一種長定子直線同步電機驅動用變流器容量選擇方法

2023-06-03 07:19:31

一種長定子直線同步電機驅動用變流器容量選擇方法
【專利摘要】本發明涉及一種長定子直線同步電機驅動用變流器容量選擇方法，包括如下步驟：(1)根據當前高速磁浮項目的總體項目需求，獲得邊界條件；(2)基於所述邊界條件，計算列車的期望加速裡程sm、列車即將到達最高速度時的牽引力Fx以及此時所需的定子電流Isvm和電壓Usm；(3)假設變流器輸出最大電流為Ism0＝Isvm，根據數學模型計算列車在加速時的速度曲線，獲得列車的當前加速裡程(4)比較所述當前加速裡程與期望加速裡程sm的大小，得到的定子電流限值(6)用步驟(2)計算所得電壓Usm和步驟(5)計算所得電流獲得所需變流器的容量。與現有技術相比，本發明具有計算靈活、計算結果匹配度高等優點。
【專利說明】一種長定子直線同步電機驅動用變流器容量選擇方法 【技術領域】
[〇〇〇1] 本發明涉及高速磁浮【技術領域】，尤其是涉及一種長定子直線同步電機驅動用變流 器容量選擇方法。 【背景技術】
[0002] 隨著國內工業技術水平的發展以及大功率變流器設計生產水平的提高，兆伏安級 別的高壓大功率變流器的使用越來越常見。用於長定子直線同步電機驅動，特別是高速磁 浮列車驅動的大功率變流器的需求也將越來越多。目前已經投入高速磁浮商業運營用的兆 伏安級別的變流器容量只有15MVA和7. 5MVA兩種級別。隨著常導高速磁浮交通的發展，根 據不同的工程項目的需求，很可能要求有更多功率等級的變流器可供選擇。而隨著功率等 級的增加，應用於高速磁浮交通的大功率變流器功率等級標準化的工作也亟需展開。那麼， 在具體工程項目中，需要何種容量的變流器才合適？在未來的設備標準制定中，又應該如 何制定大功率變流器的容量等級以滿足工程項目的需要？
[0003] -般大功率變流器的容量選擇分為3個步驟：
[0004] (1) 了解負載性質和變化規律，計算出負載電流的大小或作出負載電流圖I = f(t)。
[0005] 變流器容量的選定過程，實際上是變流器與電機的最佳匹配過程。針對不同負載 特性的電機，採用不同的方法計算負載電流：
[0006] -恆定負載連續運行時變流器容量的計算：一般考慮電機啟動方式，根據電機的 啟動電流或者額定電流，確定負載電流，再預選變流器的容量。
[0007] -周期性變化負載連續運行時變流器容量的計算：首先做出電動機負載電流圖η =Φ (t)及I = f(t)，然後求出平均負載電流，再預選變流器的容量。
[0008] -非周期性變化負載連續運行時變流器容量的計算：一般按電動機在輸出最大轉 矩時的電流計算變流器的額定電流。
[0009] (2)根據既有變流器的容量等級預選變流器容量；
[〇〇1〇] (3)根據過載和啟動能力校驗預選變流器。
[〇〇11]目前已經商業運行的常導高速磁浮交通牽引系統即為一個大功率的長定子直線 同步電機系統，其定子位於軌道上，轉子即為高速運行的磁浮列車，但是並不適用於上述的 通用方法。這是因為上述的第一步--計算變流器負載電流針對的是成熟的電機產品。這 些電機產品都有相應的標準負載特性，可以通過規範或者標準進行計算或者查詢。而高速 磁浮技術所採用的同步直線電機並非通用的成熟電機產品。由於目前投入商業運行的線路 只有上海示範線，其所採用的直線電機的負載特性僅適用於上海線這一個工程項目。在直 線電機輸出最大轉矩時，即列車的啟動階段，其輸出電壓較低。而電機所需的最大輸出電 壓，則取決於列車所須達到的最高速度、線路條件以及發車間隔等的要求，不同的工程項目 之間將有很大的區別。對於未來的工程項目，可能因為項目需求的不同，而使電機負載特性 有所不同。
