技术领域
[0001] 本
发明涉及高速磁浮技术领域，尤其是涉及一种长定子直线同步电机驱动用变流器容量选择方法。
背景技术
[0002] 随着国内工业技术
水平的发展以及大功率变流器设计生产水平的提高，兆伏安级别的高压大功率变流器的使用越来越常见。用于长定子直线同步电机驱动，特别是高速
磁浮列车驱动的大功率变流器的需求也将越来越多。目前已经投入高速磁浮商业运营用的兆伏安级别的变流器容量只有15MVA和7.5MVA两种级别。随着常导高速磁浮交通的发展，根据不同的工程项目的需求，很可能要求有更多功率等级的变流器可供选择。而随着功率等级的增加，应用于高速磁浮交通的大功率变流器功率等级标准化的工作也亟需展开。那么，在具体工程项目中，需要何种容量的变流器才合适？在未来的设备标准制定中，又应该如何制定大功率变流器的容量等级以满足工程项目的需要？
[0003] 一般大功率变流器的容量选择分为3个步骤：
[0004] (1)了解负载性质和变化规律，计算出负载
电流的大小或作出负载电流图I＝f(t)。
[0005] 变流器容量的
选定过程，实际上是变流器与电机的最佳匹配过程。针对不同负载特性的电机，采用不同的方法计算负载电流：
[0006] -恒定负载连续运行时变流器容量的计算：一般考虑电机启动方式，根据电机的启动电流或者额定电流，确定负载电流，再预选变流器的容量。
[0007] -周期性变化负载连续运行时变流器容量的计算：首先做出
电动机负载电流图n＝Φ(t)及I＝f(t)，然后求出平均负载电流，再预选变流器的容量。
[0008] -非周期性变化负载连续运行时变流器容量的计算：一般按电动机在输出
最大转矩时的电流计算变流器的额定电流。
[0009] (2)根据既有变流器的容量等级预选变流器容量；
[0010] (3)根据过载和启
动能力校验预选变流器。
[0011] 目前已经商业运行的常导高速磁浮交通牵引系统即为一个大功率的长定子直线同步电机系统，其定子位于轨道上，
转子即为高速运行的磁浮列车，但是并不适用于上述的通用方法。这是因为上述的第一步——计算变流器负载电流针对的是成熟的电机产品。这些电机产品都有相应的标准负载特性，可以通过规范或者标准进行计算或者查询。而高速磁浮技术所采用的同步直线电机并非通用的成熟电机产品。由于目前投入商业运行的线路只有上海示范线，其所采用的直线电机的负载特性仅适用于上海线这一个工程项目。在直线电机输出最大转矩时，即列车的启动阶段，其
输出电压较低。而电机所需的最大输出电压，则取决于列车所须达到的最高速度、线路条件以及发车间隔等的要求，不同的工程项目之间将有很大的区别。对于未来的工程项目，可能因为项目需求的不同，而使电机负载特性有所不同。
[0012] 此外，目前投入商业运行的、适用于高速磁浮交通的变流器仅有15MVA和7.5MVA两种制式，不但预选的余地有限，根据该备选容量进行校验的结果也不能保证精确。若不限于既有容量，而是假设某一容量等级和参数进行试算校验，则假设可选的组合太多，将导致计算工作量较大，效率低，且不能保证获得最优结果。
发明内容
[0013] 本发明的目的就是为了克服上述
现有技术存在的
缺陷，从高速磁浮项目需求的
角度出发，以直线同步电机的数学模型为
基础，提出了一种计算灵活、计算结果匹配度高的长定子直线同步电机驱动用变流器容量选择方法，适用于高速磁浮项目。该方法不但在具体的高速磁浮项目中可以得到合理的、适用于所需项目的变流器容量以及电压、电流等关键特性参数，而且在国产化大功率变流器容量等级的制定过程中也能发挥辅助作用。
[0014] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0015] 一种长定子直线同步电机驱动用变流器容量选择方法，包括如下步骤：
[0016] (1)根据当前高速磁浮项目的总体项目需求，获得边界条件，包括速度目标值vm、保有
加速度ab、列车最大编组数n和列车在加速段的平均加速度a；
[0017] (2)基于所述边界条件，根据
牛顿第二定律以及长定子直线同步电机的数学模型，计算列车的期望加速里程sm、列车即将到达最高速度时的
牵引力Fx以及此 时所需的定子电流Isvm和电压Usm；
[0018] (3)假设变流器输出最大电流为Ism0＝Isvm，以Ism0和Usm作为长定子直线同步电动机定子电流、电压的限值，代入长定子直线同步电机的数学模型，获得列车的当前加速里程[0019] (4)比较所述当前加速里程 与期望加速里程sm的大小，若 大于 则增大定子电流限值 否则减小定子电流限值 ΔI为设定的电流增量；
