一種長定子直線同步電機驅(qū)動用變流器容量選擇方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種長定子直線同步電機驅(qū)動用變流器容量選擇方法，包括如下步驟：(1)根據(jù)當(dāng)前高速磁浮項目的總體項目需求，獲得邊界條件；(2)基于所述邊界條件，計算列車的期望加速里程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(shè)變流器輸出最大電流為Ism0＝Isvm，根據(jù)數(shù)學(xué)模型計算列車在加速時的速度曲線，獲得列車的當(dāng)前加速里程(4)比較所述當(dāng)前加速里程與期望加速里程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(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有計算靈活、計算結(jié)果匹配度高等優(yōu)點。
【專利說明】一種長定子直線同步電機驅(qū)動用變流器容量選擇方法 【技術(shù)領(lǐng)域】
[〇〇〇1] 本發(fā)明涉及高速磁浮【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是涉及一種長定子直線同步電機驅(qū)動用變流 器容量選擇方法。 【背景技術(shù)】
[0002] 隨著國內(nèi)工業(yè)技術(shù)水平的發(fā)展以及大功率變流器設(shè)計生產(chǎn)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。用于長定子直線同步電機驅(qū)動，特別是高速磁 浮列車驅(qū)動的大功率變流器的需求也將越來越多。目前已經(jīng)投入高速磁浮商業(yè)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(dǎo)高速磁浮交通的發(fā)展，根 據(jù)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(yīng)用于高速磁浮交通的大功率變流器功率等級標(biāo)準(zhǔn)化的工作也亟需展開。那么， 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(shè)備標(biāo)準(zhǔn)制定中，又應(yīng)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(fù)載性質(zhì)和變化規(guī)律，計算出負(fù)載電流的大小或作出負(fù)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(fù)載 特性的電機，采用不同的方法計算負(fù)載電流：
[0006] -恒定負(fù)載連續(xù)運行時變流器容量的計算：一般考慮電機啟動方式，根據(jù)電機的 啟動電流或者額定電流，確定負(fù)載電流，再預(yù)選變流器的容量。
[0007] -周期性變化負(fù)載連續(xù)運行時變流器容量的計算：首先做出電動機負(fù)載電流圖η =Φ (t)及I = f(t)，然后求出平均負(fù)載電流，再預(yù)選變流器的容量。
[0008] -非周期性變化負(fù)載連續(xù)運行時變流器容量的計算：一般按電動機在輸出最大轉(zhuǎn) 矩時的電流計算變流器的額定電流。
[0009] (2)根據(jù)既有變流器的容量等級預(yù)選變流器容量；
[〇〇1〇] (3)根據(jù)過載和啟動能力校驗預(yù)選變流器。
[〇〇11]目前已經(jīng)商業(yè)運行的常導(dǎo)高速磁浮交通牽引系統(tǒng)即為一個大功率的長定子直線 同步電機系統(tǒng)，其定子位于軌道上，轉(zhuǎn)子即為高速運行的磁浮列車，但是并不適用于上述的 通用方法。這是因為上述的第一步--計算變流器負(fù)載電流針對的是成熟的電機產(chǎn)品。這 些電機產(chǎn)品都有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載特性，可以通過規(guī)范或者標(biāo)準(zhǔn)進行計算或者查詢。而高速 磁浮技術(shù)所采用的同步直線電機并非通用的成熟電機產(chǎn)品。由于目前投入商業(yè)運行的線路 只有上海示范線，其所采用的直線電機的負(fù)載特性僅適用于上海線這一個工程項目。在直 線電機輸出最大轉(zhuǎn)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，則取決于列車所須達到的最高速度、線路條件以及發(fā)車間隔等的要求，不同的工程項目 之間將有很大的區(qū)別。對于未來的工程項目，可能因為項目需求的不同，而使電機負(fù)載特性 有所不同。
[0012] 此外，目前投入商業(yè)運行的、適用于高速磁浮交通的變流器僅有15MVA和7. 5MVA 兩種制式，不但預(yù)選的余地有限，根據(jù)該備選容量進行校驗的結(jié)果也不能保證精確。若不限 于既有容量，而是假設(shè)某一容量等級和參數(shù)進行試算校驗，則假設(shè)可選的組合太多，將導(dǎo)致 計算工作量較大，效率低，且不能保證獲得最優(yōu)結(jié)果。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，從高速磁浮項目需求的角 度出發(fā)，以直線同步電機的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，提出了一種計算靈活、計算結(jié)果匹配度高的長 定子直線同步電機驅(qū)動用變流器容量選擇方法，適用于高速磁浮項目。該方法不但在具體 的高速磁浮項目中可以得到合理的、適用于所需項目的變流器容量以及電壓、電流等關(guān)鍵 特性參數(shù)，而且在國產(chǎn)化大功率變流器容量等級的制定過程中也能發(fā)揮輔助作用。
[0014] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：
[0015] -種長定子直線同步電機驅(qū)動用變流器容量選擇方法，包括如下步驟：
[0016] (1)根據(jù)當(dāng)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(biāo)值vm、 保有加速度a b、列車最大編組數(shù)η和列車在加速段的平均加速度a ;
[0017] (2)基于所述邊界條件，根據(jù)牛頓第二定律以及長定子直線同步電機的數(shù)學(xué)模型， 計算列車的期望加速里程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(shè)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(shù)學(xué)模型，獲得列車的當(dāng)前加速里程 Sm ；
[0019] (4)比較所述當(dāng)前加速里程'與期望加速里程sm的大小，若i大于則增大定 子電流限值/I,, =/"",,+Δ/ ;否則減小定子電流限值=/_-Δ/，Λ I為設(shè)定的電流增量；
[0020] (5)令/1,重復(fù)步驟（3)，直到< 等于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(fā)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，高速磁浮所采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(jù)傳統(tǒng)的同步電動機原理，可以得到穩(wěn)態(tài)時長定子直線同步電動 機的dq數(shù)學(xué)模型。在轉(zhuǎn)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(shù)學(xué)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，F(xiàn)x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(jù)所述長定子直線同步電機的數(shù)學(xué)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(biāo)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(zhì)量，由速 度和列車的阻力特性計算得到；
[0038] b)根據(jù)式（5)得到列車達到最高速度前的定子電流/_ /萬；
[0039] c)根據(jù)平均加速度a和速度目標(biāo)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(biāo)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(dāng)前加速里程 < 具體 為：
[0044] a)根據(jù)項目的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)初始化直線電機參數(shù)，并與Ism(l、Usm和sm -起作為輸入數(shù) 據(jù)；
[0045] b)根據(jù)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(jù)式⑵計算電機推力Fx ;
[0048] e)根據(jù)牛頓第二定律計算列車當(dāng)前加速度ax、速度vx和位移s x ;
[0049] f)若當(dāng)前速度vx〈vm，則根據(jù)當(dāng)前位移和速度更新直線電機參數(shù)，返回步驟a);
[0050] g)若當(dāng)前速度vx彡vm，則輸出加速段位移< =? ?
