基于EMR的地铁供电系统仿真技术研究

基于EMR的地铁供电系统仿真技术研究
摘要：随着地铁供电系统的不断发展，特别是能量回收与储存技术的应用，使得地铁供电系统的构成发生了较大变化，但是由于目前缺乏对牵引供电系统、车辆系统以及节能系统进行系统间的有效仿真方法，所以在地铁供电系统建设与节能系统配置时，很难达到最优的供电容量配置比。

文中基于能量宏观表示法（EMR）构建了多车辆、多供电系统、多节能系统的能量耦合仿真模型，利用Simulink对模型进行了计算验证，结果显示该模型可有效地对地铁供电多系统间的能量关系进行描述，并为地铁供电节能系统的优化配置提供参考。

关键词：城市轨道交通；能量宏观表示法；牵引供电系统
引言
我国城市轨道交通行业在近十年来发展迅速，城市人口也在不断的增加，作为承担着超过半数客运流量的地铁，其在建设、运营和维护方面也迎来了新的挑战与机遇。

据相关文献研究，地铁供电能力不足的主要表现有多车起动电流过大导致直流开关跳闸，轨电位异常升高导致轨电位限制装置频繁投切等。

因此，系统完善地建立地铁供电能力评估体系，对于地铁牵引供电系统的安全稳定运行具有重要的现实意义。

本文从供电能力仿真的关键影响因素出发，针对牵引网参数和列车停站时间两个影响供电能力仿真评估精度的因素，分别提出相应的解决方案，而后以仿真结果为基础构建了地铁牵引供电系统的供电能力评估体系，并给出各评估指标的辅助决策手段，最后完成了仿真软件的开发。

1地铁供电系统概述
地铁是一个庞大而复杂的用电系统，其作为城市公共电网大型的负载，一般向当地城市公共电网获取电能。

地铁供电系统主要有外部电源系统、地铁牵引供电系统、车站动力照明供电系统、电力监控系统，其结构如图1-1所示。

其中外部电源系统是城市公共电网向地铁主变电所输电的部分，负责向地铁供电系统供电；地铁牵引供电系统是地铁供电系统的核心部分，主要由牵引变电所和接触网
构成，负责为电力机车提供牵引动力；车站动力照明供电系统是车站降压变电所
和车站各种动力照明负荷的部分，负责向车站的照明设备、空调、电梯以及通信
设施供电。

由于整个地铁供电系统的用电设备运行的额定参数各不相同，不可避
免的给供电增加了不小的难度，为了让各种用电设备能稳定的工作，必须保证地
铁供电系统安全可靠经济的运行。

图1地铁供电系统结构图
2供电与储能系统EMR模型
目前新建地铁变电站的牵引供电系统通常由牵引整流机组（TPS）与能馈/储
能系统［ERS（ESS）］组成。

TPS可为车辆牵引提供能量，其单向导通装置通常
采用不控整流的控制方式，峰值功率受前级变电站容量限制；而ERS（ESS）作为
节能装置，其工作原理是通过电力电子装置将车辆制动时的能量回馈电网或者储
能装置，通常采用IGBT实现四象限控制，主流的ERS（ESS）单机峰值功率一般
为0.5~2MW，通过串并联可组成更高功率的能馈系统。

供电与储能系统的EMR模
型主要是牵引整流系统与能馈/储能系统能量分配的模型，即将牵引整流系统、
能馈/储能系统及列车能量组成多能源耦合系统，如图2所示。

能量在列车、牵
引整流系统、能馈/储能系统之间流动，其能量分配受运行曲线、供电U-I特性、充放电阈值以及车辆制动特性等因素影响，并且受负载影响，接触网状态包含2
个非线性阶段，具体EMR模型如图3所示。

图2储能与供电系统能量分配模型
图3储能与供电系统EMR模型
3、SVG补偿电流控制策略研究
SVG正常工作时，其频率与电网频率相同，相当于一个受控电压源，控制其
主电路开关管的导通或关断，就能使SVG输出相应幅值和相位的无功电流，实现
动态补偿无功功率的目的[58-59]。

