地铁牵引供电系统建模及其对公共电网影响的研究分析

黄永涛

（北京市轨道交通建设管理有限公司，北京 100068）

我国当前的地铁牵引供电系统中，主要以电力机车、牵引网以及电缆等部分组成的，这一系统以直流牵引的形式来运行，有着非线性强且电压波动大的特点，而且其电缆所引发的充电无功功率也是相对较大的，将其接入城市的公共电网中，会对电能的质量、供电的可靠性以及稳定性有不同程度的影响。而要想从根源上杜绝隐患问题发生，就应对接入轨道交通前开展电能质量预评估，提前做出预防对策，这样才能更好地提升电网电能的质量，促进供电的可靠性以及稳定性进一步提升。

1 地铁牵引供电系统简介

1.1 地铁供电系统的主要结构

在地铁运行中主要的能量来源都是依靠电能为基础，其电能是有地铁供电系统所提供的，城市地铁交通运输中，地铁牵引供电系统属于重要环节。和交流供电相比，其中的直流供电有着一定的优势，有着较大的调速范围，操作比较方便，控制也较为容易，其中的牵引网结构也较为简单，有着较高的电压质量，因此，在地铁交通运输所用的供电形式多以直流供电来满足牵引动力的要求。

针对当前地铁供电系统的发展情况进行分析，其主要由六大部分所组成，最重要的就是外部电源主变电所，还有牵引供电系统和电力监控系统几个部分，但在地铁运行中，如果出现供电系统问题，那么将会严重影响地铁的正常运行，情况如果非常严重，那么也会引发一些安全事故隐患，所以在实际发展中，相应管理部门要对地铁供电系统安全进行全面掌控，对地铁的运行情况进行实时监督，并派专人对地铁牵引供电系统进行管控，确保供电的稳定性，以此为地铁运行安全性的提升奠定坚实的基础。

在地铁供电系统中，外部电源是其中最重要的环节，其外部电源多指城市电网，它的作用就是为地铁直流供电系统提供所需的电能。外部电源主要由集中供电形式、分散供电形式、混合供电形式所组成的，地铁在运行中可以针对实际需求来选择相应的供电方式，以此确保地铁运输工作的有效开展。

在地铁供电系统中的核心部分就是牵引供电系统，在实际的地铁运行中，牵引供电系统属于不可缺少的重要部分，其主要以牵引变电所、牵引网所组成，作用是将在主变电所中所传过来的高压电进行处理，之后传递给地铁车辆内部，以此确保地铁的运行更稳定。

1.2 地铁牵引供电系统的建模的宗旨

城市地铁在实际运输中，是需要通过复杂的系统所完成的，其中的牵引供电系统是能够直接影响地铁是否可以高效且安全地完成运输工作，而且牵引供电系统更是有着复杂的交流电和直流电向混合的系统。地铁运行时机车属于有着很大随机性波动的负荷，并且会随各种情况的转变而出现不同程度的波动，这样就会使得地铁在实际运行中发生问题，不但会影响地铁的正常运行，严重时还会带来安全隐患。所以，在将地铁牵引供电系统投入到现实使用前要开展各种建模。另外，在地铁运行时，应有效地运用直流供电形式，不但能够保障地铁的电能更具稳定性，而且也能降低地铁运行中速度的损失。地铁运行也会出现电磁干扰等情况，一旦出现较强的电磁干扰，那么就会对地铁的运行带来严重影响，而有效地运用直流牵引供电系统，将可以大大减少电磁干扰对地铁运行所带来的影响，能够确保地铁运行的安全性和稳定性。

2 地铁电力机车的建模仿真

2.1 地铁电力机车

针对当前快速发展的环境下，地铁牵引供电系统的建模以及仿真工作是发展重要的内容，在科学有效的建模、仿真工作中，可以进一步增强我国地铁运输行业的综合实力，并为其未来稳定发展奠定坚实基础。在完成建模后，要对所搭建的模型准确性进行全面检查，所以要针对模型情况开展仿真试验，以此确保后续工作有效开展。而且在仿真试验中，可以有效地对所建立模型的具体情况进行检测，从而明确其是否满足当前各项需求。

实际操作中，主要就是通过让地铁车辆在DC1500v架空接触网中取直流电，再由元件来建立主逆变器实现直流电转化为三相交流电，而且也要结合调频调压的形式来对三相异步的电机运行进行控制和驱动，以此确保机车实现牵引要求。

在当前电力电子器件的不断发展，控制理论以及计算技术也得到了进一步的优化和完善，直流传动形式逐渐被交流传动的形式所替代，并且它的价格、运行性能等优势也是直流传动形式不能相比的。

针对其中的直流7sov 城市网压，因其网压的波动最大可能达到900V 左右，所以选择的主牵引逆变器运用工业级耐压的IGBT 三点式逆变器，其电压在1200V之间，而且电压等级能够有效地满足直流750V 的电网系统要求，其电压安全系数也是相对比较高的。

2.2 机车主传动控制

在电机控制的主要工程中，就是要对PWM 波形进行有效控制，确保功率控制器件所输出的电压以及电流波形可以有效地为电机高性能运行提供保障。在当前所在可控型的功率控制器件的进一步发展，为优化和完善电机控制系统带来了很多帮助，也提供了相应的硬件保障，其中可关断器件就是最有效的硬件系统，将其运用到电机控制系统中，可以更好地满足高频、高压且大功率PWM 控制技术的操作需求。

