城市軌道24脈波整流機(jī)組研究分析

戴麗君，蔣亞威，邢光兵

(1. 南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院電力工程學(xué)院，南京　210031；2. 蘇州大學(xué)城市軌道交通學(xué)院，蘇州　215131 )

城市軌道24脈波整流機(jī)組研究分析

戴麗君1，蔣亞威2，邢光兵2

(1. 南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院電力工程學(xué)院，南京210031；2. 蘇州大學(xué)城市軌道交通學(xué)院，蘇州215131 )

摘要：闡述了當(dāng)前城市軌道交通直流供電系統(tǒng)24脈波整流的原理，并且使用MATLAB/SIMULINK編程軟件對(duì)直流供電牽引系統(tǒng)的整流設(shè)備進(jìn)行建模與仿真，根據(jù)其仿真結(jié)果分析了24脈波整流機(jī)組的工作特性，給出了其仿真波形，并根據(jù)仿真波形介紹24脈沖整流的優(yōu)劣；同時(shí)也對(duì)24脈波整流直流側(cè)的諧波進(jìn)行了分析，并根據(jù)模型仿真的結(jié)果以及相關(guān)諧波的分析給出了抑制諧波的方法。

關(guān)鍵詞：24脈波整流機(jī)組；地鐵牽引系統(tǒng)；諧波電流

124脈波整流原理簡介

目前，地鐵廣泛使用的整流系統(tǒng)是24脈波整流。24脈波整流機(jī)組是由兩套12脈波整流機(jī)組并聯(lián)而成，然而只是簡單的將兩套12脈波整流機(jī)組并聯(lián)工作并不能增加其輸出波形的脈沖次數(shù)，只有當(dāng)兩套機(jī)組的整流變壓器的輸入電壓相差15°時(shí)，才能使輸出波形的脈沖次數(shù)在一個(gè)周期內(nèi)為24次。網(wǎng)側(cè)使用移相變壓器并聯(lián)工作分別移相+7.5°，-7.5°，從而形成等效24脈波整流機(jī)組。其等效原理圖如圖1所示。

圖1　24脈沖整流機(jī)組主電路原理圖

移相變壓器是24脈沖整流器中關(guān)鍵的部件之一，交流變壓器輸出的三相交流電經(jīng)過移相變壓器的相位偏轉(zhuǎn)，使輸出的多相的電壓幅值大小相等、相位相差一定角度。目前使用的移相變壓器的繞組連接方式有很多種，例如：延邊三角形、曲折三角形、六邊形等。由于線圈的滯后效應(yīng)，變壓器的二次線圈感應(yīng)出來的電壓相對(duì)原來輸入的電壓就產(chǎn)生了一定的相位差。根據(jù)變壓器內(nèi)繞組不同的接線方式，可以使電壓偏離需要的相位。在24脈沖整流機(jī)組整流中使用的移相變壓器是延邊三角形的接法，通過延邊三角形的接法使變壓器的輸入電壓和輸出電壓的相位之間形成±7.5°的相位差[1-3]。

224脈波模型仿真結(jié)果與分析

根據(jù)上述原理在MATLAB/Simulink編程軟件平臺(tái)上搭建了24脈波整流電路的仿真模型，如圖2所示。

為了簡化模型，在這里假設(shè)供電側(cè)三相電壓為平衡電壓，供電側(cè)的輸入電壓不含有諧波分量；不考慮整流機(jī)組的內(nèi)阻、線圈損耗；忽略二級(jí)管電壓降、電阻；整流機(jī)組各部分運(yùn)作正常無故障。

圖2　24脈沖整流機(jī)組仿真模型

變壓器參數(shù)設(shè)為：一次側(cè)電源的短路容量為100MVA，采用軸向雙分裂式三繞組整流變壓器,額定容量3 450kVA，一次側(cè)額定電壓35kV，二次側(cè)額定電壓1 180V[4]。仿真結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3　24脈沖整流機(jī)組直流側(cè)輸出電壓

