城市軌道交通24 脈波整流機(jī)組的研究

孟 飛

0 前言

近年來(lái)國(guó)內(nèi)的城市軌道交通迅速發(fā)展，許多大中城市已經(jīng)著手或即將開(kāi)始城市軌道交通建設(shè)，但是國(guó)內(nèi)對(duì)于城軌牽引供電系統(tǒng)的研究卻相對(duì)落后。牽引供電系統(tǒng)作為城市軌道交通車輛運(yùn)行的動(dòng)力來(lái)源，其安全可靠性直接影響著整個(gè)城市軌道交通系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。交直流變換過(guò)程是直流牽引供電系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，負(fù)責(zé)該過(guò)程的整流機(jī)組是地鐵牽引供電系統(tǒng)的一個(gè)核心設(shè)備。對(duì)整流機(jī)組的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行特性以及工作原理進(jìn)行詳細(xì)分析是對(duì)直流牽引供電系統(tǒng)的故障機(jī)理進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)之一。

在大功率整流機(jī)組的運(yùn)行過(guò)程中，不可避免會(huì)產(chǎn)生諧波，對(duì)城市電網(wǎng)以及牽引供電系統(tǒng)造成危害。為了減少牽引供電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)諧波電流對(duì)城市電網(wǎng)的不利影響，國(guó)內(nèi)城市軌道交通牽引變電所中采用的整流機(jī)組已經(jīng)由原來(lái)的12 脈波向24 脈波發(fā)展，并成為主流整流方式。整流機(jī)組由整流變壓器和整流器組成。本文首先介紹整流變壓器和整流機(jī)組的接線方式，然后采用Matlab/ Simulink 建立24脈波整流機(jī)組的仿真模型，進(jìn)而研究它的運(yùn)行工況和理想狀態(tài)下的整流特性，并分析24 脈波整流機(jī)組的網(wǎng)側(cè)諧波電流以及影響網(wǎng)側(cè)諧波電流含量的各種因素。

1 整流變壓器接線方式

整流變壓器的作用是將城市電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)變?yōu)檎餮b置所需要的電壓，并通過(guò)改變相數(shù)及相位角來(lái)滿足網(wǎng)側(cè)和閥側(cè)正常運(yùn)行對(duì)電壓的要求。2 臺(tái)整流變壓器網(wǎng)側(cè)繞組分別采用±7.5°外延三角形接線方式，閥側(cè)繞組采用d、y 接法，其線電壓相角相差30°，這樣構(gòu)成的2 臺(tái)變壓器的4 套閥側(cè)繞組線電壓的相位互差15°，經(jīng)全波整流后，在直流側(cè)并聯(lián)運(yùn)行，組成24 脈波的整流系統(tǒng)。當(dāng)采用延邊三角形移相時(shí)，由于一次側(cè)的3 次諧波電流形成閉合回路，無(wú)論二次側(cè)繞組采用何種接線方式，都不會(huì)引起電壓波形畸變。該情況下因移相所增加的變壓器容量較小，又因此時(shí)整流變壓器低壓繞組采用軸向雙分裂結(jié)構(gòu)，減少了兩者間的相互干擾，橋間一般不再加設(shè)平衡電抗?，F(xiàn)在該接線方式已成為整流變壓器的主流結(jié)構(gòu)。

由于整流變壓器的網(wǎng)側(cè)繞組采用延邊三角形移相±7.5°接線方式，增加了移相繞組。其移相繞組電壓Uy，主繞組電壓Um與城市電網(wǎng)電壓U1之間的關(guān)系滿足正弦定理。

采用延邊三角形移相±7.5°的整流變壓器的網(wǎng)側(cè)繞組接線方式如圖1、圖2 所示。

圖1 網(wǎng)側(cè)+7.5°移相接線原理圖與向量圖

圖2 網(wǎng)側(cè)-7.5°移相接線原理圖與向量圖

整流變壓器閥側(cè)兩繞組分別采用星形和三角形連接方式，2 個(gè)繞組的電壓比為，故其匝數(shù)比應(yīng)盡量為。否則，會(huì)由于2 個(gè)繞組電壓不等而引起環(huán)流，導(dǎo)致局部過(guò)熱。

整流變壓器接線方式如圖3 所示。

圖3 整流變壓器接線方案圖

2 24 脈波整流機(jī)組分析

2.1 24 脈波整流機(jī)組結(jié)構(gòu)

城市軌道牽引供電系統(tǒng)中的整流機(jī)組由整流變壓器和整流器構(gòu)成。國(guó)內(nèi)大多數(shù)城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)采用的是24 脈波不可控橋式整流機(jī)組，該系統(tǒng)由2 臺(tái)12 脈波整流機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行。每臺(tái)整流機(jī)組由1 臺(tái)三相三繞組變壓器和2 臺(tái)全波整流器構(gòu)成，國(guó)內(nèi)整流器現(xiàn)多采用大功率整流二極管。由于整流變壓器采用軸向雙分裂結(jié)構(gòu)，直流閥側(cè)繞組間具有較大的短路阻抗，因此一般不再設(shè)置平衡電抗。24 脈波整流機(jī)組接線原理如圖4 所示。