电流间接控制和电流直接控制是SVG常用的
两种控制方式，电流直接控制是指将电网负载电流通过参考指令电流检测电路，
无功参考指令电流通过PI控制器产生一个PWM控制信号，SVG接收到PWM控制信
号之后切换其开关管的状态，从而实现对补偿电流的实时跟踪。

4钢轨电阻
地铁将钢轨用于回流，列车的牵引电流通过钢轨回流至两侧的变电所，由于
钢轨自身的电阻，将导致一定的电能损耗。

另一方面，地铁牵引供电系统为不接
地系统，钢轨与地之间并非完全绝缘，二者之间存在过渡阻抗，部分牵引电流将
沿着过渡阻抗流入地中，该部分电流称为杂散电流，也称为迷流。

当轨地之间的
绝缘较差情况下，杂散电流的泄露较为严重，同时轨电位也将升高。

从牵引网的
数学模型可知，当钢轨单位电阻（纵向电阻）由于磨损而增大时，根据电流的分
流原理可知，入地电流将增加，从而导致轨电位也将升高。

由于涉及到接地环节，因此钢轨与地部分的模型将很大程度的影响到仿真结果中相关电气量的结果。

而
轨电位作为牵引供电系统回流能力的一个重要指标，若由于轨地阻抗参数不准确
而导致轨电位的量化计算误差较大，那么进而将对牵引供电系统的供电能力评估
造成较大的影响。

5地铁直流供电系统的短路保护策略
（1）接触网发生短路故障时，直流馈线保护应快速动作，来保护牵引网、
地铁车辆和乘客的生命安全。

一般情况下，接触网在近端短路故障下，大电流脱
扣保护应动作；而接触网发生远端短路时，DDL保护应动作。

正常情况下，大电
流脱扣保护和DDL保护保证馈线的短路故障全部被清除。

（2）地铁车辆发生短
路故障时，车辆保护动作应与馈线保护动作相互配合，且车辆保护相对于馈线保
护是独立的，可以优先速断。

具体动作策略是：车辆短路故障发生时，地铁车辆
应首先进行自救，即无论身处何地，车辆上的保护装置（高速断路器、主熔断器）此时必须动作，而变电所的直流断路器不应动作，需要继续保证对非故障车辆的
供电，减小对地铁系统的整体影响，保证乘客的出行。

（3）短路故障发生时，
车辆位于变电所近端，且故障发生在车辆进线电抗器前，这种情况下，系统阻抗
和电流惯性都很小，电流上升速度非常快，此时高速断路器可能无法快速动作切
断短路电流。

为了应对这种情况，车辆供电回路中必须接入主熔断器，保证短路
发生时，主熔断器的熔断丝因迅速生热而熔断，及时切断短路电流，保护车辆安全。

结语
EMR是一种适合对地铁供电系统进行宏观描述的方法，该方法不仅可以对地
铁车辆运行工况与内部能耗之间的关系进行描述，也可对多车多站模型下车辆能耗、ERS（ESS）节能与TPS能耗进行描述，更加符合地铁实际运营情况。

文中以Simulink为工具直观地构建了多地铁车辆与多变电站之间的EMR仿真模型，该仿
真解决了各子系统之间不兼容的问题，非常适用于对于多车多站复杂系统的能量
表述。

虽然文中并未对各子系统内部环节的效率参数进行更加细化地识别，也并
未考虑更加复杂的工况情况，但是通过简单地运行速度工况对系统进行建模，也
可对地铁建设与运营提供参考，不仅可以对新建地铁的ERS（ESS）配置进行优化
计算，避免功率过度冗余造成投资浪费，也可为今后地铁自动运行的最优化提供
参考。

参考文献
[1]诸斐琴，杨中平，林飞，等.城轨交通牵引供电系统参数与储能系统容量配置综合优化[J].电工技术学报，2019，34（3）：579-588.
[2]张驰，谭南林，刘敏杰，等.地铁再生制动系统仿真及节能优化研究[J].中国铁道科学，2019，40（3）：112-118.
[3]陈垚，毛保华，柏赟，等.基于支持向量回归的地铁牵引能耗预测[J].系统工程理论与实践，2016，36（8）：2101-2107.
[4]孟飞．地铁直流牵引供电系统馈线保护研究［Ｄ］．南昌：华东交通大学，2012．。