圖4　24脈波網(wǎng)側(cè)諧波頻譜

從圖3仿真波形圖可以看出,直流側(cè)輸出電壓在1個(gè)周期0.02s有24次脈動(dòng), 每個(gè)脈動(dòng)間隔為π/24。電壓幅值在1 550V左右浮動(dòng)，浮動(dòng)幅度在15V左右?；痉系罔F1 500kV供電要求，浮動(dòng)較小，諧波分量少。從圖4可以看出24脈波整流機(jī)組產(chǎn)生的主要是23和25次諧波，其含量小于0.01%。

通過與12脈波、36脈波、48脈波整流機(jī)組的對(duì)比可進(jìn)一步說明24脈波的優(yōu)點(diǎn)。12脈波、36脈波、48脈波整流機(jī)組的仿真結(jié)果如圖5、圖6、圖7、圖8、圖9、圖10所示。

圖5　12脈沖整流機(jī)組直流側(cè)輸出電壓

圖6　12脈波網(wǎng)側(cè)諧波頻譜

圖7　36脈沖整流機(jī)組直流側(cè)輸出電壓

圖8　36脈波網(wǎng)側(cè)諧波頻譜

圖9　48脈沖整流機(jī)組直流側(cè)輸出電壓

圖10　48脈波網(wǎng)側(cè)諧波頻譜

通過對(duì)12脈波、24脈波、36脈波、48脈波整流機(jī)組模型仿真數(shù)據(jù)研究分析，可以看出隨著整流設(shè)備脈沖次數(shù)的增加諧波含量會(huì)隨之減少，并且輸出的直流電壓波形的波動(dòng)幅度也相對(duì)減少。在這里對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析。數(shù)據(jù)見表1。

通過表1可以看出4組整流裝置的輸出電壓都符合地鐵1.5kV的要求。但是12脈波整流的電壓波動(dòng)較大，其波動(dòng)百分比為3.23%；48脈波的波動(dòng)最小，其波動(dòng)百分比為0.33%；但相對(duì)24脈波、36脈波整流來說提升空間不是很大。就諧波含量而言，12脈波諧波含量最高，約為1.16%，且諧波次數(shù)較低，對(duì)電網(wǎng)的污染較大。其中48脈波整流對(duì)諧波的抑制最有效，對(duì)低次諧波的抑制最為明顯。但是當(dāng)整流脈波次數(shù)高于24時(shí)，諧波的含量就已經(jīng)小于0.01%，雖然采用36或48脈波整流對(duì)諧波的抑制會(huì)有所提高，但是其效果相比24脈波提升不是很大。

表1　12、24、36、48 脈波整流數(shù)據(jù)分析

目前，依然有地鐵線路在使用12脈波整流。例如，上海地鐵1號(hào)線和廣州地鐵1號(hào)線采用12脈波整理設(shè)備，這套設(shè)備投入運(yùn)行后其諧波電流值都比國標(biāo)允許值低。廣州地鐵公司專門將列車裝沙袋模擬乘客，發(fā)車間隔按設(shè)計(jì)高峰小時(shí)2分鐘，做了滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的實(shí)驗(yàn)。實(shí)測結(jié)果表明，當(dāng)使用12脈波整流的時(shí)候，不需要設(shè)置濾波裝置也能符合國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)諧波電流的規(guī)定。目前我國的牽引供電設(shè)計(jì)中普遍采用24脈波整流，這種整流方式得到的諧波電流值比采用12脈波整流減少50%。因此我們?cè)谠O(shè)計(jì)牽引供電系統(tǒng)時(shí)也沒有必要預(yù)留裝設(shè)濾波器的房間，以節(jié)省建筑面積和設(shè)備投資。

整流設(shè)備作為地鐵牽引系統(tǒng)的重要組成部分，其造價(jià)相對(duì)較高，隨著整流脈波次數(shù)的增加，對(duì)設(shè)備的工藝要求隨之提高，建設(shè)成本也會(huì)大幅提高。同時(shí)36與48脈波整流機(jī)組發(fā)生故障的概率相對(duì)24脈波較大，建成后的維修管理難度大，成本高。

3結(jié)語

通過仿真分析，綜合考慮整流效果、諧波抑制、建設(shè)成本、維修管理等因素，24脈沖整流方案為目前最優(yōu)方案。因此，目前地鐵牽引整流系統(tǒng)廣泛使用24脈波整流方式。