2.2 整流機(jī)組運(yùn)行特性分析

由于諧波次數(shù)與整流脈波的關(guān)系：

式中，P 為諧波次數(shù)；N 為整流脈波數(shù)；K 為正整數(shù)，1，2，3，4…

可見(jiàn)，整流脈波數(shù)越大，相應(yīng)的諧波含量越少，從而對(duì)城市電網(wǎng)的不利影響也就越小。因此，目前城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)廣泛采用24 脈波整流機(jī)組。對(duì)于三相全波橋式整流來(lái)說(shuō)，脈波數(shù)越多，相應(yīng)的功率因數(shù)越高。

圖4 24 脈波整流機(jī)組接線原理圖

24 脈波整流機(jī)組仿真模型如圖5 所示。根據(jù)某地鐵24 脈波整流機(jī)組的參數(shù)：整流變壓器額定容量為3 450 kV·A，電壓比為35∶1.18，空載電壓1 640 V，額定電壓1 500 V，依次設(shè)置模型參數(shù)。

利用整流機(jī)組仿真模型得到35 kV 網(wǎng)側(cè)電壓和電流波形如圖6 所示。

直流輸出電壓仿真結(jié)果見(jiàn)圖7?？梢钥闯?，24脈波整流機(jī)組直流電壓的特征脈波為24 N 次。

3 影響網(wǎng)側(cè)諧波電流含量的因素

本文著重討論由24 脈波整流機(jī)組引入的影響網(wǎng)側(cè)諧波電流的因素，主要包含2 點(diǎn)：首先是網(wǎng)側(cè)繞組移相角α的誤差；其次是整流機(jī)組2 臺(tái)變壓器負(fù)荷的不平衡。另外，在實(shí)際運(yùn)行中，由于變壓器存在換相阻抗，閥側(cè)繞組的線電流產(chǎn)生重疊角，從而使得閥側(cè)線電流的高次諧波含量比理論分析時(shí)有所改善。

3.1 移相角α 的誤差的影響

根據(jù)圖1，由正弦定理可知，如果要滿足移相角α = 7.5°，就必須使網(wǎng)側(cè)繞組的外延匝數(shù)與原繞組匝數(shù)之比滿足ΔN/N=sin7.5o/sin22.5 o。實(shí)際應(yīng)用中，匝數(shù)必須是整數(shù)，而sin7.5°/sin22.5°不是整數(shù)，從而不可避免造成誤差，使得移相不準(zhǔn)確，這是系統(tǒng)存在閥側(cè)特征諧波的原因之一。

3.2 變壓器負(fù)荷不平衡的影響

（1）24 脈波整流機(jī)組的每臺(tái)整流變壓器都是一臺(tái)12 脈波整流系統(tǒng)。而閥側(cè)負(fù)荷的不平衡會(huì)導(dǎo)致閥側(cè)非特征諧波不能完全抵消而出現(xiàn)殘留諧波分量。由于每臺(tái)變壓器的閥側(cè)繞組分別為三角形接線和星形接線，其相位相差30°。在實(shí)際中，由于繞組匝數(shù)必須是整數(shù)，因此兩閥側(cè)繞組的匝數(shù)比不可能完全等同于只能盡可能接近。由此引起的誤差就會(huì)導(dǎo)致負(fù)荷的不平衡，從而引入諧波分量。

（2）2 臺(tái)變壓器之間負(fù)荷的不平衡會(huì)導(dǎo)致次數(shù)為12 N±1 的網(wǎng)側(cè)非特征諧波不能完全抵消，從而出現(xiàn)殘余分量。

圖5 24 脈波整流機(jī)組電路仿真模型圖

圖6 網(wǎng)側(cè)A 相電壓與電流波形圖

圖7 直流側(cè)輸出電壓波形圖

（3）由于城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)中的24脈波整流機(jī)組不設(shè)橋間平衡電抗器，在機(jī)車運(yùn)行的過(guò)渡期間出現(xiàn)輕載狀態(tài)時(shí)，流經(jīng)整流器二極管的電流不能反向，橋間均衡電流不能完全導(dǎo)通，造成每臺(tái)變壓器閥側(cè)繞組橋間負(fù)荷瞬時(shí)的不平衡，從而導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)總的諧波含量大大增加。因此，在實(shí)際運(yùn)行中，要盡量減小臨界負(fù)荷率。

4 結(jié)論

本文首先對(duì)城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)中的24 脈波整流機(jī)組接線方式和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，在該基礎(chǔ)上，利用Matlab/Simulink 軟件建立了整流機(jī)組的仿真模型，進(jìn)而重點(diǎn)研究整流機(jī)組的運(yùn)行特性。最后分析了由整流機(jī)組自身所引起的影響網(wǎng)側(cè)諧波電流含量的各種因素。

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