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博碩士論文 etd-0612101-170151 詳細資訊
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論文名稱
Title
捷運推進系統精確模型之建立與電力潮流分析
Rigid Modeling of MRT Propulsion And Load Flow Analysis
系所名稱
Department
畢業學年期
Year, semester
語文別
Language
學位類別
Degree
頁數
Number of pages
88
研究生
Author
指導教授
Advisor
召集委員
Convenor
口試委員
Advisory Committee
口試日期
Date of Exam
2001-05-29
繳交日期
Date of Submission
2001-06-12
關鍵字
Keywords
負載利用率、電聯車耗電效能模擬、交流/直流負載潮流分析、12脈波整流變壓器組
AC/DC Load Flow, Train Performance Simulator, 12
統計
Statistics
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中文摘要
本論文主要目的,在改善傳統之單一列車電聯車耗電效能模擬,並整合列車效能模擬程式與交流/直流負載潮流分析程式,以探討列車線電壓變動對整個捷運交/直流供電系統負載潮流的影響。論文首先以磁場向量控制法則建立感應馬達驅動器之簡化數學模型,再以MATLAB/SIMULINK內之power system blockset來設計馬達驅動器之模型。然後介紹捷運供電系統的架構,說明其功能與設計理念,並進行供電與推進系統之模型建立與分析。由於捷運系統的負載與一般用戶不同,可分為靜態的車站負載與隨列車運轉之動態負載。車站負載較為固定且容易估測,但電聯車負載隨著路網特性與班距的不同而有所變化,其耗電量佔捷運全部總耗電量的60%至70%左右,為了能模擬出電聯車實際,從啟動、加速、滑行到煞車的整個運轉過程。本論文並以power system blockset 建立其直流系統含12脈波整流變壓器組、導電軌、牽引感應電動機之變頻驅動控制模組,VVVF變流器及實際三相感應電動機之電力電子模型,配合電聯車性能模擬程式之速率曲線圖,建立完整單一電聯車精確績效模擬。
本論文以MATLAB撰寫一套適用於交/直流系統供電系統之負載潮流分析程式,建構台北捷運淡水線全線供電電系統之網路模型,套用本文的單一列車電聯車耗電效能模擬之每一快照時間、速度、功率之關係,執行交/直流負載潮流分析,可分析全系統在多列車動態運行下,各牽引動力變電站及列車線電壓變動及負載變化之影響,最後並與電聯車性能模擬程式(Train Performance Simulator, TPS),經執行多部列車交/直流負載潮流模擬之結果作比較。運用本論文所開發的模擬軟體,可改善捷運系統模擬之準確性,以支援較佳之捷運系統營運規劃,以增進營運之經濟效益。


Abstract
The main goal of this thesis is to improve the efficiency of power consumption for single train and propose the effects of the voltage variation to AC/DC power flow. This thesis establishes a simplified mathematic model for motor drivers with the magnetic vector control laws. Furthermore, it designs the framework of the motor drives model with the power system blockset of the MATLAB/SIMULINK. The mass rapid transit(MRT) power system framework are also introduced in the thesis. Besides the power and propelment system model are developed. Due to the differences of the load pattern for the MRT system and the other customers, the analysis can be separated into static station load and dynamic load during the train operations. Static station load is constant and easy to measure. But dynamic load leads to some extent of variation depended on the MRT network characteristics and the headway of trains. The power consumption for dynamic load is about 60-70% of the whole MRT power consumption. The whole process of starting, acceleration, coasting and stopping are realistically concerned for the simulation of MRT operation. In this thesis, the DC system is composed of a 12 pulse rectifying transformer, a conductor rail, motor-driven induction drive control, VVVF inverter, and a 3-phase motor-driven induction electric power model. The performance for single train can be obtained very efficiently with the rate curves.
To perform the MRT power system simulation, an AC/DC load flow analysis has been developed with Matlab. The power system model of an simulation for Taipei MRT system has been created, the AC/DC load flow analysis is executed to analyze the effects of traction substation, voltage fluctuation, and various load under the dynamic operation for multiple trains. The efficiency of proposed methodology to solve the optimal MRT operation is verified by comparing to the results of Train Performance Simulator (TPS), which has been used by Taipei MRT project. It is suggested that the proposed rigid modeling of propulsion driving system can enhance the accuracy of system simulation and provide the tool to achieve better planing of MRT operation.


