2非隔离型地铁机车工况模拟能量回馈系统

1、第十一届中国高校电力电子与电力传动学术年会非型地铁机车工况模拟能量回馈系统，郑琼林(交通大学、电气，100044)摘要：提出一种基于升压单元和降压单元级联结构的非型地铁机车工况模拟能量回馈系统，模拟地铁机车负载的典型运行工况与能量回馈过程。在升压单元和降压单元级联结构负电位线的不同位置串入两个二极管，并提出相应的占空比控制策略，实现两单元输入输出电流解耦。为验证模拟系统结构的正确性与控制策略的可行性，搭建传统牵引供电系统与直流自耦变压器牵引供电系统的数字仿真。仿真结果表明模拟系统能够正确实现地铁机车负载的典型工况与能量回馈过程，因而在轨道交通牵引供电系统的相关中具有应用前景。：城市轨道交通；牵

2、引供电系统；地铁机车模拟；能量回馈-isolated MetroGU Jingda,otive Energy Feedback Simulation SystemXiaofeng, ZHENG Trillion Q.(School of Electrical Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)Abstract: Based on step-up unit and step-down unit cascading topology, a new type of-isolated metrootive c

3、onditions simulation system is presented tosimulate typical operating conditions and energy feedback pro s of metrootive load. Combined with two diodest are in differentitions of cascadetopology negative potential line, switch duty ratio control strategy is app d to isolate the input and outpurrents

4、 betn two units. Simulation ms of tradi-tional tractioner supply system and DC auto transformer tractioner supply system are built to verify feasibility and correctness of simulation system. Sim-ulation results showt the simulation system can simulate the typical operating conditions as well as the

5、energy feedback characteristics of metrootive loadcorrectly. Therefore, the simulation system has a prospect in urban rail transit tractioner supply system research.Keywords: urban rail transit; tractioner supply system; metrootive simulation; energy feedback客流量大1-4，不具备经常进行实验的条件，所以在实验引言室模拟城市轨道交通系统及机

6、车成为课题之一。目近年来，城市轨道交通因高效环保、轻便快捷等优前主要有以下方法：点得以快速发展，在城市公共交通发展中占据重要地位，文献5-6提出用受控电流源或电阻代替机车的方地铁和有轨电车等交通方式已经组成了庞大的城市轨道法，用于牵引供电系统特点等方面的，但是这种方交通网络。随着城市轨道交通的发展，对相关技术的要法只能模拟机车牵引工况的特点，无法反映机车再生工求越来越高，因此对城市轨道交通的科学也在不断况的状态；文献7以模拟机车位置的改变为主要思路，推进。由于城市轨道交通系统结构复杂，机车体积庞大，用直流变换器的输出阻抗代表直流轨道的各个阻抗，调节直流变换器占空比改变输出阻抗的大小，从而实现改

7、基金项目：国家重点研发计划 (2016YFE0131700)变机车位置的模拟，但存在牵引供电仿真系统结构复杂、Project Supported by the National Key Research and DevelopmentProgram of China (2016YFE0131700).运算量大的问题；此外，文献8利用力学知识，分析机非型地铁机车工况模拟能量回馈系统车每节车厢的受力情况，结合仿真得到机车的速度-统工作，相当于电流很小的牵引工况；若不考虑辅助系距离曲线与速度-时间曲线，实现对机车的模拟；文献9统的功率，牵引电流为零，相当于不工作，因此模拟机利用牵引曲线对机车的运动情

8、况进行模拟，用于轨车主要考虑牵引和再生两种工况即可。道杂散电流和对地电位的分布情况；文献10-11通过电Lf 1A机角速度的变化反应列车运行过程中负载的变化，得到vAB iLf 1相关表达式用于地铁牵引供电系统的仿真。B被试机车上述城市轨道交通机车模拟方法优势明显，但以软件仿真模拟为主，无法开展进一步硬件实验模拟。故本图 1 模拟机车拓扑结构示意图Fig.1 Topology of metrootive simulation system文基于可搭建硬件的地铁机车模拟方法（硬件如图 1 所示，当开关 K1 和 K2 掷于 1 位置时，牵引能亦称“模拟机车”），提出非型地铁机车工况模拟量输入被试

