地鐵直流牽引供電系統(tǒng)整流機(jī)組的仿真分析*

董海燕，田銘興

（蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，甘肅蘭州730070）

1 引言

地鐵直流供電系統(tǒng)主要由高壓電源系統(tǒng)、牽引供電系統(tǒng)和動(dòng)力照明系統(tǒng)組成，其中牽引供電系統(tǒng)是地鐵直流供電系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。在牽引供電系統(tǒng)中，主要的牽引供電設(shè)備由整流變壓器、整流器、直流開關(guān)柜、軌道電位限制裝置和1500V直流電力電纜構(gòu)成。整流變壓器和整流器統(tǒng)稱為整流機(jī)組，是牽引供電系統(tǒng)的核心設(shè)備，它的作用是將環(huán)網(wǎng)電纜35kV AC經(jīng)降壓整流輸出1500V DC供給地鐵接觸網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)直流牽引。目前，我國地鐵牽引整流機(jī)組已經(jīng)由12脈波向等效24脈波發(fā)展，并將以24脈波為主流。

本文使用MATLAB-Simulink的電力系統(tǒng)仿真模塊（Power System Blockset）建立24脈波整流機(jī)組主電路仿真模型，并對(duì)直流側(cè)諧波電流和饋入電網(wǎng)的諧波電流進(jìn)行了分析。

2 24脈波整流機(jī)組的原理

24脈波整流機(jī)組的主電路原理圖［1]如圖1所示。整流機(jī)組主要由兩臺(tái)12脈波軸向雙分裂式牽引整流變壓器和4組全波整流橋組成。每臺(tái)變壓器閥側(cè)二套繞組分別接成d接法和y接法，其線電壓形成30°相差。兩臺(tái)變壓器的網(wǎng)側(cè)采用延邊三角形接法，分別移相±7.5°［2]。這樣形成的兩臺(tái)變壓器的四套閥側(cè)繞組的線電壓相量互差15°相位（閥側(cè)電壓向量圖如圖2所示），分別經(jīng)全波整流后，在直流側(cè)并聯(lián)運(yùn)行，構(gòu)成24脈波整流機(jī)組。值得注意的是，當(dāng)變壓器采用了軸向雙分裂式結(jié)構(gòu)，閥側(cè)繞組間具有較大的短路阻抗（分裂阻抗），因此一般都不設(shè)橋間平衡電抗器。

圖1 24脈波整流機(jī)組主電路原理圖

圖2 閥側(cè)電壓相量圖

3 24脈波整流機(jī)組的模型建立

3.1 仿真模型建立

24脈波整流機(jī)組主電路仿真模型［3、4]如圖3所示。根據(jù)某地鐵線24脈波整流機(jī)組的參數(shù)（整流變壓器采用干式四線圈型式，整流變壓器的額定功率為3450kW，電壓比為35kV/1180V，空載電壓1640V，額定電壓1500V），依次設(shè)置模型參數(shù)。

3.2 電壓輸出特性

T1整流機(jī)組整流后輸出的空載直流電壓波形如圖4所示，其輸出直流側(cè)電流波形在一個(gè)周期中脈動(dòng)12次，每個(gè)波動(dòng)間隔為30°。

圖4 T1整流機(jī)組12脈波空載電壓波形

T2整流機(jī)組整流后輸出的空載直流電壓波形如圖5所示，同T1整流機(jī)組的輸出空載直流電壓波形具有15°的相位差。

圖5 T2整流機(jī)組12脈波空載輸出電壓波形

2臺(tái)整流機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行即為24脈波整流機(jī)組，其輸出空載直流電壓波形如圖6所示。波形在一個(gè)交流周期內(nèi)脈動(dòng)24次,每個(gè)波動(dòng)的間隔為15°。

圖3 24脈波整流機(jī)組主電路仿真模型圖

圖6 24脈波整流機(jī)組空載電壓波形

4 諧波分析

變流器等非線性電力設(shè)備接在電網(wǎng)中使用時(shí)，它們?cè)趶碾娋W(wǎng)吸收有功電流和無功電流的同時(shí)，也向電網(wǎng)注入諧波電流，而諧波電流在電網(wǎng)阻抗上產(chǎn)生的諧波壓降，使電網(wǎng)各點(diǎn)電壓產(chǎn)生畸變，干擾了電網(wǎng)中其他設(shè)備的良好運(yùn)行。地鐵供電系統(tǒng)中，整流裝置是主要的諧波源，只要減少整流裝置產(chǎn)生的諧波，就可以減少地鐵供電系統(tǒng)110kV側(cè)注入公用電網(wǎng)的諧波量。