目次 Table of Contents
目 錄
摘要............................................................i
Abstract........................................................iii
目錄.............................................................v
圖目錄......................................................... vii
表目錄..........................................................x
符號表.........................................................xi

第一章 緒論.....................................................1
1.1 研究背景.......................................... 2
1.2 研究動機與主要貢獻..................................3
1.3 論文內容概述.......................................4
第二章 感應機數學模式與向量控制法則............................ 5
2.1 前言.............................................. 5
2.2 感應機之二軸法數學模型............................ 5
2.3 向量控制法則與原理.................................9
2.4 MATLAB/SIMULINK簡介與模型建立..................... 15
2.4.1 簡介..............................................15
2.4.2 模型的建立........................................16
第三章 十二脈波整流器與捷運推進系統...............................22
3.1 前言.................................................22
3.2 捷運供電系統架構.....................................22
3.2.1 主變電站...........................................24
3.2.2 牽引動力變電站.....................................25
3.2.3 車站變電站.........................................26
3.3 12脈波模型的建立....................................27
3.4 推進系統三種模式之建立...............................31
3.4.1 磁滯電流型PWM......................................31
3.4.2 Quasi-Six Step.....................................36
3.4.3 Six Step...........................................39
第四章 系統架構與淡水線模擬 .......................................42
4.1 前言.................................................42
4.2 電聯車運轉方程式.....................................43
4.3 變流器電路模型之建立.................................47
4.4 VVVF變流器控制模式.....................................45
4.5 兩站之間線路阻抗變化精確模型............................47
4.6 淡水線電能消耗模擬分析..................................50
4.6.1 模擬台北捷運淡水線關渡(R30)~竹圍(R31)..............50
4.6.2 淡水線全線之模擬..................................54
第五章 電力潮流分析...............................................62
5.1 前言.................................................62
5.2 單相不可控十二脈波整流變壓器組模型推導..................64
5.3 交/直流負載潮流分析.....................................67
5.3.1 負載潮流程式之開發.................................68
5.3.2 交/直流系統負載潮流程式之流程圖.....................72
5.4 台北捷運工程淡水線供電系統...........................73
5.4.1 動力車箱馬達牽引力、第三軌電壓及列車速度的關係......75
5.4.2 三種模式比較........................................77
第六章 結論.......................................................83
參考文獻..........................................................86