[0012] 此外，目前投入商業運行的、適用於高速磁浮交通的變流器僅有15MVA和7. 5MVA 兩種制式，不但預選的餘地有限，根據該備選容量進行校驗的結果也不能保證精確。若不限 於既有容量，而是假設某一容量等級和參數進行試算校驗，則假設可選的組合太多，將導致 計算工作量較大，效率低，且不能保證獲得最優結果。
【發明內容】

[0013] 本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷，從高速磁浮項目需求的角 度出發，以直線同步電機的數學模型為基礎，提出了一種計算靈活、計算結果匹配度高的長 定子直線同步電機驅動用變流器容量選擇方法，適用於高速磁浮項目。該方法不但在具體 的高速磁浮項目中可以得到合理的、適用於所需項目的變流器容量以及電壓、電流等關鍵 特性參數，而且在國產化大功率變流器容量等級的制定過程中也能發揮輔助作用。
[0014] 本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：
[0015] -種長定子直線同步電機驅動用變流器容量選擇方法，包括如下步驟：
[0016] (1)根據當前高速磁浮項目的總體項目需求，獲得邊界條件，包括速度目標值vm、 保有加速度a b、列車最大編組數η和列車在加速段的平均加速度a ;
[0017] (2)基於所述邊界條件，根據牛頓第二定律以及長定子直線同步電機的數學模型， 計算列車的期望加速裡程s m、列車即將到達最高速度時的牽引力Fx以及此時所需的定子 電流Isvm和電壓U sm;
[0018] (3)假設變流器輸出最大電流為Ism(l = Isvm，以Ism(^PUsm作為長定子直線同步電動 機定子電流、電壓的限值，代入長定子直線同步電機的數學模型，獲得列車的當前加速裡程 Sm ；
[0019] (4)比較所述當前加速裡程'與期望加速裡程sm的大小，若i大於則增大定 子電流限值/I,, =/"",,+Δ/ ;否則減小定子電流限值=/_-Δ/，Λ I為設定的電流增量；
[0020] (5)令/1,重複步驟（3)，直到< 等於sm為止，此時得到的定子電流限值4即 為所需要的變流器最大輸出電流；
[0021] (6)用步驟⑵計算所得電壓Usm和步驟（5)計算所得電流4，獲得所需變流器 的容量，表達式為：
[0022] S = WJ：m
[0023] 其中，Usm、分別為相電壓、相電流的有效值。
[0024] 所述總體項目需求包括列車最小發車間隔、列車最高運行速度、列車的運能和列 車的爬坡能力。
[0025] 從工作原理上說，高速磁浮所採用的長定子直線同步電機，其牽引控制與一般的 直線同步電動機類似。根據傳統的同步電動機原理，可以得到穩態時長定子直線同步電動 機的dq數學模型。在轉子磁場定向控制策略下，為了達到與懸浮磁場解耦的目的，直線同 步電機的d軸電流近似被控制為零，因此所述長定子直線同步電機的數學模型包括以下方 程：
[0026] 電壓方程 ( π 1 . w</=^7 Λ
[0027] ? (1) L· = Riq +yvLJm
[0028] u] +u； ^U； (2)
[0029] 推力方程
[0030] Fx =^LJJq (3)
[0031] 功率
[0032] P = ^u9ig (4) it
[0033] 電機定子電流
[0034] -+\(2v^RLJmf -4(Λ2 lK=i(Il^2=^T:-i^^-τ!- (5) 2S(R2+(v-Lqf)
[0035] 上述方程中ud、u,為變流器輸出端的d、q軸電壓分量，Us為直線電機定子端輸入 電壓，L,為直線電機q軸電感，L sm為直線電機定子繞組與勵磁繞組的互感，i,為直線電機q 軸電流，im為勵磁電流，τ s為直線電機的極距，v為列車速度，Fx為列車牽引力，P為直線電 機所消耗的有功功率，R為直線電機定子繞組的電阻。
[0036] 根據所述長定子直線同步電機的數學模型，變流器所需輸出的最高電壓Usm的計 算過程，具體如下：
