本發(fā)明涉及一種建模方法，尤其是涉及一種城市軌道交通電能質(zhì)量仿真分析系統(tǒng)的諧波分析建模方法。

背景技術(shù)：

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，世界各國都面臨同樣的問題，即城市人口迅猛增長、地域不斷擴(kuò)大，原有的城市地面交通無法滿足市民日益增長的出行需求。城市軌道交通正是現(xiàn)代化城市中理想的、能滿足市民出行需求的一種公共交通工具。城市軌道交通供電系統(tǒng)是為軌道交通運(yùn)營提供動(dòng)力能源的一個(gè)系統(tǒng)，在眾多的城市電網(wǎng)用戶中是一個(gè)重要的用戶。它從城市電網(wǎng)接受電源，通過變配電，將合適的電源提供給城市軌道交通各個(gè)子系統(tǒng)。隨著城市軌道交通規(guī)模不斷擴(kuò)大，地鐵作為城市電網(wǎng)的一級(jí)負(fù)荷，該系統(tǒng)中含有大量的非線性負(fù)荷，其投運(yùn)給電網(wǎng)帶來的影響更不容忽視，尤其是對(duì)系統(tǒng)公共連接點(diǎn)處產(chǎn)生的諧波影響，城市軌道交通接入對(duì)電網(wǎng)的諧波影響越來越引起關(guān)注。目前，國內(nèi)外對(duì)城軌供電系統(tǒng)電能質(zhì)量的研究主要集中在直流電源整流系統(tǒng)所產(chǎn)生的影響，城市軌道交通在運(yùn)行過程中應(yīng)分為牽引、惰行、制動(dòng)三個(gè)過程，但是從列車實(shí)際投運(yùn)后，在牽引、惰行、制動(dòng)三種具體工況下對(duì)網(wǎng)側(cè)諧波的分析和研究卻很少，這對(duì)地鐵系統(tǒng)諧波的精準(zhǔn)化治理帶來了不便。

本發(fā)明在城市軌道交通電能質(zhì)量仿真分析系統(tǒng)中主要提出不同運(yùn)行階段城市軌道交通對(duì)電網(wǎng)的諧波影響建模方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明提供了一種城市軌道交通電能質(zhì)量仿真分析系統(tǒng)的諧波分析建模方法，其特征在于包含如下步驟：

步驟1，構(gòu)建城市軌道交通的供電系統(tǒng)仿真模塊，該供電系統(tǒng)仿真模塊包括高壓母線模塊A和高壓母線模塊B，主變壓器模塊，所述主變壓器模塊包括兩個(gè)110KV/35KV變壓器模塊，分別用于接收來自高壓母線模塊A和高壓母線模塊B的高壓電，所述兩個(gè)110KV/35KV變壓器模塊中的母線采用單母線分段的接線方式，所述主變壓器模塊將所述高壓母線模塊A和高壓母線模塊B的110KV三相交流電經(jīng)過降壓處理后變成35KV三相交流電送入牽引變電站模塊，然后經(jīng)過牽引變電站模塊的降壓、整流步驟，得到模擬驅(qū)動(dòng)列車的直流電；

步驟2，構(gòu)建城市軌道交通列車運(yùn)行狀況仿真模塊，該仿真模塊包括：直流電源模塊，該直流電源模塊即為供電模塊中的牽引變電站模塊，用于向列車運(yùn)行狀況仿真模塊輸送直流電；IGBT逆變器模塊，用于模擬列車逆變器，所述IGBT逆變器模塊分別連接至四個(gè)并聯(lián)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模塊，所述感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模塊用于模擬向終端輸出機(jī)械能；還包括錄波器模塊，該錄波器模塊用于接收IGBT逆變器模塊的輸出電壓信息、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模塊輸出的電流信息、轉(zhuǎn)速信息、電磁轉(zhuǎn)矩信息；還包括矢量控制模塊，所述矢量控制模塊的一端與所述IGBT逆變器模塊連接，通過向IGBT逆變器模塊發(fā)送開、斷控制脈沖，對(duì)列車的運(yùn)行狀態(tài)起到控制作用；還包括邏輯控制模塊，所述邏輯控制模塊的一端與矢量控制模塊連接，另一端連接至感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模塊的轉(zhuǎn)速信息輸出端；所述邏輯控制模塊接收所述感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模塊輸出的轉(zhuǎn)速信息以獲得列車速度的信息，通過獲得的列車速度信息，確定所述IGBT逆變器模塊的開關(guān)斷脈沖的發(fā)送時(shí)間；