9、机车，流过电感 Lf1 的电流为正，模拟机车模能量回馈系统，即传统牵引供电地铁机车模拟系统与直拟地铁机车的牵引工况；当 K1 和 K2 掷于 2 位置时，流过流自耦变压器（DC auto transformer, DCAT）牵引供电电感 Lf2 的电流为负，被试机车输出制动能量，模拟机车地铁机车模拟系统（分别简称“传统模拟系统”与模拟地铁机车的再生工况；调节 S1 和 S2 的占空比即可改“DCAT 模拟系统”），用以实现地铁牵引供电系统与地变机车牵引电流和制动电流的大小。铁机车典型工况特性的模拟。本文首先在 DC 750V 牵引1.2 传统模拟系统拓扑结构供电系统中分析了模拟机车与模拟系统的

10、拓扑结构及工图 2（a）展示了模拟机车处于牵引工况时，传统模作原理，在此基础上进一步分析了模拟机车的约束条件，拟系统的拓扑结构示意图。其中 Rq 表示牵引网（也称“第提出改进的占空比控制策略，并对模拟系统的经济性进三轨”）阻抗，Rz 为走行轨阻抗，回馈线路连接至牵引所行分析，为验证模拟系统的工作特性，接着对模拟系统AB 的正负。系统的能量情况如图 2（b）所示：进行仿真剖析；最后在 DC 1500V 牵引供电系统中，对模被试机车从牵引网获得牵引能量 Pqy1 与 Pqy2 后，由于自身拟系统的工作原理与特性进行验证。没有能量装置，除去自身损耗的剩余能量 Pfb1 与 Pfb2，1 地铁机车模拟

11、系统原理分析通过陪试机车分别回馈给牵引所 AB；但牵引所能量只能1.1 模拟机车拓扑结构输出，所以回馈能量最终流入牵引网，供被试机车牵引模拟机车由升压单元和降压单元组成，升压单元代启动。表被试机车，降压单元代表陪试机车。为模拟被试机车对牵引网的能量状态进行分析：牵引网一直以 iLf1 输的能量回馈过程，设置陪试机车将被试机车的输出能量出能量给被试机车；陪试机车一直以 ifb1 和 ifb2 回馈能量回馈至牵引所，即被试机车的能量输入端。图 1 是模拟给牵引所 AB；牵引所 AB 一直以 i1 和 i2 提供能量给牵引机车的拓扑结构示意图，为方便后续分析，用箭头标示网。根据一个开关周期电荷守恒的

12、原则，得到如下表达电流参考方向。式：地铁机车有三种典型工况：牵引工况、再生工况与Ts iTs iTt dt=t dt 0(1)Lf 1fb00惰行工况。当地铁机车惰行时，牵引电流很小，辅助系其中 ifb =ifb1+ifb2，i =i1+i2。因 ifb、iLf1、i 均为直流第十一届中国高校电力电子与电力传动学术年会量，忽略纹波，得到：对牵引网的能量状态进行分析：陪试机车一直以 ifb1Tt dt=Is和 ifb2 回馈能量给牵引所 AB；牵引网一直以 iiT(2)Lf2 输出能量Lf 1Lf 1s0给被试机车；牵引所AB 一直以i1 和i2 提供能量给牵引网。Ts it dt=IT(3)f

13、bfb s0与牵引工况分析类似，得到如下表达式：T 0si t dt=IT(4)sTTTt dt=t dt 0s i0s i0si t dt(6)Lf 2fb将式（2-4）代入式（1），得到回馈电流平均值 IfbII(7)2与模拟机车输入电流平均值 ILf1 的关系：回馈电流与系统输出电流相等，即 ifb=iLf1，所以，牵I1I(5)引所 AB 同样提供模拟机车自身损耗的能量，再生制动能ifb1ifb2正馈线量主要通过被试机车牵引启动消耗。由此可知，本文提Rq1Rq2牵引网i1i2出的传统模拟系统能够实现在条件下模拟传统牵AC牵引变电所A牵引变电所BiLf 1iLf 2VDC2VDC1模拟机