[0020] (5)令 重复步骤(3)，直到 等于sm为止，此时得到的定子电流限值 即为所需要的变流器最大输出电流；
[0021] (6)用步骤(2)计算所得电压Usm和步骤(5)计算所得电流 获得所需变流器的容量，表达式为：
[0022]
[0023] 其中，Usm、 分别为相电压、相电流的有效值。
[0024] 所述总体项目需求包括列车最小发车间隔、列车最高运行速度、列车的运能和列车的爬坡能力。
[0025] 从工作原理上说，高速磁浮所采用的长定子直线同步电机，其牵引控制与一般的直线同步电动机类似。根据传统的同步电动机原理，可以得到稳态时长定子直线同步电动机的dq数学模型。在转子
磁场定向控制策略下，为了达到与悬浮磁场解耦的目的，直线同步电机的d轴电流近似被控制为零，因此所述长定子直线同步电机的数学模型包括以下方程：
[0026] 电压方程
[0027]
[0028]
[0029] 推力方程
[0030]
[0031] 功率
[0032]
[0033] 电机定子电流
[0034]
[0035] 上述方程中ud、uq为变流器输出端的d、q轴电压分量，Us为直线电机定子端输入电压，Lq为直线电机q轴电感，Lsm为直线电机定子绕组与励磁绕组的互感，iq为直线电机q轴电流，im为励磁电流，τs为直线电机的极距，v为列车速度，Fx为列车牵引力，P为直线电机所消耗的有功功率，R为直线电机定子绕组的
电阻。
[0036] 根据所述长定子直线同步电机的数学模型，变流器所需输出的最高电压Usm的计算过程，具体如下：
[0037] a)通过速度目标值vm和保有加速度ab，计算得到列车在即将达到最高速度前所须的牵引力Fx＝Fz(vm)+mab，其中Fz(vm)表示列车在速度vm下的阻力，m为列车的
质量，由速度和列车的阻力特性计算得到；
[0038] b)根据式(5)得到列车达到最高速度前的定子电流
[0039] c)根据平均加速度a和速度目标值vm得到列车的实际加速距离
[0040] d)由Isvm和sm可以计算得到馈电
电缆和定子电缆上的压降uσ；
[0041] e)由速度目标值vm和列车编组n，可以计算得到列车在最高速度下的反电势udp和uqp；
[0042] f)由uσ、udp和uqp即可得到列车在达到最高速度时变流器所输出的电压Usm。
[0043] 所述步骤(3)中计算列车在加速时的
速度曲线，获得列车的当前加速里程 具体为：
[0044] a)根据项目的基础数据初始化直线电机参数，并与Ism0、Usm和sm一起作为输入数据；
[0045] b)根据式(5)计算电机定子电流Is；
[0046] c)若电机定子电流Is≥Ism0，则取Ism0作为定子电流进行计算；
[0047] d)根据式(2)计算电机推力Fx；
[0048] e)根据牛顿第二定律计算列车当前加速度ax、速度vx和位移sx；
[0049] f)若当前速度vx
[0050] g)若当前速度vx≥vm，则输出加速段位移
[0051] 所述基础数据包括线路线型数据、车站和
变电所位置数据。
[0052] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0053] (1)不受既有变流器容量的限制，而是根据工程项目的实际需求得到计算的边界条件。
[0054] (2)以实际项目的需求为出发点，计算结果与项目的匹配性高。
[0055] (3)以长定子直线同步电机的数学模型为基础进行
迭代计算，计算效率高，计算结果准确。
[0056] (4)计算方法灵活，适用于各种高速磁浮项目。因此在用于长定子直线同步电机驱动的大功率变流器的标准化研究过程中，可以作为有力的辅助工具。
附图说明
[0057] 图1为直线同步电动机稳态运行矢量图；
[0058] 图2为本发明的流程示意图；
[0059] 图3为列车加速段速度曲线计算流程；
[0060] 图4为保有加速度与坡度的关系示意图；
[0062] 图6为实施例1的变流器功率曲线；
[0063] 图7为实施例1的变流器电压、电流曲线。
具体实施方式
[0064] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0065] 下面以一段虚拟的线路为例，计算在该段线路中根据不同的工程项目指标要求，分别应采用的变流器的容量等级。其中，直线电机牵引采用两步法双端供电，牵引分区长40km，定子段平均长度1200m，列车5辆编组，采用上海磁浮列车的参数与阻力模型。车辆的负载考虑平均负载(即80％满载)。其余假设如下：
[0066] 1)电缆限值：
[0067] 计算中所得的定子电流不能大于电缆过流保护的