[0037] a)通過速度目標值\和保有加速度ab，計算得到列車在即將達到最高速度前所須 的牽引力Fx = Fz(vm)+mab，其中Fz(vm)表示列車在速度v m下的阻力，m為列車的質量，由速 度和列車的阻力特性計算得到；
[0038] b)根據式（5)得到列車達到最高速度前的定子電流/_ /萬；
[0039] c)根據平均加速度a和速度目標值vm得到列車的實際加速距離=< / 2泛；
[0040] d)由Isvm和\可以計算得到饋電電纜和定子電纜上的壓降11。；
[0041] e)由速度目標值vm和列車編組n，可以計算得到列車在最高速度下的反電勢udp和 Uqp ；
[0042] f)由l、udp和Uqp即可得到列車在達到最高速度時變流器所輸出的電壓Usm。
[0043] 所述步驟（3)中計算列車在加速時的速度曲線，獲得列車的當前加速裡程 < 具體 為：
[0044] a)根據項目的基礎數據初始化直線電機參數，並與Ism(l、Usm和sm -起作為輸入數 據；
[0045] b)根據式（5)計算電機定子電流Is ;
[0046] c)若電機定子電流Is > Ism(l，則取Ism(l作為定子電流進行計算；
[〇〇47] d)根據式⑵計算電機推力Fx ;
[0048] e)根據牛頓第二定律計算列車當前加速度ax、速度vx和位移s x ;
[0049] f)若當前速度vx〈vm，則根據當前位移和速度更新直線電機參數，返回步驟a);
[0050] g)若當前速度vx彡vm，則輸出加速段位移< =? ?
[0051 ] 所述基礎數據包括線路線型數據、車站和變電所位置數據。
[0052] 與現有技術相比，本發明具有以下優點：
[0053] (1)不受既有變流器容量的限制，而是根據工程項目的實際需求得到計算的邊界 條件。
[0054] (2)以實際項目的需求為出發點，計算結果與項目的匹配性高。
[0055] (3)以長定子直線同步電機的數學模型為基礎進行迭代計算，計算效率高，計算結 果準確。
[0056] (4)計算方法靈活，適用於各種高速磁浮項目。因此在用於長定子直線同步電機驅 動的大功率變流器的標準化研究過程中，可以作為有力的輔助工具。 【專利附圖】

【附圖說明】
[0057] 圖1為直線同步電動機穩態運行矢量圖；
[0058] 圖2為本發明的流程示意圖；
[0059] 圖3為列車加速段速度曲線計算流程；
[0060] 圖4為保有加速度與坡度的關係示意圖；
[0061] 圖5為實施例1的速度、加速度曲線；
[0062] 圖6為實施例1的變流器功率曲線；
[0063] 圖7為實施例1的變流器電壓、電流曲線。 【具體實施方式】
[0064] 下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。本實施例以本發明技術方案 為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於 下述的實施例。
[〇〇65] 下面以一段虛擬的線路為例，計算在該段線路中根據不同的工程項目指標要求， 分別應採用的變流器的容量等級。其中，直線電機牽引採用兩步法雙端供電，牽引分區長 40km，定子段平均長度1200m，列車5輛編組，採用上海磁浮列車的參數與阻力模型。車輛的 負載考慮平均負載（即80%滿載）。其餘假設如下：
[0066] 1)電纜限值：
[〇〇67] 計算中所得的定子電流不能大於電纜過流保護的閾值，定子端電壓最高也不能超 過定子電纜的耐壓等級。實際的閾值與耐壓等級應根據具體項目所採用的電纜型號確定。 在以下的實施例中，假設定子電流過流保護閾值為2000A，耐壓為20kV線電壓。
[0068] 2)列車達到最大速度前的保有加速度：