14、车引供电系统以及地铁机车的典型工况，同时实现地铁机Rz1BDRz2车的能量回馈，回馈电流大小等于模拟系统的输出电流。走行轨1.3 DCAT 模拟系统拓扑结构负馈线DCAT 牵引供电系统能够有效抑制轨道杂散电流12，（a）结构示意图图 3 是DCAT 模拟系统的结构示意图。其中 Rq 表示牵引网Pfb1Pfb2阻抗，Rz 为走行轨阻抗，Rh 为负电压回流线阻抗，回馈线P1Pqy1P2路连接至牵引所 AB 的正负。系统的能量情况如图 3（b）所示。模拟机车牵引所A牵引所B被试机车从牵引网获得牵引能量 Pqy1 与 Pqy2 后，剩余（b）能量流示意图能量 Pfb1 与 Pfb2图 2 传统模拟系统

15、结构与能量流示意图在DCAT 的电容中，不必通过被试机车Fig. 2 Strategy and energy diagram of traditional立即消耗，而被试机车在后续牵引启动过程中，从 DCATsimulation system按需汲取能量。根据模拟机车的结构特点，回馈电流与系统输出电当模拟机车处于牵引工况时，DCAT1 以 iAT1 吸收回馈流相等，即 ifb =iLf2，结合式（5）可知：牵引所 AB 提供能量，同时以 iAT1提供能量给被试机车，陪试机车以 ifb1模拟机车自身损耗的能量，但牵引网中的能量仍为和 ifb2 回馈能量给牵引所 AB，牵引所 AB 则以 i1 和

16、 i2 提供被试机车所需的牵引能量，主要由回馈能量提供。能量给三个 DCAT 和模拟机车；DCAT2 与DCAT3 中存在相当模拟机车处于再生工况时，机车运行方向与牵引似的能量转移过程。根据一个开关周期电容电荷守恒的工况时相反，所以图 2 中 AB 两点应分别接馈线与负原则，得到如下表达式：t dt 馈线，CD 两点分别接至牵引网与走行轨。此时，陪试机TTTs sst dt iiLA0f 10车通过电感 Lf1 回馈再生制动能量至牵引网，牵引网电压(8)Ts iTt dt 0s+i t dtfb上升，通过被试机车消耗回馈能量，以平衡牵引网电压，0i fb i fb1 i fb2 ， i i1

17、i2 ， iA1 iA3 ，避免再生失效。Pqy2非型地铁机车工况模拟能量回馈系统1 iA3 ， iA iAT 因 iLf1、iAT、iA损耗主要由牵引所 AB 提供，陪试机车通过回馈线路回馈ifb、i 均为直流量，忽略纹波，得到：的能量可供被试机车启动，本文DCAT 模拟系统能Ts it dt=I够在模拟 DCAT 牵引供电系统与地铁机车。T(9)Lf 1Lf 1s0Ts综上所述，本文两种模拟系统均能搭建硬件iT(10)As0实验，在模拟地铁机车，不仅能够反映地铁Ts it dt=IT(11)fbfb s0机车三种典型工况的工作特性，还能实现地铁机车的能T 0si t dt=IT(12)s量

18、回馈过程，且不需要电源提供机车额定功率，ifb1ifb2正馈线只提供模拟机车及DCAT 的损耗即可。Rq1Rq2Rq3Rq4Rq5牵引网i1iAT1iAT1iAT2iAT3i22 模拟机车控制策略与经济性分析ACiAT2 iiAT3牵引变电所A牵引变电所B模拟机车iLf 2Lf 12.1 模拟机车控制约束条件Rz1Rz2Rz3BD走行轨Rz4Rz5在图 1 中设置二极管 D1 和 D2，以保证模拟机车输入电流iLf1 和输出电流 iLf2 解耦，除此之外，还需适当选择负馈线212121DCAT 13DCAT 23DCAT33开关管S1 与S2 的开关时序进行配合。当S1 和S2 都导通时，负电

