城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)48脈波整流技術(shù)研究

姜筱靨

0 引言

城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)中的牽引變電所通過整流機(jī)組將中壓交流電降壓整流為直流電，并通過牽引網(wǎng)系統(tǒng)向列車供電[1]，其負(fù)載特性為沖擊性的整流負(fù)荷，因此在牽引變電所整流機(jī)組的高壓側(cè)將不可避免地產(chǎn)生諧波，成為系統(tǒng)中的諧波源。該諧波會(huì)向城市電網(wǎng)輸出，從而造成電網(wǎng)污染，降低電能質(zhì)量。

諧波電流和諧波電壓的出現(xiàn)，對(duì)公用電網(wǎng)是一種污染[2]，其對(duì)公用電網(wǎng)和其他系統(tǒng)的危害大致體現(xiàn)在以下幾方面：（1）諧波使公用電網(wǎng)中的元件（感應(yīng)電機(jī)、同步電機(jī)）產(chǎn)生附加諧波損耗，降低發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率；（2）諧波影響各電氣設(shè)備的正常工作，對(duì)電機(jī)的影響除引起附加損耗外，還會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)、噪聲和過電壓，使變壓器局部嚴(yán)重過熱，使電容器、電纜等設(shè)備過熱、絕緣老化、壽命縮短，以至損壞；（3）諧波會(huì)引起公用電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，使上述（1）和（2）的危害大大增加，甚至引起嚴(yán)重事故；（4）諧波會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)作，并使電氣測(cè)量儀表計(jì)量不準(zhǔn)確；（5）諧波會(huì)對(duì)鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者產(chǎn)生噪聲降低通信質(zhì)量，重者導(dǎo)致信息丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作。

上述諧波的不良影響可劃分為熱影響、冷影響和諧振影響三類。熱影響系因發(fā)熱而產(chǎn)生的不良影響，有長期性和積累效應(yīng)，主要是諧波或合成諧波的幅值起作用；冷影響是瞬間產(chǎn)生的不良影響，主要是諧波或合成諧波的幅值或相位起作用；諧振影響是網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和參數(shù)對(duì)諧波源激勵(lì)的一種響應(yīng)，其發(fā)生時(shí)將引起相關(guān)元件的過電流或過電壓。國家技術(shù)監(jiān)督局于1993年發(fā)布了GB/T 14549-1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)用戶所產(chǎn)生諧波對(duì)公用電網(wǎng)的影響進(jìn)行了嚴(yán)格限制，電力部門要求地鐵供電系統(tǒng)注入電網(wǎng)系統(tǒng)PCC點(diǎn)的高次諧波不超過國標(biāo)允許值；在地鐵供電系統(tǒng)內(nèi)部也不允許發(fā)生危險(xiǎn)的高次諧波諧振現(xiàn)象。因此，如何解決牽引變電所中整流機(jī)組所產(chǎn)生的高次諧波對(duì)公用電網(wǎng)和地鐵供電系統(tǒng)的“污染”，成為電力部門和地鐵部門共同關(guān)心的問題。通過研究表明，提高整流機(jī)組輸出脈波數(shù)，可以大幅降低諧波水平。

1 地鐵整流機(jī)組現(xiàn)狀及發(fā)展

1.1 地鐵整流機(jī)組發(fā)展歷程

我國早期城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)與世界其他國家相似，均采用6脈波整流機(jī)組，如早期北京地鐵750 V整流機(jī)組為6脈波橋式整流。約在20世紀(jì)80年代中期，為治理牽引整流諧波，北京地鐵開始推廣采用12脈波整流機(jī)組供電。

20世紀(jì)90年代末期，上海軌道交通2號(hào)線牽引供電系統(tǒng)首次采用24脈波整流技術(shù)，主要包括上下雙分裂的12脈波干式整流變壓器、高電壓大電流整流二極管、24脈波整流和保護(hù)技術(shù)等。24脈波整流較12脈波整流技術(shù)極大地減少了11次和13次整流諧波，整流諧波總含量減少約80%，極大改善并提高了電網(wǎng)質(zhì)量。

隨后，我國較快地完成引進(jìn)技術(shù)的消化吸收，全面推廣采用國產(chǎn)24脈波牽引整流技術(shù)和裝備。目前國內(nèi)城市軌道交通普遍采用的整流機(jī)組為24脈波整流機(jī)組。

1.2 現(xiàn)有整流機(jī)組存在的諧波情況

理想情況下，整流機(jī)組網(wǎng)側(cè)只含有h=kp±1次特征諧波（k為正整數(shù)），第h次諧波的理論幅值為Ih=I1/h（I1為基波的幅值）。實(shí)際上，由于各種非理想因素（電網(wǎng)電壓不對(duì)稱、整流變壓器三相不平衡等），不可避免產(chǎn)生非特征次數(shù)的諧波。