步驟3，構(gòu)建FFT諧波分析模塊，用于對(duì)所述錄波器接收到的信息的波形的諧波進(jìn)行分析比較。

進(jìn)一步的，所述牽引變電站模塊在整流時(shí)，采用24脈波整流系統(tǒng)進(jìn)行整流。

進(jìn)一步的，在步驟2中，所述城市軌道交通列車運(yùn)行狀況仿真模塊進(jìn)行如下操作：從0s開始,通過矢量控制模塊,將IGBT逆變器模塊打開,控制牽引電機(jī)模塊轉(zhuǎn)速達(dá)到3500轉(zhuǎn)/分鐘,負(fù)載轉(zhuǎn)矩為300牛*米；列車牽引到70公里/小時(shí)；所述錄波器模塊記錄IGBT逆變器模塊的電壓信號(hào)、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模塊的電流信息、轉(zhuǎn)速信號(hào)和電磁轉(zhuǎn)矩信號(hào)的波形特性信息；

當(dāng)列車速度達(dá)到70公里/小時(shí)，通過矢量控制模塊,將IGBT逆變器模塊關(guān)閉,控制牽引電機(jī)模塊轉(zhuǎn)速下降到2500轉(zhuǎn)/分鐘，錄波器模塊記錄IGBT逆變器模塊的電壓信號(hào)、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模塊的電流信息、轉(zhuǎn)速信號(hào)和電磁轉(zhuǎn)矩信號(hào)的波形特性信息；

當(dāng)牽引電機(jī)模塊轉(zhuǎn)速下降到2500轉(zhuǎn)/分鐘,即當(dāng)列車速度達(dá)到50公里/小時(shí)，邏輯控制模塊控制IGBT逆變器模塊打開，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為-300牛*米，錄波器模塊記錄IGBT逆變器模塊的電壓信號(hào)、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模塊的電流信息、轉(zhuǎn)速信號(hào)和電磁轉(zhuǎn)矩信號(hào)的波形特性信息。

進(jìn)一步的，所述FFT諧波分析模塊，用于對(duì)諧波進(jìn)行分析比較，從而得到列車在各個(gè)運(yùn)行工況下由地鐵供電系統(tǒng)向系統(tǒng)公共連接點(diǎn)處的諧波侵?jǐn)_情況，包括：分析系統(tǒng)公共連接點(diǎn)處的諧波電流值以及諧波電壓含有率；分析電壓波形畸變率和電流波形畸變率；分析各次諧波對(duì)應(yīng)的電壓含有率和諧波電流值。

本發(fā)明專利可以對(duì)城市軌道交通電能質(zhì)量進(jìn)行仿真分析，從而對(duì)電流的調(diào)整獲得直觀的分析。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的城軌供電系統(tǒng)模塊仿真圖；

圖2是本發(fā)明的城軌列車三種運(yùn)行狀況進(jìn)行仿真的模塊圖；

圖3是本發(fā)明的城軌列車接入城軌供電系統(tǒng)后對(duì)三種工況下的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行跟蹤后的仿真結(jié)果示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的城市軌道交通電能質(zhì)量仿真分析系統(tǒng)的諧波分析建模方法包括對(duì)城軌供電系統(tǒng)的供電模型進(jìn)行建模以及對(duì)列車的運(yùn)行狀況進(jìn)行建模以及對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行建模。

圖1是城軌供電系統(tǒng)的供電系統(tǒng)仿真模塊，包括高壓母線模塊A和高壓母線模塊B，主變壓器模塊，主變壓器模塊包括兩個(gè)110KV/35KV變壓器模塊，分別用于接收來自高壓母線模塊A和高壓母線模塊B的高壓電源。主變壓器模塊采用從不同高壓母線模塊引入供電線路的雙回路供電的方式，兩個(gè)110KV/35KV變壓器模塊中的母線則采用單母線分段的接線方式，這樣提高了供電的可靠性。主變壓器模塊將城軌供電系統(tǒng)的供電模塊的110KV三相交流電經(jīng)過降壓處理后變成35KV三相交流電送入牽引變電站模塊，然后經(jīng)過牽引變電站模塊的降壓、整流等步驟，得到能夠驅(qū)動(dòng)列車的直流電。