[〇〇69] 考慮到高速磁浮列車較強的加速能力，這裡所採用的保有加速度參照《列車牽引 計算規程》中所規定的值，暫取0. 15m/s2和0. 2m/s2分別進行計算。
[0070] 保有加速度的取值與列車在最高運行速度下的爬坡能力直接相關。如圖4所示， 假設ab為保有加速度，列車的質量為m，線路的坡度為Θ，重力加速度為g，F是列車在平直 線路上的克服阻力之後的剩餘牽引力，則有F = mab。當列車的F與列車上坡時的重力分量 mg Θ相等時，可以保證列車在該坡道上保持最高運行速度運行。此時有
[0071]
【權利要求】
1. 一種長定子直線同步電機驅動用變流器容量選擇方法，其特徵在於，包括如下步 驟： (1) 根據當前高速磁浮項目的總體項目需求，獲得邊界條件，包括速度目標值Vm、保有 加速度ab、列車最大編組數η和列車在加速段的平均加速度?; (2) 基於所述邊界條件，根據牛頓第二定律以及長定子直線同步電機的數學模型，計算 列車的期望加速裡程
列車即將到達最高速度時的牽引力Fx以及此時所需的定子電流
和電J5
(3) 假設變流器輸出最大電流為
作為長定子直線同步電動機定 子電流、電壓的限值，代入長定子直線同步電機的數學模型計算列車在加速時的速度曲線， 獲得列車的當前加速裡程
(4) 比較所述當前加速裡港
與期望加速裡程\的大小，若
<於
則增大定子電 流限值
否則減小定子電流限值
為設定的電流增量； (5) 4
t復步驟（3)，直?
等於sm為止，此時得到的定子電流限值
卩為所 需要的變流器最大輸出電流； (6) 用步驟（2)計算所得電￡
和步驟（5)計算所得電流茯得所需變流器的容 量，表達式為：

其1
分別為相電壓、相電流的有效值。
2. 根據權利要求1所述的一種長定子直線同步電機驅動用變流器容量選擇方法，其特 徵在於，所述總體項目需求包括列車最小發車間隔、列車最高運行速度、列車的運能和列車 的爬坡能力。
3. 根據權利要求1所述的一種長定子直線同步電機驅動用變流器容量選擇方法，其特 徵在於，所述長定子直線同步電機的數學模型包括以下方程：
電壓方程 推力方程 功率 P = ^J" 電機定子電流 -+J(2^UJ2 ^4(i?2 +(^Lq)2)i(V^LjJ ^--^- H w- ^τγ 2V2(/?2+(v-I )2) % q 上述方程中ud、uq為變流器輸出端的d、q軸電壓分量，Us為直線電機定子端輸入電壓， Lq為直線電機q軸電感，Lsni為直線電機定子繞組與勵磁繞組的互感，iq為直線電機q軸電 流，i m為勵磁電流，τ s為直線電機的極距，v為列車速度，Fx為列車牽引力，P為直線電機所 消耗的有功功率，R為直線電機定子繞組的電阻。
4. 根據權利要求3所述的一種長定子直線同步電機驅動用變流器容量選擇方法，其特 徵在於，所述步驟（3)中計算列車在加速時的速度曲線，獲得列車的當前加速裡程'具體 為： a) 根據項目的基礎數據初始化直線電機參數，並與Ism(1、Usm和sm-起作為輸入數據； b) 計算電機定子電流Is ; c) 若電機定子電流Is > Ism(l，則取Ism(l作為定子電流進行計算； d) 計算電機推力Fx ; e) 根據牛頓第二定律計算列車當前加速度ax、速度vx和位移sx ; f) 若當前速度vx〈vm，則根據當前位移和速度更新直線電機參數，返回步驟a); g) 若當前速度Vx彡Vm，則輸出加速段位移=? 〇
5. 根據權利要求4所述的一種長定子直線同步電機驅動用變流器容量選擇方法，其特 徵在於，所述基礎數據包括線路線型數據、車站和變電所位置數據。
【文檔編號】H02P21/14GK104092421SQ201410290062
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年6月24日 優先權日:2014年6月24日
【發明者】林瀅, 王霄樺, 魯滌強, 金宇, 秦峰 申請人:同濟大學