《动车组装备》辅助供电系统仿真实践教学研究

孙惠娟

【摘要】动车组辅助供电系统是高速动车组的重要组成部分之一，并直接影响到动车组的正常运行。针对目前《动车组装备》课程实践教学存在的问题，提出利用Matlab/Simulink对动车组装备辅助供电系统进行仿真。以仿真模型来替代实物装置，改变理论教学主要依赖文字和图片、实验教学受制于设备的现状，激发学生的学生兴趣，有效地提高教学效率和质量。

【关键词】动车组  辅助供电  仿真  教学

【中图分类号】G71 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）32-0209-02

引言

《动车组装备》课程是动车制造技术专业的一门专业核心课程。动车组装备辅助供电系统良好的供电性能是动车组安全平稳运行的重要保证。其中动车组电气系统的组成和动车组辅助供电系统是该门课程的重要前提和基础，因此该部分内容对本门课程具有举足轻重的作用。而目前这门课程的教学存在以下难题：

（1）课程内容复杂

由于动车组供配电系统中包括的多种供变电设备结构及工作原理复杂，且电网电压高，电流形式多样，因此动车组的供配电系统涉及的内容多、范围广、结构极其庞杂。课程的内容对教师的专业知识、授课方式及课堂学生的理解能力提出了很高的要求。

（2）教学方法单一

“项目教学”、“教、学、做”一体化等新型的教学模式一般采用的技术训练方法比较固定，通常是一些验证性的实验，学生动手机会少，不能真正地参与到学习活动中去。而目前我院动车制造技术专业任课教师缺乏实践锻炼和企业培训的机会，教师上课资源匮乏。同时我国新型动车组的研制和生产还属于保密阶段，教师也缺乏获取专业资料的途径，这些问题都限制了本课程教学质量的提高。

（3）缺乏实验实训设备

目前学院还缺乏用于《动车组装备》课程教学的实验实训装置或仿真系统。因此对本门课程中供配电系统的内容学习，只能结合教材及参考书中的内容进行，学生无法建立真正供配电的系统理念，缺乏实践动手的机会，严重影响了学生对相关内容的学习及专业技能的训练和提高。

本课题从动车组辅助供电系统仿真入手，研究借助于Matlab/Simulink软件实现动车组辅助供电系统的建立和运行，研究结果有助于动车组专业及相关专业学生深刻理解动车组辅助供电系统的结构和工作原理，对《动车组装备》课程教学质量的提高有重要意义。

1.Matlab/Simulink工具箱简介

Simulink工具箱的Simu和Link功能，可根据在可视化窗口中绘制所需图形，完成控制系统模型构建。本文主要介绍将Simulink提供的SimPowerSystem电力电子仿真模块应用到《动车组装备》辅助供电系统课堂教学中，利用Simulink提供的工具箱建立仿真模型，进行仿真实验。本文以CRH1型动车组辅助供电系统为例进行介绍。

2.CRH1型动车组辅助供电系统仿真

目前，高速动车组的交流供电系统主要有两种形式：交直交型与直交型。直交型交流供电系统则从机车牵引回路的直流环节取电，经过辅助逆变器实现从直流到交流的变换，最终输出交流电压。CRH1型动车组辅助供电系统采用的直交型供电模式如图1所示。因此本文主要对其中的牵引变流器和辅助变流器模块进行动态仿真。

图1 先逆变后降压的直交型供电结构

2.1模型的建立

（1）启动MATLAB后，点击MATLAB主窗口的按钮      ，打开Simulink Library Browser窗口。点击     按钮，进入仿真编辑界面。

（2）在Simulink模块库中选择SimPowerSystem工具箱，并将所需的模块拉到编辑界面中。

（3）根据相应的参数，对模块参数进行更为细致的设置。

（4）然后将各个模块按照相应的关系连接起来，构建并保存控制系统的模型。

图2所示为CRH1型动车组牵引变流器模块的动态仿真模型。

图2 CRH1型动车组变流器模型图

2.2牵引变流器、辅助变流器模块仿真

动车组牵引变流器模块的主要功能是将主变压器副边绕组的交流电转换成稳定的直流电，并为辅助逆变器提供直流电源。

对动车组牵引变流器模型进行仿真首先需要设置仿真参数，如仿真的起始时间，仿真算法，利用powergui对整个模型进行离散。然后在编辑界面中点击Start Simulation按钮     ，进行动态仿真。为了更方便地检测仿真模块中的主要参数，利用Simulation自带的电压、电流测量模块进行相应参数的测量，并可将测量结果通过Scope窗口进行记录和显示，便于直观分析。

图3和图4分别是仿真结果。由图3可知接触网的电压波形的周期为0.02s，频率为50Hz，接触网电压的最大值约为35355 V，根据电压的有效值与最大值之间的关系，可计算得到接触网电压的有效值为25004 V，与CRH1型动车组接触网理论电压25000 V相比误差为0.016%。接触网电压经动车组主变压器的副边绕组降压后输入牵引变流器模块，由图4可知动车组牵引变流器模块的输入电压，其周期和频率与接触网相同，分别为0.02s、50Hz。其电压最大值为1273 V，其有效值为900.3 V，与实际工况相符。

图3 仿真结果（接触网电压）

图4 仿真结果（牵引变流器输入电压）

3.结论

本文对基于Matlab/Simulink工具箱的电力系统仿真过程进行了研究，首先对Matlab/Simulink工具箱进行了简单介绍，然后对利用Matlab/SimPowerSystems建立动车组变流器仿真模型的方法和过程进行了论述，最后以CRH1型动车组为例，对其牵引变流器模块进行了建模和动态仿真，并对仿真结果进行了验证计算。本文通过利用Matlab/Simulink工具箱将仿真技术应用于《动车组装备》辅助供电系统的动态仿真中，可让学生通过仿真模型和仿真结果直观地看到变电设备的结构组成及功能。另外学生还可以通过对相关参数进行修改，改变模型和仿真结果，从而提高学生的主动性和积极性，培养他们的创新能力。

参考文献：

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[2]张红斌.基于SimPowerSystems的三相异步电动机的仿真分析[J].科技通报，2013，29（4）：183-185.