19、压回流线D1 关断，阻塞 iLf2；S1 和 S2 都断开时，D2 关断，阻塞 iLf1；Rh1Rh2（a）结构示意图S1 导通 S2 断开时，D1 和 D2 均关断；S1 断开 S2 导通时，因D1 和 D2 均导通，iLf1 和 iLf2 之间出现干扰现象。Pfb1Pfb2根据图 1 的电路结构，可知机车输入电压 VAB、输出P1P2电压 VCD 与支撑电容两端电压 VC1 之间存在如下关系：PAT1PAT2PAT1PAT3P AT3PAT2模拟机车牵引所B牵引所AVC1 VAB11 DS1(15)DCAT1/DCAT2DCAT3V CD DS 2VC1(16)（b）能量流示意图图 3 D

20、CAT 模拟系统结构与能量流示意图模拟机车要满足输入电压近似等与输出电压等条Fig.3 Strategy and energy diagram of DCAT simulation system件，即VAB VCD 、VC1 2VAB ，所以：DS1 DS 2 1将式（9-12）代入式（8），得到回馈电流平均值 Ifb(17)与模拟机车输入电流平均值 ILf1 的关系：故S1 与S2 的占空比满足开关频率相同，且DS1 0.5 ， 0.5 ，同时开关时序如图 4 所示时，可避免 iLf1 和I I1ATI(13)DS 2当模拟系统处于再生工况时，图 3 中 AB 两点应分别iLf2 相互干扰。

21、S2 的开关时序有 S21 和 S22 两种选择：S1 开通，接馈线与负馈线，CD 两点分别接至牵引网与走行轨。S21 同步导通；S22 关断，S1 同步关断。考虑到模拟机车硬分析过程与牵引工况类似，得到回馈电流平均值 Ifb 与模件实验编程语言的简洁性，选择第一种开关管占空比控拟机车输入电流平均值 ILf2 的关系：制方案。I I2ATI(14)根据上述约束条件，分析不同开关占空比情况下，由式（13-14）可知，三个 DCAT 与模拟机车的自身Pqy2Pqy1第十一届中国高校电力电子与电力传动学术年会流过二极管 D1 与 D2 的电流 iD1 与 iD2 波形，如图 5 所示。机车电流解耦方

22、式也更具有经济性。由图 5(b)可知，只有在满足前述约束条件的情况下，电流iD1 与iD2之间才不存在干扰现象，所以机车间电流解耦。iLf 1S1 S1 vAB S21S22B图 4 开关管 S1 与 S2 开关时序图图 6 传统模拟机车拓扑结构示意图Fig.4 Switch sequence of S1 and S2Fig.6 Topology of traditional metrootivesimulation system表 1 模拟机车不流解耦方式的经济性对比Tab.1 Economy comparison of different metrootive simulation00sy

23、stems with different current decoupled methodsiD1(II)iD1(II)304000iD2(III)iD2(III)300200t/st/s(IV)(IV)（a）DS1 = 0.3，DS2 = 0.7（b）DS1 = 0.7，DS2 = 0.3图 5 二极管 D1、D2 电流波形曲线图Fig.5 Current curves of diodes D1 and D22.2 模拟机车经济性分析综上所述，因避免使用高频变压器并减少开关传统模拟机车采用变压器进行电流解耦，拓扑器件数目，本文的新型模拟机车在控制方式、功率损耗、结构如图 6 所示，接入两种牵