在整流時(shí)，采用了24脈波整流系統(tǒng)，即一個(gè)周期內(nèi)輸出的脈波數(shù)為24，其目的是減小直流電壓的紋波系數(shù)并降低低次諧波的出現(xiàn)，從而有效降低了諧波源對(duì)城市電網(wǎng)的影響。

在列車運(yùn)營的過程中，共分為牽引、惰行和制動(dòng)三種運(yùn)行工況。牽引時(shí)，列車通過位于車頂?shù)氖茈姽瓕碜约芸站€路的且合乎城市軌道牽引電壓的直流電壓輸送給牽引逆變器，從而得到用于驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)的三相交流電。列車內(nèi)部的四個(gè)異步電動(dòng)機(jī)則通過并聯(lián)運(yùn)行，將來自逆變部分的交流電轉(zhuǎn)化成供機(jī)車運(yùn)行的機(jī)械能，并通過位于編組列車的轉(zhuǎn)向架為其四個(gè)軸提供轉(zhuǎn)向力，進(jìn)而帶動(dòng)整個(gè)列車組迅速地完成牽引過程。

列車完成牽引后，通過開關(guān)控制關(guān)閉列車的牽引逆變器，列車進(jìn)入惰行狀態(tài)。由于逆變器關(guān)斷，列車的電機(jī)未施加電源，沒有能量的供給，故整個(gè)惰行過程沒有功率的消耗，列車只憑慣性的作用繼續(xù)前進(jìn)。

制動(dòng)時(shí)，逆變器打開，電機(jī)轉(zhuǎn)矩反向，進(jìn)入發(fā)電機(jī)狀態(tài)，將產(chǎn)生的三相交流電通過逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娔堋?/p>

基于以上原理，圖2構(gòu)建了本發(fā)明地鐵列車三種運(yùn)行狀況的仿真模塊。

該仿真模塊包括直流電源模塊，該直流電源模塊即為仿真供電模塊中的牽引變電站模塊，其向列車仿真模塊輸送直流電，IGBT逆變器模塊用于模擬列車逆變器，所述IGBT逆變器模塊分別連接至四個(gè)并聯(lián)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模塊，所述感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模塊用于模擬向終端輸出機(jī)械能。還包括錄波器模塊，該錄波器模塊用于接收IGBT逆變器模塊的輸出電壓信息、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模塊輸出的電流信息、轉(zhuǎn)速信息、電磁轉(zhuǎn)矩信息。

還包括矢量控制模塊，感應(yīng)電機(jī)模塊作為列車驅(qū)動(dòng)力的源頭，且電機(jī)本質(zhì)上為非線性、多變量、強(qiáng)耦合、參數(shù)時(shí)變、大干擾的復(fù)雜對(duì)象，通過矢量控制模塊能夠較好地實(shí)現(xiàn)電機(jī)的有效控制。該矢量控制模塊的輸出端一端與IGBT逆變器模塊連接，一端與邏輯控制模塊連接。矢量控制模塊通過向IGBT逆變器模塊發(fā)送開、斷控制脈沖，對(duì)列車的運(yùn)行狀態(tài)起到控制作用。邏輯控制系統(tǒng)的一端與IGBT逆變器模塊連接另一端連接至感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模塊的轉(zhuǎn)速信息輸出端。該轉(zhuǎn)速信息輸出端同時(shí)還連接到錄波器模塊。

邏輯控制模塊接收所述感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模塊輸出的轉(zhuǎn)速信息以獲得列車速度的信息，通過獲得的列車速度信息，決定逆變器模塊的開關(guān)斷脈沖的發(fā)送時(shí)間，具體步驟如下：

