設(shè)置為3000-3300s。 </p><p>

15、　　電氣參數(shù)方面，該線路為750V電壓等級，空載電壓為836V。接觸網(wǎng)單位長度電阻0.007Ω/km,鋼軌單位長度電阻0.009Ω/km，對地漏電導取0.005S/km。 </p><p>　　4.2仿真結(jié)果與分析 </p><p>　　下面為300s發(fā)車間隔下3000-3300s的仿真結(jié)果。 </p><p>　　以下是該線路上某變電所的電壓、電流以及功率變化情況

16、。 </p><p>　　圖4. 某站3000-3300s電壓變化曲線 </p><p>　　圖5. 某站3000-3300s電流變化曲線 </p><p>　　圖6. 某站3000-3300s功率變化曲線 </p><p>　　下表是線路上各變電所在3000-3300s內(nèi)輸出的電能: </p><p>　　表1. 3

17、000-3300s各變電所電能輸出 </p><p>　　變電站 1 2 3 4 5 6 7 </p><p>　　電能/kwh 38.01 41.14 43.79 42.01 43.71 45.80 46.41 </p><p>　　變電站 8 9 10 11 12 13 </p><p>　　電能/kwh 44.86 44.44 45.3

18、5 42.61 33.21 30.84 </p><p><b>　　5結(jié)論 </b></p><p>　　本文在借鑒和完善現(xiàn)有算法與模型的基礎(chǔ)上，完成了對城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)的動態(tài)仿真，并結(jié)合具體線路驗證了該仿真計算方法的可行性。仿真結(jié)果基本達到預(yù)期效果，并對進一步的研究具有參考價值。 </p><p><b>　　參考文獻

19、 </b></p><p>　　[1]鄭瞳熾，張明銳．城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)[M]．中國鐵道出版社，2005：4-10． </p><p>　　[2]施仲衡．地下鐵道設(shè)計與施工[M]．陜西科學技術(shù)出版社，1997． </p><p>　　[3]張慶賀．地鐵與輕軌[M]．人民交通出版社，2001． </p><p>　　[4]Y

20、Cai,M.R.Irving,and S.H.Case. Iterative techniques for the solution of complex DC-rail-traction systems including regenerative braking [J].IEE Proc.-Gener. Transm.Distrib., 1995,142(5):445-452． </p><p>　　[5]Y

21、 Cai,M.R.Irving,and S.H.Case.Modeling and numerical solution of multibranched DC rail traction power system[J].IEE Proc. Electric Power Applications,1995,142(5): 323-358. </p><p>　　[6] Bin-Yuan Ku,Jen-Sen Li

22、u,Solution ofDC Power flow for non-grounded traction systems using chain—rule reduction of ladder circuit jacobian matrices[J]. IEEE Proc.of the 2002 IEEE/ASME Joint Railway Conf.,Washington.DC, 2002: 123-130. </p>

23、<p>　　[7]李良威，李群湛，劉煒．24脈波整流器外特性仿真及其在城市軌道交通中的應(yīng)用[J]．城市軌道交通研究，2007(10)． </p><p>　　[8]胡海濤, 王江峰, 何正友. 地鐵牽引供電系統(tǒng)交一直流潮流算法研究[J]. 鐵道學報, 2012, 34(11): 22-28 </p><p>　　[9] 王亞玲，吳命利，胥刃佳. 城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)的

24、運行仿真[J]. 電氣化鐵道, 2006, (2): 38-41. </p><p>　　[10] Pires C L,Nabeta S I,Cardoso J R.ICCG method applied to solve DC traction load flow including earthing models[J]．Electric Power Applications, 2007,1(2)：193—19