由于二極管的阻斷作用，在整流變壓器繞組中流過的是近似正弦波，是由基波電流和高次諧波電流組成。直流側(cè)輸出電流是脈動(dòng)直流，而饋入電網(wǎng)的電流則是含有諧波的非正弦電流。這里采用傅里葉分解對(duì)直流側(cè)電流和注入電網(wǎng)的電流進(jìn)行了諧波分析［5]。

4.1 直流側(cè)電流諧波分析

圖6為24脈波直流側(cè)電流波形（假設(shè)輸出負(fù)載設(shè)為阻性，其電壓和電流波形相同），其表達(dá)式id＝Idmcosωt，周期 ωT＝π/12，可以求出直流電流均方根值為：

直流電流平均值Id為：

id的傅氏級(jí)數(shù)為：

其中 n＝24k（k＝1，2，3…）。等式右側(cè)首項(xiàng)為直流分量，等于直流電流平均值Id，余項(xiàng)為交流分量，是由n＝24k（k＝1，2，3…）次諧波電流之和組成，且 k 為奇數(shù)時(shí)式（3）取正號(hào)，k為偶數(shù)時(shí)式（3）取負(fù)號(hào)。由此可以求出24脈波直流電源中的總諧波電流均方根值約等于直流電流平均值的0.26%。

通過仿真得到的直流側(cè)電流頻譜圖如圖7所示。根據(jù)仿真結(jié)果可知:直流電流平均值約等于19.23A，直流電流中總諧波電流均方根值約等于0.0493A，總諧波電流均方根值/平均值＝0.0493/19.23≈0.26%，其結(jié)果近似與理論分析一致。

圖7 24脈波直流側(cè)電流頻譜圖

總之，p脈波直流側(cè)電源中除了直流分量外，所含諧波電流的次數(shù)n為p的整數(shù)倍，即n＝kp，p為脈波數(shù)，k＝1，2，3…。總諧波電流均方根值占直流電流平均值的比值，隨著p值的增加而大幅度減小。

4.2 注入電網(wǎng)的諧波電流分析

圖4 中，帶負(fù)載（純電阻負(fù)載）運(yùn)行時(shí)，兩組12脈波整流機(jī)組完全對(duì)稱，由T1和T2兩臺(tái)變壓器流入電網(wǎng)的合成電流idwz的傅氏級(jí)數(shù)形式如下：

24脈波整流機(jī)組注入電網(wǎng)的諧波含量大大減少，其頻譜分析如圖8所示，注入電網(wǎng)的主要是24k±1（k＝1，2，3…）次諧波，最低次為 23、25 次。

5 結(jié)論

圖8 電網(wǎng)電流頻譜圖

采用24脈波整流機(jī)組，直流側(cè)輸出的直流電流諧波含量很小，而饋入電網(wǎng)的交流電流諧波含量大為降低，減少了對(duì)電網(wǎng)的污染，同時(shí)輸出直流電壓的紋波系數(shù)小，直流電壓質(zhì)量高。24脈波整流機(jī)組相比12脈波具有更強(qiáng)的削弱網(wǎng)側(cè)諧波電流的功能，所以24脈波整流機(jī)組將成為地鐵中電網(wǎng)建設(shè)的主流［6]。

［1] 陳海軍.24脈波整流機(jī)組的原理及保護(hù)方式.電工技術(shù)，2005.

［2] 陳海軍，程小華.地鐵整流機(jī)組相量圖及輸出波形分析［J] .變壓器，2006，43（8）.

［3] 洪乃剛.電力電子與電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的MATLAB仿真.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［4] 李良威，李群湛，劉 煒.4脈波整流器外特性仿真及其在城市軌道交通中的應(yīng)用［J] .城市軌道交通研究，2007，32（10）.

［5] 錢長生，齊嘉瞻，李國新等.24脈波整流變壓器的諧波計(jì)算分析［J] .變壓器，2007，44（12）.

［6] 林惠漢，凌文堅(jiān)，吳世成.24相軸向雙分裂整流變壓器［J] .變壓器，2002，39（10）.