城轨车辆牵引传动系统与牵引网之间的振荡研究

城轨车辆牵引传动系统与牵引网之间的振荡研究

刘雨

（1.中国铁道科学研究院北京100081；2.中国铁路太原局集团有限公司太原机务段太原030045）

摘要：近年城市轨道交通的快速发展，给大中城市带来巨大交通便利的同时，对轨道交通节能的研究也显得尤为重要。城轨车站的站间距离短，车辆起动，制动频繁，制动产生的电能大，电能回馈至直流接触网，导致网压升高。目前国内外主要采用电阻消耗能量的方式，这样不但造成再生能量的浪费，也会导致隧道内温度过高。同时由于电容储能，飞轮储能，逆变回馈这些技术都还不够成熟，所以通过检测网压信号，有效控制制动时电机电流的大小，使网压维持在限制值以下，同时制动能量被同线路的起动车消耗，就体现出一定的优势。本文首先建立了城轨牵引传动系统和牵引网的模型，通过对非线性模型的线性化，等效模型利用等方法，进行仿真。然后对车辆制动过程中，电机电流随网压的变化而变化进行了分析，使制动时能够最大限度地回馈电能。最后，因为对电机电流的特殊控制会引起的网压振荡，所以建立考虑实际线路的等效模型，并进行仿真，然后加入抑制振荡的环节，使整个系统稳定运行。

关键词：再生制动；牵引网；振荡

1绪论

城市轨道交通车站的站间距离短，所以城轨列车的起动和制动特别频繁。列车在起动的时候，牵引电机用作电动机，把电能转化为机械能，使列车正常运行。在列车到站，制动停车时，牵引电机用作发电机，把机械能转化为电能，供同一条线路的牵引车使用，多余的电能送到直流电网。由于城轨变电所多采用二极管不控整流器，因此多余的再生制动能量将使直流牵引网的电压升高。

由于制动产生的电能可高达牵引电能的40%，未能被相邻车辆吸收的电能占其牵引电能的15%。如今大部分的再生制动能量都是通过车载电阻或者地面的电阻箱，以热能的形式消耗，这样不但浪费了再生制动的能量，也会使系统的温度提高，产生一系列不好的后果。目前国内外正在研究的处理再生制动能量的方法还有电容储能、飞轮储能、逆变回馈等技术，但都因为发展不够成熟，没有得到广泛的应用。所以如何高效合理利用这部分再生能量，使再生制动能量符合节能环保要求的同时，满足整个系统的正常稳定运行，成为当今研究的热门问题。

电力牵引是一种以电能为动力牵引列车前进的牵引方式。轨道车辆通过受流器从架空接触网或者第三轨接收电能，通过车载的变流装置给安装在转向架上的牵引电机供电，牵引电机把电能转化为机械能，机械能通过齿轮传给轮对，驱动轮对在轨道上运动，带动列车前进。

目前城市轨道交通牵引传统系统都采用AC-DC-AC的供电方式，牵引变电所的高压交流电通过变电所的降压变压器后变为低压的交流电，交流电通过牵引变电所24脉波不控整流变为直流电，通过直流输电网，输送给城市轨道交通线路，城市轨道交通列车带有车载逆变器，把电网的直流电逆变为交流牵引电机需要的交流电，供电机工作。

当今大部分城市轨道交通车辆都采用三相异步电机作为牵引电机，三相异步电机可以通过改变磁极对数，调节转差率，调节供电频率来控制电机转速，但是结合实际情况，磁极对数和转差率都不容易改变，所以最理想的情况就是通过调节供电频率来控制牵引电机。所以，将直流电转变为频率可变的交流电就是交流牵引传动系统的关键所在。在车辆牵引的开始阶段，保持牵引电机的气隙磁通为常数，改变供电频率可以使牵引电机的最大转矩基本不变，达到快速加速运行的目的。在随后的牵引阶段，保持供电电压不变，改变供电频率，最大转矩随着频率的上升而下降，使电机恒定功率运行。

在城轨牵引供电系统中，由牵引变电所输出的交流电经过整流后变为直流电，所以在牵引变电所输出位置需要有一个大的支撑电容来维持直流电压的恒定，从而供给直流电网稳定的直流电压。由于从牵引变电所到城轨列车的接触网有一段距离，线路存在感抗，所以线路电阻和线路电感需要考虑，线路的输出端接到车载电容，车载电容起到滤波和支撑电压作用，然后供给逆变器和电机，供列车运行使用。

由于这一系统存在电阻，电感和电容，所以当系统的电流随着列车的起动和制动而发生变化时，可能会导致网压的振荡，网压过高，导致各器件无法正常工作，使系统不能稳定运行[2]。

目前国内外主要致力于研究整个系统的传递函数模型，但是由于这一模型还没有研究清楚，所以很难解析地确定抑制振荡的相关参数取值[3]。现在大多数是根据现场的实验进行调整，来确定最优的工作模式。到目前为止，研究内容主要还是再生车的数值计算的基础上进行分析和进行再生车的持续振动现象的解释。但是由于这个系统非常复杂，而且是非线性的，因此对这个系统整体的解析讨论，仍然由于过于困难而没有进行研究[4]。针对这种情况，本论文通过近似和简化等手段，将这个复杂且非线性的系统用简单的线性模型来代替。通过这个模型，可以解决因电容器电压造成的过充现象，导致过电压，致使断路器动作，同时造成再生失效；也可以解析地确定控制参数，保证不会出现电容电压和电机电流的持续振动。这样可以不需要在现场不断地重复调整控制参数情况下也能够进行稳定的再生制动。