24、引供电系统的方式与图 1元件成本、能量传输效率等方面都具有一定的优势。新型模拟机车类似。在相同外部输入输出特性的条件下，2.3 模拟机车控制方案对新型模拟机车与传统模拟机车进行经济性比较，相关由于模拟机车拓扑是由两个直流变换器级联组成，结果如表 1 所示。所以控制方案采用两个单独的闭环控制：电压闭环与电由表 1 知，传统模拟机车有 9 个器件（机械开关 K1、流闭环。控制方案示意图如图 7 所示。K2 仅作示意，未计算入内），包括 2 个磁性元件，2 个开被试机车输出电压 vC1 作反馈电压闭环控制方案关管，4 个二极管和 1 个电容，新型模拟机车有 17 个器量，用以控制开关管 S1 的占空

25、比变化。若 vC1 大于期望值件，包括 3 个磁性元件，12 个开关管，2 个电容，传统1666.67V，vC1 采样值vC1_cy 与vC1_ref 做差后得到的差值为负，模拟机车的元件成本显然更高。此外，由于开关器件增差值经过 PI 调节器后，得到调制波与载波进行比较，输加了 6 倍，传统模拟机车的控制策略更为复杂，可靠性出的信号占空比 DS1 会比之前有所下降，但小于 50%，相对较低，开关损耗也会升高，影响能量传输效率。所从而使 vC1 降低到参考值附近，动态调节实现闭环控制。以新型模拟机车性价比明显更高，本文新型模拟机车类型元件名称元件数量控制方式控制难易程度传统电感2 个-电容2

26、个-12 支调制较难变压器1 台-新型电感2 个-电容1 个-2 支调制易二极管4 支-非型地铁机车工况模拟能量回馈系统vC1_ref被对应系统输入电流为 2666.67A。t1=1s 至 t2=7.5s，被试vC1_cyGPI1Dv机车从牵引所与陪试机车汲取能量，一直运行在牵引工C1S1Gcy1况；t2=7.5s 至 t3=12s，被试机车的牵引电流很小，处于（a）电压闭环控制框图惰行状态；t3=12s至t4=18s，被试机车输出能量至回馈iLf1_refiLf1iLf1_cy线路，故一直运行在再生工况。GGcy2PI2iLf1如图 8 所示，牵引工况时，被试机车输入电流平均（b）电流闭环控

27、制框图值 ILf1 是 2666A，输入电压平均值 VAB 为 697V，输入功率图 7 模拟机车控制方法示意图为 1.86MW；陪试机车输出电流平均值 ILf2 是 2410A，输出Fig.7 Control diagram of metrootive simulation system电压平均值 VCD 为 750V，输出功率为 1.81MW；系统中开关电流闭环控制方案流过电感 Lf1 的电流 iLf1 作反器件与元件寄生参数产生的功率损耗，即为输入功率与馈量，用以控制开关管 S2 的占空比变化。若 iLf1 小于期望输出功率之差，0.05MW。此工况中，回馈输出端电压即值 2666.67

28、A，iLf1 采样值 iLf1_cy 与 iLf1_ref 做差后得到的差值为陪试机车输出电压，回馈接收端电压即为被试机车输为正，差值经过 PI 调节器后，得到调制波与载波进行比入电压，回馈电流是陪试机车输出电流，由此计算可知较，输出的信号占空比 DS2 会比之前有所增加，但不回馈效率为 92.9%。会大于 50%。根据上文得到的iLf1 与 iLf2 的关系式，改变iLf2 的大小即可改变iLf1 的大小，使iLf1 升高到参考值附近，4实现闭环控制。k03 地铁机车模拟系统仿真结果及分析-4iLf 2/kA4为进一步验证上述理论的正确性，对图 2 与图 3 电0-41牵引工况路进行仿真。因

29、各文献对轨道参数的设置不尽相同，本文为参数，采用表 2 所示的数据。表 2 地铁机车模拟系统参数图 8 传统模拟系统仿真结果Tab.2 Parameters of metrootive simulation systemFig.8 Simulation results of traditional simulation system再生工况时，陪试机车输出电流平均值ILf1为-2667A，输出电压平均值 V为 750V，输出功率为 2.00MW；被试机AB车输入电流平均值 ILf2 为-2986A，输入电压平均值 VCD 为714V，输入功率为 2.13MW，系统同样产生开关损耗与 ESRRq