目前，我國和世界各國采用的24脈波整流裝置通常是由2臺(tái)12脈波整流變壓器和與之配套的整流器共同組成，如圖1所示。當(dāng)2臺(tái)整流變壓器高壓網(wǎng)側(cè)繞組分別采用±7.5°外延三角形連接移相時(shí)，通過2套整流器并聯(lián)運(yùn)行即可構(gòu)成等效24脈波整流。

圖1 24脈波整流裝置

24脈波整流機(jī)組工作時(shí)，大大減少了5、7、11、13次等特征諧波，但整流產(chǎn)生的23、25次特征諧波仍存在。單一的整流變電所產(chǎn)生的23、25次整流諧波對(duì)供電電網(wǎng)產(chǎn)生的危害不大，但一條地鐵或數(shù)條地鐵線聯(lián)合產(chǎn)生的整流諧波有可能會(huì)造成諧波含量超標(biāo)。

隨著我國城市軌道交通的快速大規(guī)模發(fā)展，為配合節(jié)能降耗、低碳、環(huán)保，作為預(yù)防性措施，國內(nèi)已開始著手研發(fā)新一代整流機(jī)組，即在24脈波整流機(jī)組的基礎(chǔ)上提出了48脈波整流機(jī)組方案，為整流機(jī)組的更新?lián)Q代作出了嘗試。

2 48脈波整流方案

目前國內(nèi)48脈波整流機(jī)組有2種方案，分別為“分布式等效48脈波整流方案”和“集中式等效48脈波整流方案”。

2.1 分布式等效48脈波整流方案

2.1.1 方案介紹

分布式等效48脈波整流是根據(jù)地鐵牽引供電的特點(diǎn)，將原來各自獨(dú)立的24脈波整流機(jī)組相互移相并組成網(wǎng)絡(luò)意義的48脈波整流，以降低電網(wǎng)中23、25次整流諧波含量。

分布式等效48脈波整流的通用互換技術(shù)方案，是將目前各牽引變電所的等效24脈波整流變壓器設(shè)計(jì)成移相角可7.5°兩檔（Ⅰ檔和Ⅱ檔）調(diào)節(jié)，Ⅰ檔24脈波整流變壓器與Ⅱ檔24脈波整流變壓器輸出交流電壓相差7.5°相角。將地鐵沿線的24脈波整流變壓器分別間隔調(diào)節(jié)到Ⅰ檔和Ⅱ檔，沿線Ⅰ檔24脈波整流變壓器與Ⅱ檔24脈波整流變壓器組成分布式等效48脈波整流。

如圖2（a）所示，牽引變電所等效24脈波整流變壓器包括2臺(tái)12脈波整流變壓器（T1和T2），變壓器在Ⅰ檔：變壓器T1正移相3.75°，變壓器T2負(fù)移相-11.25°，該牽引變電所的T1和T2組成24脈波整流。如圖2（b）所示，變壓器在Ⅱ檔：變壓器T1負(fù)移相-3.75°，變壓器T2正移相11.25°，該牽引變電所的T1和T2也組成24脈波整流；Ⅰ檔24脈波整流變壓器與Ⅱ檔24脈波整流變壓器相互之間相差7.5°移相角，共同組成分布式等效48脈波整流。

圖2 24脈波整流變壓器

各牽引變電所并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)側(cè)Ⅰ檔24脈波整流變壓器23、25次整流諧波電流分別與II檔24脈波整流變壓器的23、25次整流諧波電流之間相位角為24×7.5°，即180°，此時(shí)23、25次整流諧波電流可部分相互抵消，從而減少23、25次諧波電流。

經(jīng)試驗(yàn)表明，分布式等效48脈波整流可降低網(wǎng)側(cè)23、25次整流諧波電流85%以上，降低總諧波電流含量約20%。圖3為等效24脈波整流和等效48脈波整流直流電壓輸出波形（交流分量）。

圖3 直流電壓輸出波形

2.1.2 性能分析

（1）可靠性。在目前地鐵等效24脈波整流變壓器基礎(chǔ)上，采用兩檔（Ⅰ檔和Ⅱ檔）7.5°移相角調(diào)節(jié)變壓器組成分布式等效48脈波整流方案，僅改變了變壓器的移相方式。每個(gè)牽引變電所變壓器T1和T2均為原有成熟技術(shù)的軸向雙分裂12脈波整流變壓器，技術(shù)可靠性相對(duì)較高。