圖 目 錄
圖1-1 本論文主要研究流程圖.......................................3
圖2-1 定子、轉子三相軸(a,b,c軸)與二相軸(q-d軸)向量圖.........6
圖2-2 交流感應馬達磁場導向控制方塊圖.............................9
圖2-3 間接向量控制圖............................................10
圖2-4 d-q軸向量圖 ...............................................10
圖2-5 間接向量控制法之系統方塊...................................14
圖2-6 速度控制器.................................................18
圖2-7 Iqs*、Ids*間接向量控制模型.................................18
圖2-8 Iqs*模型...................................................19
圖2-9 Wsl模型....................................................19
圖2-10 旋轉→靜止坐標轉換模型.....................................20
圖2-11 旋轉→靜止→三相電流模型...................................21
圖2-12 間接向量控制圖.............................................21
圖3-1 捷運供電系統架構圖.........................................23
圖3-2 主變電站單線圖..............................................25
圖3-3 牽引變電站單線圖...........................................26
圖3-4 12脈波之模型...............................................27
圖3-5 12脈波之輸出電壓...........................................29
圖3-6 磁滯電流控制型PWM換流器之方塊圖............................31
圖3-7 磁滯電流控制型PWM之工作原理................................32
圖3-8 PWM實際電路方塊圖..........................................33
圖3-9 PWM之模型..................................................34
圖3-10 PWM輸出電壓之波形..........................................35
圖3-11 每半個週期含有兩個凹痕之輸出電壓...........................36
圖3-12 Quasi-Six Step 之模型....................................37
圖3-13 Quasi-Six Step輸出電壓之波形.............................38
圖3-14 Six-Step Inverter.........................................39
圖3-15 Six-Step輸出之切換順序....................................40
圖3-16 線對線輸出電壓............................................40
圖3-17 Six-Step 模型.............................................41
圖3-18 Six-Step 輸出電壓之波形...................................41
圖4-1 電聯車行駛於兩個車站間的速度軌跡圖........................42
圖4-2 坡度阻力圖................................................44
圖4-3 六個MOS_FET組成變流器.....................................47
圖4-4 VVVF變流器控制系統圖......................................49
圖4-5 波形產生器................................................50
圖4-6 兩個牽引動力變電站的供電關係圖............................52
圖4-7 線路電阻變化模型..........................................53
圖4-8 總電阻R...................................................54
圖4-9 電阻R1....................................................54
圖4-10 電阻R2....................................................54
圖4-11 捷運供電與驅動系統架構圖..................................55
圖4-12 TPS速度與時間關係圖.......................................56
圖4-13 速度與時間關係圖..........................................56
圖4-14 第三軌電壓與時間關係圖....................................57
圖4-15 電流與時間關係圖..........................................58
圖4-16 (A) 轉矩與時間關係圖.......................................58
圖4-16 (B) 定馬力模式操作下,其輸出轉矩與時間關係圖...............59
圖4-17 功率與時間關係圖...........................................59
圖4-18 單一列車行駛於上軌道上之時速與時間關係圖...................61
圖4-19 單一列車行駛於上軌道上之消耗功率與時間關係圖...............61
圖5-1 直流牽引供電系統負載潮流分析程式的概要流程圖...............63
圖5-2 單相不可控型六脈波整流變壓器組模型之等效電路示意圖.........65
圖5-3 十二脈波整流變壓器組直流測之等效電路示意圖.................66
圖5-4 單相不可控型十二脈波整流變壓器組模型.......................67
圖5-5 循序法交/直流負載潮流分析之系統模型........................68
圖5-6 交/直流系統負載潮流程式之流程圖............................72
圖5-7 台北捷運工程淡水線在某一時刻的系統簡化單線圖...............74
圖5-8 動力車箱馬達牽引力、第三軌電壓及列車速度的關係圖...........75
圖5-9 下行軌第五部列車考慮動力車箱馬達牽引力、第三軌電壓及列
車速度的關係圖Updata之後電壓與功率關係圖...................77
圖5-10 淡水線尖峰時段班距二分鐘TSS12瞬間三種模式消耗功率曲線
圖.........................................................78
圖5-11 淡水線尖峰時段班距二分鐘TSS12瞬間三種模式電壓曲線變化
圖.........................................................79
圖5-12 淡水線尖峰時段班距二分鐘,華捷主變站瞬間三種模式視在功
率變化圖...................................................80
圖5-13 淡水線尖峰時段班距二分鐘,投捷主變站瞬間三種模式視在功
率變化圖...................................................81
圖5-14 淡水線尖峰時段班距二分鐘,瞬間三種模式總視在功率變化圖
...........................................................82

表 目 錄
表2-1 三相感應馬達參數值.........................................16
表3-1 三相電源之參數.............................................28
表3-2 Y - Y,Y –Δ型連接三繞組變壓器之參數......................28
表3-3 六脈波整流器開關元件之參數.................................29
表3-4 濾波器元件之參數...........................................29
表3-5 transfer function 之參數...................................34
表3-6 Relay 之參數...............................................35
表4-1 Mos_fet 開關元件參數值.....................................47
表4-2 Diode 元件參數值...........................................48

符 號 表
Fas,Fbs,Fcs :代表三相電壓、電流或磁交鏈值。
Fds,Fqs :代表d和q軸之電壓、電流或磁交鏈值。
Te,TL :代表電動機產生的電磁轉矩和負載轉矩。
We,Wr :代表電源的同步角速度和轉子角速度。
Rs,Rr :代表電動機定子與轉子電阻。
Vds,Vqs :代表定子電壓在d與q軸上的分量。
ids,iqs :代表定子電流在d與q軸上的分量。
idr,iqr :代表轉子電流在d與q軸上的分量。
Ls,Lr,Lm :代表參考到定子側,每相定子、轉子電感與互感。
p :代表微分運算子彈(p=d/dt)。
Jm,Bm :代表電動機的轉動慣量(inertia)
和黏性摩擦係數(Viscous Frictional Coefficient)。
:代表電動機同步旋轉角度。
:代表電動機轉差角度。
λdr,λqr :代表d與q軸轉子磁通分量。
λds,λqs :代表d與q軸定子磁通分量。
Wsl :代表電動機的轉差角速度。
P :馬達極數。

參考文獻 References
參考文獻
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