高速铁路牵引供电系统动态模拟综合实验系统的设计与实现.pdf

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高速铁路牵引供电系统动态模拟综合实验系统的设计与实现1 高速铁路牵引供电系统动态模拟综合实验系统的设计与实现2 高速铁路牵引供电系统动态模拟综合实验系统的设计与实现3 高速铁路牵引供电系统动态模拟综合实验系统的设计与实现4 高速铁路牵引供电系统动态模拟综合实验系统的设计与实现5 高速铁路牵引供电系统动态模拟综合实验系统的设计与实现6
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第42卷第13期2014年7月1日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControl、,01.42NO.13Ju1.1.2014高速铁路牵引供电系统动态模拟综合实验系统的设计与实现李勇,王江峰,何正友,黄立敏(西南交通大学电气工程学院,四川成都610031)摘要:针对我国轨道交通电气化专业实验教学仪器较为缺乏的现状,在详细研究高速铁路牵引供电系统之后,对高速铁路的牵引变电所、接触网、高速列车、综合接地系统及其远动监控系统进行了物理建模。开发出一套从电气量和物理量比例缩小的高速铁路牵引供电动态模拟系统,实现高速铁路接触网结构,牵引变电所供能、电力机车运行等功能的综合模拟。可通过远动模块实时监测与控制变电所以及机车模块的运行状态,真实地反映了高速铁路牵引供电系统的实际工作状况,为从业人员和相关院校提供了一套适用于培训与教学的综合实验系统。关键词:高速铁路;牵引供电系统;物理建模;动态模拟;实验系统Designandimplementationofintegrateddynamicsimulationexperimentsystemofhigh-speedrailwaytractionpowersupplysystem———LIYong,WANGJiangfeng,HEZhengyou,HUANGLimin(SchoolofElectricalEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)—Abstract:Inordertocreateasetofexperimentalinstrumentonthehighspeedrailwaytractionpowersupplysystemforthehi曲—schoolstudentsandrailwayengineers,afterhavingcarefullystudiedthissystem,themodelsofcatenary,highspeedtrains,integratedgroundingsystems,andremotemonitoringsystemarefirstlygivenindetail.Besides,asetamountofthespeedrailwaytractionpowersupplyintegrateddynamicsimulationexperimentsystemwiththescaled-downelectricalandphysicalquantityisdesignedand—developedcarefully.Thebehaviorsofthehighspeedrailwaytractionpowersupplyineachmodulecanbesimulatedbythisexperimentalsystemaccurately.Thereactionandtheelectricalquantitycantrulyreflectthehigh-speedrailwaytractionpowersupply’—systemoperatingconditions.Thissystemhelpstoimprovetherelevantpractitionersandtertiarystudentsrecognitionforhighspeedrailwaytractionpowersupplysystem,andprovidestheexperimentalenvironmentforresearchinstitutes.ThisworkissupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.U1234203).—Keywords:highspeedrailway;tractionpowersupplysystem;physicalmodeling;dynamicsimulation;experimentalsystem中图分类号:TM74文献标识码:A———文章编号:16743415(2014)130123060引言随着我国高速铁路的快速发展,越来越多的大专院校开设了轨道交通电气化专业,同时众多科研单位也参与到高速铁路的研究中。然而,由于牵引供电系统结构复杂、电压等级高、运行无法中断,难以在现场开展相关培训工作及科学研究;另一方面,轨道交通电气化相关院校及单位缺少实验教学环节和实验教学仪器,学生及从业人员对高速铁路牵引供电系统缺乏整体、形象的认知。因此,建立基金项目:国家自然科学基金(U1234203);发明专利已受理(20131O1O1168.7)真实、形象、可信的高速铁路牵引供电模拟实验仿真系统迫在眉睫。目前,对高速铁路牵引供电系统的研究主要集中在对其进行数学模型分析[】和计算机仿真分析【4】。虽然文献[5.6】分别对牵引供电系统的微机保护和微机远动监控的教学实验系统进行研究,但还没有对整个高速铁路牵引供电系统的牵引变电所、牵引网、综合接地系统、电力机车以及远动监控系统进行综合模拟。本文针对高速铁路牵引供电系统,对其中的牵引变电所、牵引网、综合接地系统、电力机车以及远动监控系统进行综合分析和研究,设计开发出一套从电气量和物理量按比例缩小真实牵引供电系统一124.