[0051 ] 所述基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括線路線型數(shù)據(jù)、車站和變電所位置數(shù)據(jù)。
[0052] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：
[0053] (1)不受既有變流器容量的限制，而是根據(jù)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(fā)點，計算結(jié)果與項目的匹配性高。
[0055] (3)以長定子直線同步電機的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)進行迭代計算，計算效率高，計算結(jié) 果準(zhǔn)確。
[0056] (4)計算方法靈活，適用于各種高速磁浮項目。因此在用于長定子直線同步電機驅(qū) 動的大功率變流器的標(biāo)準(zhǔn)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(wěn)態(tài)運行矢量圖；
[0058] 圖2為本發(fā)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(guān)系示意圖；
[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(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。本實施例以本發(fā)明技術(shù)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(fā)明的保護范圍不限于 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(jù)不同的工程項目指標(biāo)要求， 分別應(yīng)采用的變流器的容量等級。其中，直線電機牽引采用兩步法雙端供電，牽引分區(qū)長 40km，定子段平均長度1200m，列車5輛編組，采用上海磁浮列車的參數(shù)與阻力模型。車輛的 負(fù)載考慮平均負(fù)載（即80%滿載）。其余假設(shè)如下：
[0066] 1)電纜限值：
[〇〇67] 計算中所得的定子電流不能大于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(yīng)根據(jù)具體項目所采用的電纜型號確定。 在以下的實施例中，假設(shè)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，這里所采用的保有加速度參照《列車牽引 計算規(guī)程》中所規(guī)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(guān)。如圖4所示， 假設(shè)ab為保有加速度，列車的質(zhì)量為m，線路的坡度為Θ，重力加速度為g，F(xiàn)是列車在平直 線路上的克服阻力之后的剩余牽引力，則有F = mab。當(dāng)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(quán)利要求】
1. 一種長定子直線同步電機驅(qū)動用變流器容量選擇方法，其特征在于，包括如下步 驟： (1) 根據(jù)當(dāng)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(biāo)值Vm、保有 加速度ab、列車最大編組數(shù)η和列車在加速段的平均加速度?; (2) 基于所述邊界條件，根據(jù)牛頓第二定律以及長定子直線同步電機的數(shù)學(xué)模型，計算 列車的期望加速里程
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(shè)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(shù)學(xué)模型計算列車在加速時的速度曲線， 獲得列車的當(dāng)前加速里程
(4) 比較所述當(dāng)前加速里港
與期望加速里程\的大小，若
<于
則增大定子電 流限值
否則減小定子電流限值
為設(shè)定的電流增量； (5) 4
t復(fù)步驟（3)，直?
等于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(jù)權(quán)利要求1所述的一種長定子直線同步電機驅(qū)動用變流器容量選擇方法，其特 征在于，所述總體項目需求包括列車最小發(fā)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(jù)權(quán)利要求1所述的一種長定子直線同步電機驅(qū)動用變流器容量選擇方法，其特 征在于，所述長定子直線同步電機的數(shù)學(xué)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，F(xiàn)x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(jù)權(quán)利要求3所述的一種長定子直線同步電機驅(qū)動用變流器容量選擇方法，其特 征在于，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(dāng)前加速里程'具體 為： a) 根據(jù)項目的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)初始化直線電機參數(shù)，并與Ism(1、Usm和sm-起作為輸入數(shù)據(jù)； 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(jù)牛頓第二定律計算列車當(dāng)前加速度ax、速度vx和位移sx ; f) 若當(dāng)前速度vx〈vm，則根據(jù)當(dāng)前位移和速度更新直線電機參數(shù)，返回步驟a); g) 若當(dāng)前速度Vx彡Vm，則輸出加速段位移=? 〇
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種長定子直線同步電機驅(qū)動用變流器容量選擇方法，其特 征在于，所述基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括線路線型數(shù)據(jù)、車站和變電所位置數(shù)據(jù)。
【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(yōu)先權(quán)日:2014年6月24日
【發(fā)明者】林瀅, 王霄樺, 魯滌強, 金宇, 秦峰 申請人:同濟大學(xué)