阈值，定子端电压最高也不能超过定子电缆的耐压等级。实际的阈值与耐压等级应根据具体项目所采用的电缆型号确定。在以下的实施例中，假设定子电流过流保护阈值为2000A，耐压为20kV 线电压。
[0068] 2)列车达到最大速度前的保有加速度：
[0069] 考虑到高速磁浮列车较强的加速能力，这里所采用的保有加速度参照《列车牵引2 2
计算规程》中所规定的值，暂取0.15m/s 和0.2m/s 分别进行计算。
[0070] 保有加速度的取值与列车在最高运行速度下的爬坡能力直接相关。如图4所示，假设ab为保有加速度，列车的质量为m，线路的坡度为θ，
重力加速度为g，F是列车在平直线路上的克服阻力之后的剩余牵引力，则有F＝mab。当列车的F与列车上坡时的重力分量mgθ相等时，可以保证列车在该坡道上保持最高运行速度运行。此时有
[0071]
[0072] 从上式可知保有加速度ab与列车能保证最高运行速度的最大坡度θ成正比，相差g倍。
[0073] 3)加速段的平均加速度：0.4m/s2和0.5m/s2。
[0074] 4)目标速度等级：400km/h、500km/h。
[0075] 根据上述的假设，以下将按照表1表所示的三种情况进行计算。
[0076] 表1实施例的输入参数
[0077] (1)实施例1：
[0078] 1)根据目标速度、平均加速度和如图2所示步骤，计算出列车的加速里程sm＝15432m，列车即将到达最高速度时的牵引力Fx≈142256N，以及此时所需的定子电流Isvm＝
590A。
[0079] 2)如图1所示为直线同步电动机稳态运行矢量图，其中，当直线电机的定子端施加余弦电压Us时，
相位角为β，d、q轴电压可以表示为
[0080]
[0081] 因此，计算列车即将到达目标速度时的电压 其中，ud＝-4.78kV，uq＝6.71kV，Usm为相电压有效值。
[0082] 3)将上述Isvm、Usm和sm代入图3所示流程计算列车加速里程，将计算结果 与sm进行比较。当 时，可以得到如图5所示的速度和加速度曲线，此时
[0083] 实施例1的计算结果汇总至表2，表中变流器容量按式 计算。计算结果表明，在实施例1的工程项目中，只要采用容量为11MVA的变流器即可满足工程需求。此时变流器输出最高相电压不超过6kV。根据此计算结果，在具体的工程中可以采用相应等级的电缆和设备，有利于节省工程投资。
[0084] 表2实施例1变流器容量计算结果
[0085]
[0086] 图5为实施例1的速度、加速度-位置曲线。其中，实线为速度曲线，虚线为加速2
度曲线。可见，在速度较低时，列车的加速度最高值可达0.74m/s，在即将到达目标速度
2 2
400km/h的瞬间，加速度仍然有0.15m/s(满足保有加速度为0.15m/s 的条件)。
[0087] 图6为实施例1中变流器输出的有功功率曲线。由于采用了双端供电，在分区的两端各设置了一座牵引变电所，每座变电所各配置一组变流器向该分区供电。因此图5中有两条功率曲线，其中实线表示靠近起点的牵引变的功率(前站功率)，虚线表示靠近终点牵引变的功率(后站功率)，灰色曲线为列车速度。图中两个牵引变的最大功率出现在不同的里程位置，这是由于采用了按里程分配电流的方法。图6中最大功率并不出现在列车即将达到最高速度前，这说明通过本文所述方法计算得到的变流器容量没有浪费。若变流器容量的余量比较大，则功率的峰值将出现在更靠近列车达到最高速度的位置。
[0088] 图7所示为实施例1计算后的变流器电压、电流曲线。其中电流为dq变换后的q轴电流，与实际定子电流的峰值相对应。从图中可知，在达到目标速度之前的一瞬间，双端变流器的电压均已达到峰值5.83kV，双端电流之和为Isvm＝590A(有效值)。但是双端电流有所不同，距离列车较近的前站变流器输出电流大，而距离列车较远的后站变流器输出电流小，这也是由于按里程分配电流的控制方法造成的。另外，从图7可知，列车即将到达目标速度时，并不是变流器输出最大电流之时。这也是为什么需要进行迭代计算 的原因。
[0089] (2)实施例2和实施例3：
[0090] 满足实施例2和实施例3的变流器容量计算结果如表1所示。具体的仿真曲线与图5～图7类似，这里不再赘述。从表1可知，采用15MVA高功率变流器基本可以满足实施例2的要求。但是如果希望提高列车的加速能力和爬坡能力到实施例3的水平，则需要更高容量等级的变流器，约21MVA。这是因为加速能力的增加要求变流器的电流输出能力也要相应增加。采用实施例3的变流器将使列车的运行时间比采用实施例2缩短约20秒。
[0091] 表1实施例2和3的变流器容量计算结果
[0092]