（2）互換性。雖然整流變壓器T1和T2的移相角不同（不可互換），T1是+3.75°移相角與-3.75°移相角可調(diào)節(jié)，T2是-11.25°移相角與+11.75°移相角可調(diào)節(jié)；但每個(gè)牽引變電所包含的2臺(tái)變壓器是相同的T1和T2整流變壓器，即各牽引變電所之間是可互換的。將所有牽引變電所的整流變壓器同時(shí)調(diào)為Ⅰ檔時(shí)，或同時(shí)調(diào)為Ⅱ檔時(shí)，牽引變電所均為原來意義的等效24脈波整流。將所有牽引變電所的整流變壓器間隔調(diào)為Ⅰ檔和Ⅱ檔時(shí)（現(xiàn)有地鐵整流機(jī)組按照相鄰牽引變電所一、二段母線間隔設(shè)置，故可通過在第1、3、5……或第2、4、6……牽引變電所間隔設(shè)為Ⅰ檔和Ⅱ檔整流變壓器來實(shí)現(xiàn)48脈波整流），各牽引變電所在電網(wǎng)組成分布式48脈波整流，可抵消原來相互疊加的23、25次整流諧波。

（3）經(jīng)濟(jì)性。整流變壓器T1和T2相比原整流變壓器，無成本增加。

（4）對(duì)系統(tǒng)的影響。對(duì)于分布式48脈波整流，各牽引變電所的整流變壓器具有通用互換性，整流器和繼電保護(hù)與原24脈波整流相同，并維持現(xiàn)有牽引供電模式不變，具有改善電網(wǎng)質(zhì)量、不增加牽引整流供電設(shè)備成本的優(yōu)點(diǎn)。

2.2 集中式等效48脈波整流方案

集中式48脈波整流的技術(shù)方案如下：三相48脈波整流變壓器由2臺(tái)24脈波整流變壓器組成，每臺(tái)24脈波整流變壓器帶有4套低壓閥側(cè)輸出繞組，4套低壓繞組相互移相15°。

圖4給出變壓器繞組上下分列布置示意圖。圖示為一相，高壓2個(gè)分裂線圈H1和H2上下分列布置；低壓側(cè)包括4套繞組L1、L2、L3和L4及低壓移相繞組S1、S2、S3和S4。

圖4 24脈波（4套低壓輸出）變壓器繞組布置

1臺(tái)24脈波整流變壓器的4套低壓閥側(cè)輸出繞組接4套整流器，4套整流器輸出并聯(lián)，組成24脈波整流。2臺(tái)24脈波整流裝置之間高壓繞組相互再移相7.5°，整流機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行，組成等效集中式48脈波整流。

采用集中式48脈波整流方案，每個(gè)整流變電所需包括8臺(tái)6脈波整流裝置，每個(gè)牽引變電所的整流器由原來的24脈波整流的2臺(tái)整流器增加到4臺(tái)。

從整流變壓器的角度看，雖然每個(gè)牽引變電所的變壓器仍為2臺(tái)，未增加變壓器的數(shù)量；但單臺(tái)變壓器低壓繞組的數(shù)量由原來的2個(gè)增加到4個(gè)，且為了實(shí)現(xiàn)低壓繞組相互移相15°的要求，低壓繞組增加了移相繞組，一定程度增加了變壓器的工藝難度和成本。

從整流效果和諧波治理角度看，由于較多的低壓繞組徑向布置，整流繞組的電磁耦合系數(shù)較大，相互之間干擾較大，極大地影響了整流效果和諧波治理效果，集中式48脈波整流技術(shù)還有待進(jìn)一步完善和提高。

2.3 兩種方案的分析比較

對(duì)于集中式48脈波整流方案，一個(gè)牽引變電所內(nèi)實(shí)現(xiàn)48脈波整流，需將原來2臺(tái)三相整流器增加到4臺(tái)，牽引變電所的占地面積和設(shè)備造價(jià)將增加，引起工程投資費(fèi)用增大。目前單臺(tái)24脈波整流變壓器尚存在低壓繞組移相及整流繞組相互干擾的技術(shù)難點(diǎn)，有待進(jìn)一步完善提高。

對(duì)于分布式48脈波整流方案，針對(duì)電網(wǎng)中23、25次整流諧波，能夠有效降低整流諧波含量，各牽引變電所整流變壓器通用互換，不改變整流器和供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，維持了原有設(shè)備的高可靠性，且不增加設(shè)備成本，經(jīng)濟(jì)可行。

3 結(jié)論和建議

分布式48脈波整流變壓器可在保證24脈波整流安全基礎(chǔ)上，通過變壓器無載調(diào)節(jié)變換實(shí)現(xiàn)分布式48脈波整流；各牽引變電所的整流變壓器具有通用互換性；不改變目前牽引變電所的配置且不增加其他成本。從原理上講，增加整流機(jī)組的脈波數(shù)能夠更有效地降低諧波含量，48脈波整流機(jī)組能夠有效降低牽引整流23、25次諧波。

分布式48脈波整流方案作為節(jié)能以及提高電網(wǎng)電能質(zhì)量的預(yù)防性措施，可以大幅降低牽引供電系統(tǒng)諧波水平；目前主流牽引機(jī)組供貨商均可提供相關(guān)產(chǎn)品，后續(xù)可結(jié)合工程需求逐步推廣應(yīng)用。