整流器是電網(wǎng)中的主要諧波源，通過模型結(jié)果分析可知，對(duì)于三相整流負(fù)載，產(chǎn)生的主要諧波是kn±1(n為整流脈波數(shù))次諧波。因此通過減小諧波含量來提高整流脈波次數(shù)的方法是今后發(fā)展的一個(gè)主要趨勢。移相變壓器作為整流重要組成部分之一，隨著人們對(duì)它的深入研究，移相變壓器的設(shè)計(jì)優(yōu)化等方面已經(jīng)有了很大的進(jìn)展。但是通過模型的仿真與結(jié)果的分析可以發(fā)現(xiàn)一些問題。例如，移相變壓器的精度要求會(huì)隨著整流的脈波次數(shù)提高而大幅提高，同時(shí)數(shù)量也會(huì)提高。這就使得移相變壓器及配件的成本提高。

諧波給城市軌道交通供電系統(tǒng)帶來了無法忽略的影響。所以必須在分析和建立模型的前提條件下，對(duì)諧波采取措施進(jìn)行抑制，抑制諧波的基本方法有：在諧波源處降低諧波含量、在諧波源處吸收諧波電流、改善供電環(huán)境這三條。

根據(jù)上述的三條基本方法，具體到地鐵供電系統(tǒng)中，抑制諧波的主要措施有：

(2)整流變壓器接線方式。當(dāng)使用同一母線給2臺(tái)以上整流機(jī)組供電時(shí)，可將其一次側(cè)繞組分別接成星形和三角形，這樣就可以使5、7次諧波相互抵消，而只需考慮高次諧波，而高次諧波幅值小，相應(yīng)的危害也減小。

(3)通過保持三相電壓平衡可以有效減小諧波對(duì)電網(wǎng)的影響。對(duì)諧波源負(fù)荷由專業(yè)線路供電，可以減小諧波對(duì)其他負(fù)荷的影響，有助于抑制諧波。

整流變壓器的作用是將城市電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)變?yōu)檎餮b置所需的電壓，并通過改變相數(shù)及相位角來滿足網(wǎng)側(cè)和閥側(cè)正常運(yùn)行對(duì)電壓的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]苗彥英.城市軌道交通[M].北京：北京科技出版社，1994.

[2]趙順,曾志.地鐵24脈波整流機(jī)組特性及諧波分析[J].電子元器件應(yīng)用，2012(01):78-80.

ZHAOShun,ZENGZhi.Thesubway24pulserectifierunitcharacteristicandharmonicanalysis[J]．ElectronicComponent&DeviceApplications，2012(01):78-80.

[3]于松偉，楊興山，韓連祥，等.城市軌道交通供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理與應(yīng)用[M].成都:西南交通大學(xué)出版社，2008.

[4]ZHANGJ,XIEZ,ZHANGJ,etal.HightemperaturePEMfuelcells[J].JPowerSources, 2006.

(本文編輯：楊林青)

Research on 24-Pulse Rectifier Unit of Urban Rail

DAI Li-jun1，JIANG Ya-wei2, XING Guang-bing2

(1.NanjingInstituteofRailwayTechnology,Nanjing210031,China；2.SchoolofUrbanRailTransit,SuzhouUniversity,Suzhou215131,China)

Abstract:This paper briefly discusses the principles of the current urban rail transit DC power supply system 24-pulse rectifier and uses MATLAB/SIMULINK programming software to model on and simulate DC power rectifier equipment traction system. Based on the simulation results, the 24-pulse rectifier unit operating characteristics are analyzed, the simulation waveforms are formulated, and the advantages and disadvantages are described. Meanwhile, the harmonic 24-pulse rectifier DC side is analyzed, and the harmonic suppression methods are proposed based on the simulation results analysis.

Key words:24-pulse rectifier unit; metro traction system; harmonic current

DOI：10.11973/dlyny201601011

作者簡介：戴麗君(1967)，女，副教授，從事鐵道供電領(lǐng)域鐵道電氣化研究。

中圖分類號(hào)：U271

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-1256(2016)01-0052-04

收稿日期：2015-11-04