30、 表示牵引网总阻抗，Rz 为走行轨总阻抗，Rh 即为负损耗，0.13MW。此外，回馈输出端电压即为陪试机车输电压回流线总阻抗，DS1 是开关 S1 的额定占空比，DS2 是开出电压，回馈接收端电压即为被试机车输入电压，回馈关 S2 的额定占空比，fs 是开关 S1 与 S2 的开关频率。电流是陪试机车输出电流，由此计算可知回馈效率为3.1 传统模拟系统仿真结果95.2%。整个工作过程中，被试机车两端电压 VAB 与 VCD 理在传统模拟系统中，被试机车的额定功率设为 2MW，应近似等于牵引所输出电压 750V，但由于损耗的存在与名称数值名称数值VDC1、VDC2750 VLf1、Lf21 mH

31、C188 mFDS155%DS245%fs10 kHzR 、R0.027+j3.06x10-3qh-3Rz0.096+j3.06x10 G1第十一届中国高校电力电子与电力传动学术年会牵引启动过程造成的电压跌落，使得两电压均与额定值702V，输入功率约 1.97MW，系统同样产生开关损耗与 ESR有一定差距，但其依然在 500V-900V 范围内，满足相关损耗 0.26MW；回馈输出端电压即为陪试机车输出电压，13的要求。回馈接收端电压即为被试机车输入电压，回馈电流是陪3.2 DCAT 模拟系统仿真结果试机车输出电流，由此计算可知回馈效率为93.6%。VAB与 VCD 存在与传统模拟系统类似的情

32、况。在DCAT 模拟系统中，被试机车的额定功率设为 2MW，对应系统输入电流为 2666.67A。t1=1s 至 t2=8s，被试机3.3车从牵引所和 DCAT 汲取能量，一直运行在牵引工况；前述仿真结果对 2MW 功率等级的模拟系统进行了说t2=8s 至 t3=14s，被试机车的牵引电流很小，处于惰行状明，此外，本文将不同功率等级的地铁机车输入电流、态，而 DCAT 不断能量，所以牵引网电压会升高；回馈电流和牵引所 AB 输出电流的数据收集整理，对实验t3=14s 至 t4=18s，被试机车输出能量至回馈线路，故一室进行地铁机车模拟实验时供电电源输出功率的限制进直运行在再生工况。行验证，得到

33、模拟机车不同功率等级（正功率为牵引工况，负功率为再生工况）情况下，模拟系统输入电流-回vAB/kViLf 1/kA41.51.00.50馈电流关系曲线（图 10 所示）以及牵引所 AB 输出电流0随功率变化的曲线（图 11 所示）。各图中第一象限曲线2-4iLf 2/kA(I)惰行工况反应牵引工况时电流的变化情况，第三象限曲线反应再vCD/kV 5牵引工况(III)4再生工况1.51.00.5生工况时电流的变化情况。A牵引工况0惰行再生传统模拟系统输入电流-回馈电流曲线-41-4工况 工况03814(II)181t/s81418i /kALf2(IV)t/s2III1牵引工况0图 9 DCAT

34、 模拟系统仿真结果-3-2-1-1 0123IIIIViLf1/kA-2Fig.9 Simulation results of DCAT simulation system再生工况-3-4如图 9 所示，牵引工况时，被试机车输入电流平均（a）传统模拟系统DCAT模拟系统输入电流-回馈电流曲线值 ILf1 是 2678A，输入电压平均值 VAB 为 704V，输入功率3约 1.88MW；陪试机车输出电流平均值 ILf2 是 2194A，输出i /kALf22电压平均值 VCD 为 750V，输出功率约 1.64MW；系统中开关III牵引工况10器件与元件寄生参数产生的功率损耗，即为输入功率与-3