电力系统保护与控制的高速铁路牵引供电动态模拟综合实验系统。1实验系统的组成图1为高速铁路牵引供电系统的组成结构。高铁牵引供电系统是指从电力系统接受电能,通过牵引变电所变压、变相后,向电力机车供电的系统。牵引供电回路是由牵引变电所、馈线、接触网、电力机车、钢轨、综合接地系统构成。针对牵引供电系统这一复杂的综合系统,如何进行合理的简化以及选取准确的参数对于建立模拟综合实验系统至关重要。在本文中,选择对牵引供电系统的核心元件建模,即建立牵引变电所、牵引网、高速列车的缩小比例模型。为实现对模拟实验系统的电气量监测及控制,需搭配远动监控系统。因此,本模拟实验平台主要由牵引变电所模块、牵引网模块、电力机车模块以及远动监控模块四部分组成,其结构图如图2所示。电力系统迈垒球引变电所接触搠图1高速铁路牵引供电系统组成结构—Fig.1Systemofhighspeedrailwaytractionpowersupply高速列车模块图2高速铁路牵引供电动态模拟综合实验系统结构图Fig.2Structureofthesystemexperimentalforthedynamic—simulationofhighspeedrailwaytractionpowersupply2实验系统的设计与开发2.1牵引变压器模块的设计牵引变压器是高速铁路牵引供电系统的心脏,主要是将电力系统中的三相交流电变换成合适的单相交流电通过馈线接入接触网为列车提供电能。我国高速铁路牵引供电系统多采用自耦变压器(AT)供电方式,其主变压器常见的接线方式有:(1)单相V接线;(2)三相V,v接线;(3)Scott接线;(4)V/X接线。文献[7]对V/X接线牵引变压器进行研究,说明了选择AT供电方式和V/X接线牵引变压器的合理性。文献[8.9】在工程应用的角度上对v/X接线、Scott接线和单相接线牵引变压器进行系统的分析比较,得出V/X接线牵引变压器在工程应用上的合理性。综合考虑,本系统采用V/X接线牵引变压器,其电路原理图如图3所示。图3V/X接线牵引变压器原理图Fig.3SchemmicdiagramofV/Xtractiontransformer由于在实际牵引供电系统中电压等级高、电流较大,本文考虑实验操作的安全性,选取变比为380V/2"27.5V变压器作为牵引主变压器,变比为55V/27.5V的白耦变压器模拟实际AT变压器。由于本系统的供电臂的最大运行机车数量为1列,且由于机车额定功率的限制,机车正常运行时馈线电流为厶=5A,机车满载运行时馈线电流为厶,m一10A,牵引主变压器的计算容量为S=U:,(1)选择的牵引主变压器的最大容量为S。=U(2)牵引主变压器的校核容量为/k(3)式(31中k为过负荷倍数,选取为175%[】。通过式(1)~式(3)可得出牵引变压器的计算容量为S=275V.A,校核容量为S校=314_3V-A。选择计算容量和校核容量中较大者作为牵引变压器的安装容量。故牵引变压器的容量选定为315V.A。AT变压器的容量选定为150V-A。牵引变压器的设计参数一126.电力系统保护与控制际接地系统,达到降低钢轨电位的目的。2.3电力机车模块的设计电力机车模型主要由电力机车车体、电机调速电路以及无线通信电路构成。采用1:22.5比例缩小的电力机车头作为机车模型如图7所示,机车内部驱动电机采用直流电机,其额定电压为24v,额定电流为10A,最大功率240W。电力机车利用受电弓从接触网接受27.5V、50Hz单相交流电,通过两电平PWM整流器进行交.直变换,输出直流电能;中间直流回路由直流支撑电容和撬棒放电回路等构成,用于稳定中问直流电压;Buck变换器进行直.直变换,将中间直流电压变换成合适的直流电压,驱动直流电机,牵引电动机的转矩和转速通过齿轮箱传递给轮对驱动列车运行,从而将电能转换成机械能。为了机车安全、平稳运行,增加速度采集单元与无线通信单元,机车内部电路组成框图如图8所示。J_。i}I.,—I_1≯'_一/J图71:22.5比例缩小的电力机车车体Fig.7Designofelectriclocomotive(1:22.5scaleddown)图8机车内部电路组成框图Fig.8Blockdiagramoftheinternalcircuitinthelocomotive在机车内部,采用PWM整流器将受电弓获取的交流电变换为直流电,相比于二极管不可控整流,它有以下优点IJ:(1)交流侧电流谐波含量小;(2)交流侧功率因数接近为1;(3)直流侧电压恒定。实验系统采用单相两电平PWM整流器模拟真实机车内部整流器,PWM整流器电流控制策略采用瞬态直接电流控制,其调制函数如式(41Il。=厶/_v+Kp(一)+J(一)(4)b/abⅣ—(,)=IIN(f)一coLINcoso)t-Rsin60tK[I*—Nsina)tiN(t)】式中:K。、为PI调节器的参数;UO:为中间直流侧电压给定值;,、为中间直流环节电流和电压;为比例放大系数;为网侧电压的角频率;(f)为调制信号。图9为系统运行工作时,交流侧电压、电流波形,得到了较好的结果。蜩∞2mucH2m1.日eu明Time18.明m1 ̄296.Ellll ̄图9交流侧电压、电流波形Fig.9VoltageandcurrentwaveformsatACside电力机车模型是由直流电机进行驱动,采用Buck直一直变换器对其进行速度控制,具有控制算法简单,动态响应速度快,稳态误差小的优点。系统采用PI控制器,通过编码器采集机车瞬时速度进行反馈,与设定速度相减误差传入PI控制器,PI控制器进行计算输出速度控制指令信号,经过控制器转换成PWM信号对Buck进行控制,控制框图如图10所示。图10机车速度调节控制框图Fig.10Blockdiagramofthesystemadjustmentforlocomotivespeed通过在机车上装载无线通信模块,可进行数据无线收发,实现与远动监控模块的数据通信。无线通信模块接收远动监控模块传来的速度设定信号,进行速度控制,同时可将网侧电流和电压等电气信号传输给远动监控模块。