[align=center]Research and Simulation on traction of urban train supplied by 24 pulse XIE Fang，F(xiàn)ENG 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(xué)電氣工程學(xué)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(duì)城軌24脈波供電整流機(jī)組移相原理進(jìn)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(dòng)系統(tǒng)作為負(fù)載，模擬仿真了在理想電源供電和24脈波供電時(shí)電機(jī)的運(yùn)行情況。同時(shí)，對(duì)列車各種運(yùn)行狀態(tài)下電網(wǎng)的諧波和直流側(cè)電壓進(jìn)行了分析。仿真結(jié)果表明，24脈波供電性能良好，聯(lián)合仿真平臺(tái)能有效地分析交、直流側(cè)及列車運(yùn)行之間的相互影響。 關(guān)鍵詞：24脈波 矢量控制 諧波 1 引言 地鐵牽引供電系統(tǒng)是一個(gè)時(shí)變的、交直流混合的系統(tǒng)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)受列車運(yùn)行方式、運(yùn)行時(shí)間的影響而成為一種動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，很難周全地考慮各個(gè)動(dòng)態(tài)過程的供電系統(tǒng)性能，也難以把握整個(gè)供電系統(tǒng)的特點(diǎn)。包含了交流網(wǎng)絡(luò)、直流側(cè)網(wǎng)絡(luò)和列車三大部分。建立一個(gè)能夠反映交流側(cè)電路、直流側(cè)電路、機(jī)車功率等相互影響的動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)的仿真軟件勢(shì)必要求將供電系統(tǒng)和列車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合仿真，而通常供電和列車屬于兩個(gè)研究方向。很多關(guān)于供電系統(tǒng)仿真的軟件都是將機(jī)車等效為一個(gè)電流源，通過不同方式的取流模式來模擬機(jī)車惰行、加速運(yùn)行、再生制動(dòng)等多種工況[1]。很難全面、實(shí)時(shí)地反映城市軌道交通供電系統(tǒng)的特性。 本文通過對(duì)24脈波整流電路及城軌列車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行分析與建模，建立了24脈波直流牽引供電系統(tǒng)聯(lián)合仿真平臺(tái)，對(duì)交直流側(cè)及列車之間的相互影響進(jìn)行了仿真，對(duì)于供電系統(tǒng)的仿真軟件開發(fā)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(duì)電網(wǎng)、通訊等設(shè)備的影響，目前城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)中的整流機(jī)組廣泛采用等效24脈波整流電路。24脈波整流機(jī)組產(chǎn)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(jī)組由兩套12脈波整流機(jī)組構(gòu)成，12脈波整流由兩個(gè)6脈波3相整流橋并聯(lián)組成。其中一個(gè)3相整流橋接向整流變壓器二次側(cè)星形繞組，另一個(gè)3相整流橋接向整流變壓器的二次側(cè)三角形繞組。因?yàn)槊颗_(tái)整流變壓器二次側(cè)星形繞組和三角形繞組相對(duì)應(yīng)的線電壓相位錯(cuò)開π/6，于是可以得到兩個(gè)三相橋并聯(lián)組成的12脈波整流電路。當(dāng)供給兩個(gè)12脈波整流器的整流變壓器高壓網(wǎng)側(cè)并聯(lián)的繞組分別采用±7.5°外延三角形聯(lián)接時(shí)，兩套整流器并聯(lián)運(yùn)行即可構(gòu)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(cè)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(cè)繞組均采用星-三角接法，三角接繞組與星接繞組的匝數(shù)比為 ，這樣閥側(cè)繞組線電壓幅值相等，只是相差一定的相位。閥側(cè)繞組分別接到3相整流橋，采用并聯(lián)連接，就形成了24脈波電路，每個(gè)脈波相差15º的相角。根據(jù)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(jí)AC 33KV交流電，子系統(tǒng)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(shí)，輸出端一個(gè)周期內(nèi)的電壓波形及頻譜分析如圖3所示，可以看出一個(gè)周期有24個(gè)波頭，電壓脈動(dòng)比較小，比較平穩(wěn)。最大諧波次數(shù)出現(xiàn)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(cè)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(fù)載后24脈波整流電路網(wǎng)側(cè)電流波形和諧波分析，從圖中可以看出，網(wǎng)側(cè)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(wǎng)側(cè)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(chǎng)定向矢量控制的交流傳動(dòng)系統(tǒng)能夠提供最佳啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使列車快速、平穩(wěn)地啟動(dòng)；系統(tǒng)有很高的速度精度和很寬的調(diào)整范圍，能夠保證列車在各級(jí)速度穩(wěn)定運(yùn)行；有理想的電氣制動(dòng)功能，使列車能夠可靠地制動(dòng)、準(zhǔn)確地停車，同時(shí)向電網(wǎng)回饋電能，非常適合于城軌列車采用。系統(tǒng)控制框圖如圖５所示，牽引傳動(dòng)系統(tǒng)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(duì)器件耐壓要求低、輸出諧波分量低。對(duì)電機(jī)運(yùn)行及供電系統(tǒng)。主電路電流含有的脈動(dòng)成分小,減少了牽引電機(jī)產(chǎn)生的電磁噪音[3]。對(duì)交流側(cè)諧波有一定的改善作用。 [align=center] 圖５ 基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)框圖 Fig.5 Rotor Field Oriented vector control frame diagram of asynchronism motor [/align] 4 仿真結(jié)果與分析 使用Matlab/Simulink平臺(tái)搭建基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的異步電機(jī)矢量控制仿真系統(tǒng)如圖5所示，使用空間電壓矢量調(diào)制控制三電平逆變器對(duì)異步電機(jī)供電。理想直流電源供電時(shí)，系統(tǒng)在0.2秒時(shí)，將轉(zhuǎn)速給定從40rad/s跳變?yōu)?0rad/s，0.5秒時(shí)突減為50rad/s，0.7秒時(shí)再增為70rad/s，系統(tǒng)負(fù)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(jié)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(zhuǎn)矩曲線 Fig.7 Torque curve when ideal DC source supplied 圖8 理想直流電源下轉(zhuǎn)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(dāng)轉(zhuǎn)速給定變化時(shí)，系統(tǒng)能做出快速響應(yīng)，負(fù)載轉(zhuǎn)變時(shí)定子電流穩(wěn)定性好轉(zhuǎn)速無波動(dòng)，轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，系統(tǒng)控制精度高。 將24脈波整流變壓器輸出端加兩個(gè)均壓電容，給逆變器供電，將24脈波供電系統(tǒng)和矢量控制的三電平逆變器主傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合仿真。重復(fù)以上仿真過程，仿真結(jié)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(zhuǎn)矩曲線 Fig.10 Torque curve when 24 pulse supplied 圖11 24脈波供電下轉(zhuǎn)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(jié)果進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)僅僅定子電流和轉(zhuǎn)矩曲線波動(dòng)稍大，尤其是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比理想直流電源供電時(shí)大，但是轉(zhuǎn)速幾乎無波動(dòng)，而且在轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩切換過程中也沒有明顯的毛刺出現(xiàn)，并且也沒有影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，說明24脈波供電的性能比較好，未給列車運(yùn)行造成明顯不良影響，能滿足城軌供電的要求。同時(shí)，仿真還可以得到高壓供電網(wǎng)側(cè)電流的波形，這樣可以對(duì)電流進(jìn)行諧波分析，考察不同時(shí)段運(yùn)行狀態(tài)或是負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，網(wǎng)側(cè)波形的諧波含量的變化。網(wǎng)側(cè)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(wǎng)側(cè)電流波形 Fig. 12 The AC side current wave of 24-pulse rectifier 圖13 0.15s～0.17s網(wǎng)側(cè)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(wǎng)側(cè)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(wǎng)側(cè)電流波形及頻譜 Fig.15 0.8s～0.82s AC side current wave and spectrum 圖16 直流側(cè)電壓波形 Fig.16 DC side voltage wave [/align] 由仿真結(jié)果可以看出，在0.15秒時(shí)，速度穩(wěn)定運(yùn)行在40rad/s，因此此時(shí)網(wǎng)側(cè)電流波形好，無畸變，諧波幾乎為零，而0.3秒時(shí)，系統(tǒng)給定速度剛增到80rad/s，對(duì)電網(wǎng)電流波動(dòng)較大，23次和25次諧波快接近10%，整個(gè)電流畸變率達(dá)到11.22%，但是低次諧波均比較小。同樣，在0.8秒時(shí)，負(fù)載發(fā)生變化，網(wǎng)側(cè)電流又開始新一輪的波動(dòng)，網(wǎng)側(cè)電流波形和諧波情況與0.3秒時(shí)類似。說明在列車運(yùn)行狀態(tài)改變，甚至是突變時(shí)，網(wǎng)側(cè)電流所受影響較大，諧波會(huì)隨之增大，但是會(huì)在比較短的時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)為穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)于直流側(cè)電壓，在系統(tǒng)加速、制動(dòng)、加載情況下，直流側(cè)電壓有一定波動(dòng)，尤其在0.4秒列車進(jìn)行再生制動(dòng)時(shí)，網(wǎng)壓突然增加，在直流側(cè)形成電壓沖擊。 4 結(jié)論 本文建立了24脈波供電系統(tǒng)模型和矢量控制的列車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型，可以衡量24脈波供電性能的優(yōu)劣及其對(duì)列車運(yùn)行狀態(tài)的影響，比較準(zhǔn)確地分析列車運(yùn)行狀態(tài)對(duì)網(wǎng)側(cè)諧波及直流側(cè)電壓的影響。將列車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)作為供電的負(fù)載，從而分析網(wǎng)側(cè)電流的諧波，比較具有真實(shí)性與參考性。 仿真結(jié)果表明24脈波供電性能良好，大大降低了低次諧波，脈動(dòng)比較小，對(duì)列車運(yùn)行性能幾乎沒有太大影響，聯(lián)合仿真系統(tǒng)能較真切的分析列車各種狀態(tài)對(duì)交流側(cè)諧波及直流側(cè)電壓脈動(dòng)的影響。 參考文獻(xiàn) [1] 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