第一階段為牽引過程,從0s開始,通過矢量控制模塊,將IGBT逆變器模塊打開,控制牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到3500轉(zhuǎn)/分鐘,負(fù)載轉(zhuǎn)矩為300牛*米；列車牽引到70公里/小時(shí)；此時(shí)錄波器模塊記錄IGBT逆變器模塊的電壓信號(hào)、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模塊的電流信息、轉(zhuǎn)速信號(hào)和電磁轉(zhuǎn)矩信號(hào)的波形特性信息；

第二階段為惰行過程，當(dāng)列車速度達(dá)到70公里/小時(shí)，通過矢量控制模塊,將IGBT逆變器模塊關(guān)閉,控制牽引電機(jī)模塊轉(zhuǎn)速下降到2500轉(zhuǎn)/分鐘。此時(shí)錄波器模塊記錄IGBT逆變器模塊的電壓信號(hào)、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模塊的電流信息、轉(zhuǎn)速信號(hào)和電磁轉(zhuǎn)矩信號(hào)的波形特性信息；

第三階段為制動(dòng)過程，當(dāng)牽引電機(jī)模塊轉(zhuǎn)速下降到2500轉(zhuǎn)/分鐘,即當(dāng)列車速度達(dá)到50公里/小時(shí)，邏輯控制模塊控制IGBT逆變器模塊打開，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為-300牛*米。此時(shí)錄波器模塊記錄IGBT逆變器模塊的電壓信號(hào)、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模塊的電流信息、轉(zhuǎn)速信號(hào)和電磁轉(zhuǎn)矩信號(hào)的波形特性信息；

這就完成了對(duì)列車在三種工況(牽引、惰行、制動(dòng))下的運(yùn)行狀態(tài)的跟蹤，錄波器記錄的仿真結(jié)果如圖3所示。

從圖3中電機(jī)轉(zhuǎn)矩(electromagnetic torque Te)及轉(zhuǎn)速(N)可以看出，隨著時(shí)間(time)的前進(jìn)，電機(jī)的啟停一次先后經(jīng)過了牽引過程、惰行過程以及制動(dòng)過程。列車首先進(jìn)入的是牽引工況，在異步電動(dòng)機(jī)提供的牽引力的作用下，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子逐步升速直至最高轉(zhuǎn)速，此時(shí)，列車也相應(yīng)達(dá)到了行駛的最高時(shí)速，約60～80公里/小時(shí)；然后列車的牽引逆變器關(guān)閉，進(jìn)入惰行工況，列車憑借慣性前行，只受到來自空氣和地面的阻力的作用，速度逐漸下降，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到設(shè)定值的時(shí)候，重新開啟列車的逆變器；最后，列車進(jìn)入制動(dòng)工況，此時(shí)電機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，在制動(dòng)過程中，速度急速降落，直到列車車速降為零。

還包括FFT諧波分析模塊，用于對(duì)諧波進(jìn)行分析比較，可以得到列車在各個(gè)運(yùn)行工況下由地鐵供電系統(tǒng)向系統(tǒng)公共連接點(diǎn)處的諧波侵?jǐn)_情況。

包括分析系統(tǒng)公共連接點(diǎn)處的諧波電流值以及諧波電壓含有率：可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)公共連接點(diǎn)處的諧波電流值以及諧波電壓含有率都是在第23次、第25次諧波處數(shù)值最大，在第47次、第49次諧波處數(shù)值較大，該結(jié)果與24脈波整流的方式相吻合，故可以得出在24脈波整流方式下，系統(tǒng)公共連接點(diǎn)處的特征次諧波值較大，而非特征次諧波處的諧波值較小的結(jié)論。

分析電壓波形畸變率和電流波形畸變率：從三種運(yùn)行工況的角度分析，牽引工況下電壓波形畸變率和電流波形畸變率相對(duì)較大，制動(dòng)過程的對(duì)應(yīng)值次之，惰行過程所產(chǎn)生諧波畸變率最小。

分析各次諧波對(duì)應(yīng)的電壓含有率和諧波電流值：牽引工況下各次諧波對(duì)應(yīng)的電壓含有率和諧波電流值最大，制動(dòng)過程的對(duì)應(yīng)值次之，惰行過程數(shù)值最小。

盡管已經(jīng)結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)地描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解地是，在不背離本發(fā)明精神和實(shí)質(zhì)下的各種修正、形變都是允許的，它們都落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍之中。