控制器内部有CRC校验寄存器,通过相关设置,实现冗余校验,在保证传输速度的同时,实现数据传输的可靠性和抗干扰功能。2.4远动监控模块的设计远动监控子系统主要由调度端、通信信道和RTU(远动终端装置)三部分组成。远动是利用远程通信技术进行信息传输,实现对远方运行设备的监视和控制。监视和控制的过程包括遥测、遥信、.128.电力系统保护与控制[3]王奇,刘志刚,白玮莉,等.基于PSCAD/EMTDC的牵引供电系统仿真模型研究[J].电力系统保护与控制,—2009,37(16):3540.WANGQi,LIUZhi-gang,BAIWei・li,eta1.ResearchonthesimulationmodeloftractionpowersupplysystembasedonPSCAD/EMTDC[J].PowerSystemProtectionandControl,2009,37(16):35-40.[4]刘建强,郑琼林,杨其林.高速列车牵引传动系统与牵引网谐振机理[J].电工技术学报,2013,28(4):221.227.—LIUJianqiang,ZHENGTQ.YANGQi-1in.Resonance—mechanismbetweentractiondrivesystemofhighspeedtrainandtractionnetwork[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2013,28(4):221-227.[5]刘家军,姚李孝,刘小勇,等.基于牵引供电微机远动综合实验系统的设计与实现[J].电力系统保护与控制,2010,38(16):116-118.——LIUJia-jun,YAOLixiao,LIUXiaoyong,eta1.Designandrealizationbasedoncomprehensiveexperimentalsystemfortractionpowersupplyandmicrocomputertelecontrol[J].PowerSystemProtectionandControl,—2010,38(16):116118.[6]柯志敏.牵引供电系统微机远动仿真教学系统设计【D】.成都:西南交通大学,2005.KEZhi-min.Designofthesimulationteachingsystemfortelemechanicalapparatusintheelectricrailway[D].Chengdu:SouthwestJiaotongUniversity,2005.[7]杨振龙.V/x接线牵引变压器的研究与应用【J].电气化铁道.2004(4):12-15.YANGZhen・long.ResearchandapplicationofV/xwiringtractiontransformer[J].ElectricRailway,2004(4):l2.15.[8]杨振龙.V/x接线与Sc龇接线牵引变压器的工程应用比较[J].电气化铁道,2006(3):4-7.YANGZhen-long.ThecomparisonofV/xwiringandScootwiringtractiontransformerinengineeringapplications[J].ElectricRailway,2006(3):4-7.[9]吴命利,黄足平,楚振宇,等.适用于AT供电系统的二次侧中点抽出式scott接线牵引变压器[J].电工技术学报,2011,26(2):95.100.———WUMingli,HUANGZuping,CHUZhenyu,eta1.TheScotttraciontransformerwithsecondarymidpoint—drawnoutapplicabletoatfeedingsystems[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2011,26(2):95-100.[1O]李群湛,贺建闽.牵引供电系统分析[M】.成都:西南交通大学出版社,2007:26.40.—LIQunzhan,HEJian-min.Analysisoftractionpowersupplysystem[M].Chengdu:SouthwestJiaotong—UniversityPress,2007:2640.[11]吴振兴,邹云屏,张哲宇,等.单相PWM整流器的输入电流自适应预测控制器[J】.电工技术学报,2010,—25(2):7379.———WUZhenxing,ZOUYunping,ZHANGZheyu,eta1.Adaptivepredictivecontrollerofsupplycurrentapplied—insinglephasePWMrectifier[J].TransactionsofChina—ElectrotechnicalSociety,2010,25(2):7379.[12]冯晓云.电力牵引交流传动及其控制系统[M】.成都:西南交通大学出版社,2009:95118.—FENGXiaoyun.ACdriveelectrictractionandcontrolsystem[M].Chengdu:SouthwestJiaotongUniversityPress.2009:95-l18.—收稿日期:2013-0923;修回日期:2013-11-03作者简介:李勇(1990一,男,硕士研究生,主要研究方向为—无线电能传输;Email:leeo1864@163.com王江峰1988-),男,硕士研究生,主要研究方向为牵引供电系统潮流计算;何正友(1970-,男,教授,博士生导师,主要从事信号处理和信息理论在电力系统故障分析中的应用、新型继电保护原理、配网综合自动化等方向的研究。
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