通过运用空间矢量控制策略来对地铁列车的三相牵引电机开展控制工作，该控制策略属于20 世纪70 年代初所提出的策略，是对交流电动机进行变频驱动所提出的方法，通过运用逆变器空间电压矢量的转换，形成圆形旋转的磁场，并能够在控制开关频率的情况下，让交流电动机实现SPWM 控制需求，并获得良好的性能效果。其SVPWM 能够有效增强电压型逆变器中的直流电压利用率，也增强了电机动态应性能，更能对电机存在的转矩脉动进行控制和减少，也能有效地满足数字处理器的需求。

2.3 牵引供电系统的负荷仿真

结合某城市地铁一号线路为案例进行分析研究。其地铁所有的机车组都以四动二拖编组形式来运行，并且所有机车组都以2880kW 为额定功率。表1 为案例研究分析后各机车异步电机的相应参数。

表1 机车异步电机参数表

通过对各供电形式下的车辆开展启动电流仿真实验，其地铁车辆在进行启动时其中的牵引网电流会针对不同情况而产生不一样的改变。通过牵引网电流波动情况可以了解到，针对单边供电状态下启动地铁，会使得地铁一直保持匀速运行，而对于这一过程中会受外界因素带来的影响使得牵引网的电流出现一定的波动，但波动幅度会随着地铁平稳运行而不断地减小，最后所得的数值将会逐渐平稳。地铁在实际运行中所产生的电流震荡，是因电路中出现二阶RLC 电路，一旦出现这样的情况，其地铁机车中滤波将会和接触网间产生一定的作用，最终就会带来电流震荡的现象。

2.4 牵引供电系统的故障仿真

所有的设备在实际操作和运行中都会因不同的因素而产生故障，即便设备非常的完善，但运用的时间不断增长也就会相继引发一些故障问题，所以，地铁在实际运行中，也会因内部结构或是其他因素而发生故障。只有预先做好相应的故障仿真工作，找出地铁运行中可能引发的故障问题，并对故障问题进行更细致的分析和研究，并制定相应的应急预案和保护措施，才能为地铁的良好运行提供保障，进一步提升地铁运行的安全性和稳定性，并在地铁发生故障时及时地提出应对方案。

通过故障仿真研究中可以了解到，地铁牵引供电系统中的故障主要有两种形式，短路故障和不正常运行状态，从研究过程来看，两种故障问题都会对地铁正常运行带来影响，而结合实际中的地铁运行和发展现状来看，对地铁牵引供电系统危害和影响最大的就是短路故障以及高负荷运行问题。因此，要注重对短路故障问题和超负荷问题的解决，以此强化地铁运行效率的同时，增强其整体安全性。

导致地铁出现短路故障问题的因素比较多，最常见的问题就是金属性短路，其是因地铁中的接触网与钢轨机车间产生金属性接触，也会因汇流排铜线出现脱落问题而引发车体、钢管和接触网间接触所导致的，这些情况的发生都会使得地铁供电系统发生短路问题。另外，非金属性短路也会影响地铁的良好运行，其主要就是因非金属材料受潮或是在潮湿环境下运作而引发的接触网短路问题。所以，在地铁运输行业发展中，应对牵引供电系统进行全面的故障仿真研究，这样可以更全面地掌握在地铁运行中可能存在的故障问题，真正探寻到故障形成的原因，并制定相应的应急预案和解决对策，这样才能更好地应对突发故障，为地铁地安全运行提供保障。

3 地铁牵引系统的谐波影响和治理策略

3.1 地铁谐波特点以及对公共电网带来的影响

地铁的供电系统中所产生的波形畸变主要是由车辆的牵引供电整流或是逆变装置所形成的。而对于谐波电流以及电压对于公共电力系统带来的影响和危害主要就是，在运用旋转电机以及电容器时所带来的附加损耗从而提升其热量，这对设备安全会带来一定影响，也会给通信设备的运用带来一定的干扰和影响，也会导致保护系统以及控制电路出现误判的动作，也会对轨道电路中的载波频率信号带来影响，干扰其正常运作，还会导致测量仪表难以精确的做出判断，不利于后续工作的有效开展。

3.2 对谐波问题进行科学治理

首先，有效开展谐波测量工作。针对电气的主接线情况进行全面了解和分析，再结合相应的用户信息，选择相应的测量点。原则上，是可以对总电流中除了无功柜以及电容柜等可以放大谐波的电流部分的相应电流进行测量，抑或是确保一次性完成测量工作，但如果不能一次测量到位，就应针对具体情况来合理地进行测量工作，保障谐波电流是系统中真实的电流。

其次，开展地铁谐波治理的主要过程。当前开展谐波防治的主要形式包括：（1）运用无源滤波器来对谐波进行滤除处理；（2）运用有源电力滤波器来对谐波进行滤除处理。前者的价格是相对较便宜的，而且维修的流程较为简单，在进行滤波的过程中也能有效的对无功无源滤波器存在的缺点给予补偿，但主要缺点就在于会受到系统阻抗的较大影响，而且也易出现谐振现象，在功率因数高的场所不适合使用。针对后者，其优点就是不会受到系统的阻抗所影响，能够在同一时间内进行多次谐波电流的滤除处理，也不会因系统功率的因数影响而出现问题，并且适合使用的场所不会受到限制，但唯一的缺点就是价格较高。因此，要针对实际情况有效地选择相应形式，以此为地铁牵引供电系统的良好运作提供保障。