[align=center]Research and Simulation on traction of urban train supplied by 24 pulse XIE Fang，FENG Xiao-yun, CHEN Shi-hao, Zhao xiaohao School of Electrical Engineering Southwest Jiaotong University, Chendu Sichuan 610031, China 謝 方，馮曉云，陳世浩 趙小皓 西南交通大學電氣工程學院，四川 成都 610031；[/align] ABSTRACT: In this paper, the phase- shift principle of the 24-pulse rectifiers in urban‘s power supply is analysed and modeled.considering SVPWM three-level inverter vector controlled traction system as the load, The running states are simulated in the two cases of supplying with ideally power supply and 24-pulse rectifiers .At the same time, harmonic of the AC side analysed in different running states of the train as well as DC side voltage. Results shows that the 24-pulse supply has good performance,the combination simulation plat could effectively analyse the influence among AC, DC side and operation state of the train. KEY WORDS: 24-pulse vector control harmonic 摘要：文章對城軌24脈波供電整流機組移相原理進行分析和建模，將基于SVPWM三電平逆變器供電的矢量控制牽引傳動系統作為負載，模擬仿真了在理想電源供電和24脈波供電時電機的運行情況。同時，對列車各種運行狀態下電網的諧波和直流側電壓進行了分析。仿真結果表明，24脈波供電性能良好，聯合仿真平臺能有效地分析交、直流側及列車運行之間的相互影響。 關鍵詞：24脈波 矢量控制 諧波 1 引言 地鐵牽引供電系統是一個時變的、交直流混合的系統，其網絡結構受列車運行方式、運行時間的影響而成為一種動態的網絡，很難周全地考慮各個動態過程的供電系統性能，也難以把握整個供電系統的特點。包含了交流網絡、直流側網絡和列車三大部分。建立一個能夠反映交流側電路、直流側電路、機車功率等相互影響的動態、實時的仿真軟件勢必要求將供電系統和列車牽引傳動系統進行聯合仿真，而通常供電和列車屬于兩個研究方向。很多關于供電系統仿真的軟件都是將機車等效為一個電流源，通過不同方式的取流模式來模擬機車惰行、加速運行、再生制動等多種工況[1]。很難全面、實時地反映城市軌道交通供電系統的特性。 本文通過對24脈波整流電路及城軌列車牽引傳動系統進行分析與建模，建立了24脈波直流牽引供電系統聯合仿真平臺，對交直流側及列車之間的相互影響進行了仿真，對于供電系統的仿真軟件開發具有一定的借鑒意義。 2 等效24脈波整流基本原理及建模分析 為了改善整流裝置的高次諧波對電網、通訊等設備的影響，目前城市軌道交通牽引供電系統中的整流機組廣泛采用等效24脈波整流電路。24脈波整流機組產生的諧波電流較12脈波整流諧波含量少, 尤其是12脈波整流諧波含量最大的11、13次諧波可減少80 %以上，是目前比較理想的供電方式[2]。 等效24脈波整流機組由兩套12脈波整流機組構成，12脈波整流由兩個6脈波3相整流橋并聯組成。其中一個3相整流橋接向整流變壓器二次側星形繞組，另一個3相整流橋接向整流變壓器的二次側三角形繞組。因為每臺整流變壓器二次側星形繞組和三角形繞組相對應的線電壓相位錯開π/6，于是可以得到兩個三相橋并聯組成的12脈波整流電路。當供給兩個12脈波整流器的整流變壓器高壓網側并聯的繞組分別采用±7.5°外延三角形聯接時，兩套整流器并聯運行即可構成等效24脈波整流器[2]。 [align=center] 圖1 移相變壓器原理圖與向量圖 Fig.1 The diagram of phase-shift principle and vector [/align] 圖1為移相變壓器的移相原理圖與向量圖，圖中上面組變壓器高壓側采用左延接法，如向量圖左圖所示，加入延邊繞組之后，A相電壓較加入延邊繞組之前移相+7.5º；下面組變壓器采用右延接法，如向量圖右圖所示，同樣可以看出加入延邊繞組之后移相-7.5º。兩組變壓器閥側繞組均采用星-三角接法，三角接繞組與星接繞組的匝數比為 ，這樣閥側繞組線電壓幅值相等，只是相差一定的相位。閥側繞組分別接到3相整流橋，采用并聯連接，就形成了24脈波電路，每個脈波相差15º的相角。根據以上移相變壓器的原理基于MATLAB/SIMULINK建立了如下的仿真模型： [align=center] 圖2 24脈波整流電路仿真模型 Fig.1 The simulation model of 24 pulse rectifier[/align] 圖2中三相電源選取與牽引變電所同樣的電壓等級AC 33KV交流電，子系統模塊為24脈波整流變壓器模型，通過變壓、整流，可以得到城軌供電所用的DC1500V或DC750V電壓（文中所采用為DC750V電壓制式）。空載時，輸出端一個周期內的電壓波形及頻譜分析如圖3所示，可以看出一個周期有24個波頭，電壓脈動比較小，比較平穩。最大諧波次數出現在第24次，直流分量為781.5V。 [align=center] 圖3 24脈波整流電路直流側輸出波形及頻譜 Fig.3 The DC side output wave of 24-pulse rectifier [/align] 圖4為加入阻性負載后24脈波整流電路網側電流波形和諧波分析，從圖中可以看出，網側電流接近正弦波，諧波非常小，較明顯的諧波為第23次和25次，總畸變率僅為1.71%。 [align=center] 圖4 24脈波整流電路網側電流波形和頻譜圖 Fig.4 The AC side current wave and spectrum [/align] 3 基于SVPWM三電平逆變器供電的矢量控制策略分析和仿真模型建立 以磁場定向矢量控制的交流傳動系統能夠提供最佳啟動轉矩，使列車快速、平穩地啟動；系統有很高的速度精度和很寬的調整范圍，能夠保證列車在各級速度穩定運行；有理想的電氣制動功能，使列車能夠可靠地制動、準確地停車，同時向電網回饋電能，非常適合于城軌列車采用。系統控制框圖如圖５所示，牽引傳動系統逆變器采用基于SVPWM三電平電壓型逆變器（VSI）供電的矢量控制策略，與兩電平VSI相比，前者輸出波形好、脈沖頻率低、對器件耐壓要求低、輸出諧波分量低。對電機運行及供電系統。主電路電流含有的脈動成分小,減少了牽引電機產生的電磁噪音[3]。對交流側諧波有一定的改善作用。 [align=center] 圖５ 基于轉子磁場定向的異步電機矢量控制系統框圖 Fig.5 Rotor Field Oriented vector control frame diagram of asynchronism motor [/align] 4 仿真結果與分析 使用Matlab/Simulink平臺搭建基于轉子磁場定向的異步電機矢量控制仿真系統如圖5所示，使用空間電壓矢量調制控制三電平逆變器對異步電機供電。理想直流電源供電時，系統在0.2秒時，將轉速給定從40rad/s跳變為80rad/s，0.5秒時突減為50rad/s，0.7秒時再增為70rad/s，系統負載在0.8s由20N.m突增為50N.m，在0.9s由50N.m突減為20N.m。仿真結果如下： [align=center] 圖6 理想直流電源下定子電流的仿真波形 Fig.6 Stator current wave when ideal DC source supplied 圖7 理想直流電源下轉矩曲線 Fig.7 Torque curve when ideal DC source supplied 圖8 理想直流電源下轉速曲線 Fig. 8 Velocity curve when ideal DC source supplied[/align] 從圖6、圖7、圖8可以看出，當轉速給定變化時，系統能做出快速響應，負載轉變時定子電流穩定性好轉速無波動，轉矩動態響應快，系統控制精度高。 將24脈波整流變壓器輸出端加兩個均壓電容，給逆變器供電，將24脈波供電系統和矢量控制的三電平逆變器主傳動系統進行聯合仿真。重復以上仿真過程，仿真結果如下： [align=center] 圖9 24脈波供電下定子電流仿真波形 Fig.9 Stator current wave when 24 pulse supplied 圖10 24脈波供電下轉矩曲線 Fig.10 Torque curve when 24 pulse supplied 圖11 24脈波供電下轉速曲線 Fig.11 Velocity curve when 24 pulse supplied[/align] 將理想直流電源供電下與24脈波供電下的仿真結果進行比較，可以發現僅僅定子電流和轉矩曲線波動稍大，尤其是轉矩脈動比理想直流電源供電時大，但是轉速幾乎無波動，而且在轉速和轉矩切換過程中也沒有明顯的毛刺出現，并且也沒有影響系統的動態響應速度，說明24脈波供電的性能比較好，未給列車運行造成明顯不良影響，能滿足城軌供電的要求。同時，仿真還可以得到高壓供電網側電流的波形，這樣可以對電流進行諧波分析，考察不同時段運行狀態或是負載發生變化時，網側波形的諧波含量的變化。網側波形及其諧波分析如圖12、13、14、15所示: [align=center] 圖12 24脈波供電網側電流波形 Fig. 12 The AC side current wave of 24-pulse rectifier 圖13 0.15s～0.17s網側電流波形及頻譜 Fig.13 0.15s～0.17s AC side current wave and spectrum 圖14 0.3s～0.32s網側電流波形及頻譜 Fig.14 0.3s～0.32s AC side current wave and spectrum 圖15 0.8s～0.82s網側電流波形及頻譜 Fig.15 0.8s～0.82s AC side current wave and spectrum 圖16 直流側電壓波形 Fig.16 DC side voltage wave [/align] 由仿真結果可以看出，在0.15秒時，速度穩定運行在40rad/s，因此此時網側電流波形好，無畸變，諧波幾乎為零，而0.3秒時，系統給定速度剛增到80rad/s，對電網電流波動較大，23次和25次諧波快接近10%，整個電流畸變率達到11.22%，但是低次諧波均比較小。同樣，在0.8秒時，負載發生變化，網側電流又開始新一輪的波動，網側電流波形和諧波情況與0.3秒時類似。說明在列車運行狀態改變，甚至是突變時，網側電流所受影響較大，諧波會隨之增大，但是會在比較短的時間內轉為穩定運行狀態。對于直流側電壓，在系統加速、制動、加載情況下，直流側電壓有一定波動，尤其在0.4秒列車進行再生制動時，網壓突然增加，在直流側形成電壓沖擊。 4 結論 本文建立了24脈波供電系統模型和矢量控制的列車牽引傳動系統聯合仿真模型，可以衡量24脈波供電性能的優劣及其對列車運行狀態的影響，比較準確地分析列車運行狀態對網側諧波及直流側電壓的影響。將列車牽引傳動系統作為供電的負載，從而分析網側電流的諧波，比較具有真實性與參考性。 仿真結果表明24脈波供電性能良好，大大降低了低次諧波，脈動比較小，對列車運行性能幾乎沒有太大影響，聯合仿真系統能較真切的分析列車各種狀態對交流側諧波及直流側電壓脈動的影響。 參考文獻 [1] 周福林，李群湛.城市軌道交通供電系統仿真軟件開發研究. 城市軌道交通研究.2007,第5期:25～27. 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