2考虑牵引网参数的系统模型

在城市轨道交通牵引供电系统中，牵引网是连接牵引变电所和负载列车的枢纽，所以牵引网对整个牵引供电系统的影响很大。

远距离传输电能时，线路上的阻抗和感抗不但对电能造成很大的浪费，而且当列车在进行牵引和制动运行，引起线路电流变化时，线路中感抗和阻抗的存在，与系统中一些电容共同作用，引起网压的振荡，使系统失去稳定运行的状态，导致不良的后果。

所以在建立系统模型时，需要考虑牵引网的电阻电感和支撑电容的存在，使系统模型更加接近实际线路情况，结论更具有说服力。

2.1牵引网参数

在城轨牵引供电系统中，由牵引变电所输出的交流电经过整流后变为直流电，所以建立模型时用750V直流电源和二极管来等效牵引供电的电源端。牵引变电所输出位置需要有一个大的支撑电容C来维持直流电压的恒定，从而供给直流电网稳定的直流电压。由于从牵引变电所到城轨列车的接触网有一段距离，线路存在感抗，所以线路电阻R和线路电感L需要在模型中加入，线路的输出端接到车载电容，车载电容C1起到滤波和支撑电压作用，然后供给逆变器和电机，供列车运行使用。所以，考虑牵引网参数的牵引传动系统数据如表2-1所示：

表2-1仿真数据

当列车从惰性状态转变为制动状态时，观察网压变化，电流变化。首先取Vlim为960V，则当网压由于列车制动回馈电流，从750V升高到960V时，回馈电流将按照斜率为70下降直到0A，以阻止网压进一步抬升。受控电流源从0A（惰行）阶跃为制动状态的最大回馈电流-700A，仿真结果如图2-1所示：

图2-1网压变化

由图2-1可知，当电机电流从惰行状态的0A阶跃为制动状态的-700A和当网压超过限制电压960V，回馈电流开始按照一定斜率减小时，都会引起网压很大的振荡。其中，网压第一次的振荡幅值比较大，最低振荡电压值为600V，最高振荡电压值为970V；第二次振荡的幅值比较小，主要是在网压最大限制电压970V附近振荡。所以需要考虑抑制网压振荡的措施，使系统能够稳定的运行。

3系统振荡机理分析

通过仿真结果观察到了系统在电流发生变化时，会有振荡的现象产生。所以需要对系统电路拓扑图的理论分析，对仿真结果进行校验并进行系统振荡机理的分析，以及采取一定的抑制振荡的措施，使系统能够稳定的运行。

由于牵引网存在阻抗，列车上有车载电容，所以每当系统的电流发生变化时，在电感电容的作用下，系统一定会发生剧烈的振荡。

3.1抑制系统振荡措施

为了抑制系统的振荡，可以通过改变系统中电感电容的参数值大小来实现。通过分析可知，当车载电容C1加大或者线路电感L减小时，都能有效抑制系统的振荡。但是这些条件的改变都是不现实的，因为实际线路上都存在感抗，不可能随便减小线路电感L，车载电容C1对车辆的构造提出了很高的要求，也不符合实际。

所以调整系统的参数只是在理论分析上能够有效抑制系统的振荡，在实际线路上还需要考虑别的抑制振荡的策略。

再次根据仿真模型分析，当取Vlim为960V，受控电流源从0A（惰行）由斜坡变为-700A时，仿真结果如图3-1所示：

图3-1网压变化

当取Vlim为900V，受控电流源从0A（惰行）由斜坡变为-700A，仿真结果如图3-2所示：

由图3-2可知，当电流从惰行状态的0A阶跃为制动状态-700A和当电流从-700A以斜率70下降为0A时，都会引起网压很大的振荡，振荡幅值可从600V到970V。通过把惰行状态的0A阶跃为制动状态-700A改变为按照一定斜坡变化的电流，可以使网压的第一次振荡减小很多，振荡幅值为从750V到780V。同理，把限制电压Vlim的取值从原来的960V变化为900V，电流从-700A以斜率10下降为0A时，可以使网压的第二次振荡减小很多，甚至振荡消失，如图3-15，3-16所示，振荡幅值接近为0。这样，由电流变化引起的网压振荡得到抑制，有利于系统的稳定。

4结论

通过建立了城轨牵引传动系统和牵引网的模型，对非线性模型的线性化，等效模型利用等方法，进行仿真。对车辆制动过程中，电机电流随网压的变化而变化进行了分析，使制动时能够最大限度地回馈电能。考虑电机电流的特殊控制会引起的网压振荡，建立考虑实际线路的等效模型，进行仿真，加入抑制振荡的环节，使整个系统稳定运行。

图3-2网压变化

参考文献

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