35、-2-10-1123IIIIViLf1/kA-2输出功率之差 0.24MW，与传统牵引供电系统类似，回馈再生工况-3输出端电压即为陪试机车输出电压，回馈接收端电压即-4（b）DCAT 模拟系统为被试机车输入电压，回馈电流是陪试机车输出电流，图 10 模拟系统输入电流-回馈电流关系曲线可知回馈效率为 93.9%。Fig.10 Curves for inpurrent and feedback current of再生工况时，陪试机车输出电流平均值ILf1为-2280A，simulation system输出电压平均值 VAB 为 750V，输出功率约 1.71W；被试机图 10(a)是传统模拟系

36、统不同工况下的输入电流-回车输入电流平均值 ILf2 为-2802A，输入电压平均值 VCD 为馈电流关系曲线，图 10(b)是 DCAT 模拟系统不同工况下非型地铁机车工况模拟能量回馈系统和 DC 1500V 两种14-15。本文的输入电流-回馈电流关系曲线。对比曲线的走势与式模拟系统不仅能够用(5-14)，可知曲线走势基本符合正比例函数的特点。所于DC 750V 牵引供电系统，还能够应用于DC 1500V 牵引以前文有关模拟系统能量回馈过程的分析合理，两种模供电系统，其结构如图 12 所示。拟系统都能够模拟地铁机车的运行特性。在DC 1500V 传统牵引供电系统中，除模拟机车输入电压等级升

37、高至 1500V 外，供电系统结构等均未发生变传统模拟系统牵引所输出电化；在 DC 1500V DCAT 牵引供电系统中，引入负电压回流线，模拟机车输入电压与输出电压均为 750V。因此，DC 1500V 牵引供电模拟系统的工作状态与能量情况-与前文所述 DC 750V 牵引供电模拟系统类似。为验证上述分析的正确性，对图 12 进行仿真，得到如图 13 所示（a）传统模拟系统的仿真结果，模拟机车的额定功率设为 2MW。DCAT模拟系统牵引所输出电Rq1i1牵引变电所AVDC1-Rz1（b）DCAT 模拟系统（a）传统模拟系统图 11 牵引所输出电流-地铁机车功率关系曲线Fig.11 Curve

38、s for outpurrents of traction subsions andinputer of metrootivesi1图 11(a)是传统模拟系统牵引所 AB 输出电流 i 随机车功率等级 P 变化的关系曲线，图 11(b)是DCAT 模拟系牵引 变电所 ARz统牵引所 AB 输出电流 i 随机车功率等级 P 变化的关系曲线。分析曲线的定点数据及变化趋势可知，相同功率等级的情况下，牵引所 AB 输出电流远小于模拟机车额定电R流，若在进行实验，电源提供很小的稳态（b）DCAT 模拟系统电流即可完成较大功率等级的实验。图 12 DC 1500V 牵引供电模拟系统结构示意图Fig.12

39、 Diagram of DC 1500V tractioner supply4 DC 1500V 牵引供电模拟系统simulation system在传统模拟系统中，t1=5s 至 t2=10s，被试机车从牵世界各国城市轨道交通的牵引供电电压大多在DC引所与陪试机车汲取能量，一直运行在牵引工况；t2=10s600V-1500V 之间，国际电工拟订的电压标准是DC600V、DC 750V 和 DC 1500V 三种，我国标准规定为 DC 750V至t3=14s，被试机车的牵引电流很小，处于惰行状态；i/kAIII3-2-1IIIIV再生工况i/kIII3-2-1再生工况IIIIV第十一届中国高校

40、电力电子与电力传动学术年会t3=14s至t4=22s，被试机车输出能量至回馈线路，一直统，并对模拟系统工作原理与能量回馈过程进行了详细运行在再生工况。推导与分析。仿真结果表明，本文模拟系统通过在DCAT 模拟系统中，t1=2s 至 t2=8s，被试机车从牵在升压单元与降压单元级联结构负电位线不同位置串入引所和 DCAT 汲取能量，一直运行在牵引工况；t2=8s 至两个二极管后，结合占空比控制策略，即实现了模拟机t3=16s，被试机车的牵引电流很小，处于惰行状态；t3=16s车输入电流与输出电流解耦，能够在 DC 750V 和DC 1500V至t4=18s，被试机车输出能量至回馈线路，一直运行在

41、牵引供电系统中正常模拟地铁机车典型工况与能量回馈再生工况。过程；与采用变压器的传统电流解耦方式相比，在器件成本、控制方式与能量回馈效率等方面具有一定优iLf 1/kAvAB/kV2210势。若在进行实验，电源提供机车的损耗电流即10-2可，对电源输出电流要求较低。此外，本文模拟(I)(III)系统不仅适用于传统牵引供电系统，还适用于新型牵引iLf 2/kAvCD/kVk2再生工况V0 V210A供电系统，如DCAT 牵引供电系统。10牵引牵引工况 5惰行工况再生工况20t/s惰行工况-2工况5参考文献：101420t/s1014 (IV)(II)1轨道交通.城市轨道交通 2015 年统计和分析

42、J.（a）传统模拟系统都市快轨交通,2016,29(4):6-11,19.vAB/kViLf 1/kAChina Urban Rail Transit Assotion. Sistics and41.51.00.50ysis of urban rail transit in 2015J. Urban Ra20Rail Transit,2016,29(4):6-11,19(in Chi).-4iLf 2/kA(I)(III)vCD/kV2 Zhang Xinwen, Dong Honghui, Jia Limin, et al. Research4再生1.5工况1.0惰行工况.2.Aon the

43、 passenger comfort evaluation system of urban rail0牵引工况惰行工况牵引工况再生工况0.580kA-4transitC. 27th ChiControl and DeciConfer-028(II)16 182t/s8(IV)16 18t/sence(CCDC),China.IEEE,2015:3389-3392.3,等.城市轨道交通发展现状及前景浅析J.（b）DCAT 模拟系统图 13 DC 1500V 牵引供电模拟系统仿真结果现代城市,2014,9(2):17-19.Fig.13 Simulation results of DC 1500V

44、 tractioner supplyZhang Xiao, Ding Zhi, Wu Yunshuang, et al.ysis onsimulation systempresent situation and prospects of city rail traffic综上所述，DC 1500V 牵引供电模拟系统能够模拟地developmentJ. Modern City,2014,9(2):17-19(in Chi-铁机车的典型工况与能量回馈过程，且工作状态与前文).所述 DC 750V 牵引供电模拟系统类似。4. 城市轨道交通系统综合效益D.交通大5 结论学,2012.Lu Ming.

45、Research on comprehensive benefits of urban rail本文提出非型地铁机车工况模拟能量回馈系非型地铁机车工况模拟能量回馈系统transit systemD.Beijing Jiaotong University, 2012(inHuang Yunpeng, Zhao Kun, Lu Feng. Ming and SimulationChi).for Load Emulation of Traction Motor on Railway VehicleJ.5 Ade Ogunsola, Andrea Mariscotti, Leonardo Sandro

46、lini.puter Information,2010,16(5):161-163(in Chi-Estimation of stray curret from a DC electrified railway).and impressed potential on a buried pipeJ.IEEE12 郑琼林,.城市轨道交通直流自耦变压器牵引Tranions oner Delivery,2012,27(4):2238-2246.供电系统J.都市快轨交通,2016,29(3):91-97.6 Ade Ogunsola, Leonardo Sandrolini, Andrea Mariscotti.Zheng Trillion Q,Xiaofeng, You Xiaojie. DC au-Evaluation of stray current from a dc electrified railwayto-transformer based tractioner supply system forwithegrated electric electromechanical ming andurbanrailtransitJ.UrbanRaRailTrans-traffic simulationJ.IEEE Tra