長(zhǎng)沙市軌道交通1號(hào)線整流機(jī)組的應(yīng)用研究

0 引言

國(guó)內(nèi)城市軌道交通采用的24脈波整流機(jī)組通常由2臺(tái)整流變壓器和2臺(tái)12脈波整流器構(gòu)成，是地鐵牽引傳動(dòng)系統(tǒng)中的整流設(shè)備，其主要任務(wù)是為地鐵列車提供直流電源。而長(zhǎng)沙市軌道交通1號(hào)線所采用的24脈波整流機(jī)組由2臺(tái)12脈波整流變壓器和4臺(tái)6脈波整流器構(gòu)成。對(duì)于整套完整的整流設(shè)備，該整流機(jī)組的總元器件數(shù)量多于國(guó)內(nèi)其他線路采用的數(shù)量，在柜體、二極管、熔斷器、散熱器、PLC等材料設(shè)備費(fèi)用上稍高于傳統(tǒng)線路的設(shè)備投資。從另一方面看，其散熱器數(shù)量、抗脈沖電阻數(shù)量等都比僅由2臺(tái)12脈波整流器構(gòu)成的整流機(jī)組要多，提高了設(shè)備的可靠性，改善了整流機(jī)組的散熱性能和抗脈沖電流性能，降低了整流機(jī)組故障率，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，減小了運(yùn)營(yíng)事故及維護(hù)成本。因此長(zhǎng)沙市軌道交通1號(hào)線采用的整流機(jī)組在實(shí)際應(yīng)用方面有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，下文對(duì)其諧波、散熱性能、抗脈沖電流等特性進(jìn)行深入分析。

1 整流機(jī)組結(jié)構(gòu)及工作原理

城市軌道交通供電系統(tǒng)中牽引變電所主接線包括直流受饋電和高壓交流受配電2部分，其中整流機(jī)組承擔(dān)了交流轉(zhuǎn)直流的重任。為了減小輸出直流電壓中的脈動(dòng)數(shù)、諧波含量，實(shí)現(xiàn)單純的整流功能，通常采用六相、十二相、二十四相等脈波整流方式。長(zhǎng)沙市軌道交通1號(hào)線整套整流機(jī)組包含2臺(tái)12脈波軸向雙分裂式整流變壓器和4臺(tái)6脈波整流器，其中整流變壓器繞組側(cè)采用d接線法和y接線法，線電壓相位相差30°；網(wǎng)側(cè)采用三角形接法，移相±7.5°，2臺(tái)整流變壓器輸出線電壓相位互差15°，并經(jīng)過(guò)4臺(tái)并聯(lián)的6脈波整流器構(gòu)成24脈波整流。24脈波整流機(jī)組主電路如圖1所示。

圖1 24脈波整流機(jī)組主電路

2 整流機(jī)組仿真建模

長(zhǎng)沙市軌道交通1號(hào)線的整流機(jī)組采用24脈波整流，實(shí)施方案為：在每座牽引變電所設(shè)置4臺(tái)12脈波整流器，型號(hào)為ZQA-1000/1500，額定容量為1 500 kW×2，經(jīng)4臺(tái)6脈波整流器并聯(lián)運(yùn)行，得到等效24脈波方式的整流機(jī)組。實(shí)踐證明，該方式構(gòu)成的整流機(jī)組性能可達(dá)到地鐵日常運(yùn)營(yíng)的標(biāo)準(zhǔn)要求，過(guò)載能力也能夠達(dá)到國(guó)際電工委員會(huì)IEC60146 VI級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)。所采用的12脈波整流變壓器型號(hào)選用3300/35型，該型號(hào)整流變壓器的額定容量為ZQSCB10-3300/35，具有抗負(fù)荷沖擊性能好、損耗小、體積小、防火、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。

基于等效24脈波整流機(jī)組結(jié)構(gòu)，通過(guò)Matlab/Simulink軟件搭建整流機(jī)組的時(shí)域仿真模型，以分析24脈波整流機(jī)組的諧波特性。仿真模型的搭建步驟為：（1）新建一個(gè)Simulink模型；（2）在模塊庫(kù)中選擇移相變壓器、三繞組變壓器、整流器、負(fù)載電阻、測(cè)試單元等模塊；（3）將各個(gè)模塊連接，完成24脈波整流機(jī)組仿真模型的搭建。

仿真模型參數(shù)與長(zhǎng)沙市軌道交通1號(hào)線整流機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)相符，其中整流變壓器容量為3 300 kV·A，變比為35 kV/1 180 V，工頻電壓和沖擊電壓分別為30 kV、170 kV，整流變壓器采用D（±7.5°）y11d0接線方式，輸出電壓為 DC 1 500 V，負(fù)載電阻為純阻性。圖2所示為長(zhǎng)沙市軌道交通1號(hào)線整流機(jī)組的時(shí)域仿真模型。

圖2 24脈波整流機(jī)組模型

24脈波整流機(jī)組仿真模型所采用的參數(shù)如表1所示。

表1 24脈波整流機(jī)組仿真參數(shù)

在仿真過(guò)程中需注意以下2點(diǎn)：（l）圖2中左上角的Powergui模塊是Simpowersystems中自帶的頻譜分析工具箱，可用于分析電壓/電流信號(hào)的諧波含量及阻抗頻率等特性，仿真時(shí)必須加入；（2）Simulink中有2種類型的連線，一種為信號(hào)線，具有方向性，另一種為電力線，無(wú)方向性，2種不同類型線路無(wú)法直接相連，因此無(wú)法將示波器直接連接到線路中，需借助測(cè)量模塊將兩者聯(lián)系起來(lái)，如圖2中的Current和Voltage。

直流電壓仿真波形如圖3所示，可發(fā)現(xiàn)，直流側(cè)電壓波形中出現(xiàn)脈動(dòng)電壓波形。將波形放大，觀察一個(gè)周期 （0.02 s）可知其在0.02 s內(nèi)脈動(dòng)24次，脈動(dòng)間隔為15°。

圖3 24脈波下直流電壓仿真波形

為進(jìn)一步分析長(zhǎng)沙市軌道交通1號(hào)線整流機(jī)組的性能，考慮搭建通用的12脈波整流機(jī)組時(shí)域仿真模型，以模擬國(guó)內(nèi)其他地鐵線路12脈波整流機(jī)組的運(yùn)行輸出特性。圖4為所搭建的12脈波整流機(jī)組仿真模型，其仿真參數(shù)如表2所示。

圖4 12脈波整流機(jī)組模型

表2 12脈波整流機(jī)組仿真參數(shù)

設(shè)定相關(guān)的仿真參數(shù)后，可得到12脈波整流機(jī)組輸出的直流電壓波形，如圖5所示。圖中直流電壓在一個(gè)工頻周期內(nèi)脈動(dòng)12次，其波動(dòng)間隔為30°。仿真結(jié)果與實(shí)際情況相符，說(shuō)明所搭建的仿真模型是可靠的。

圖5 12脈波下直流電壓仿真波形

對(duì)比分析圖3和圖5可知，對(duì)于24脈波的整流機(jī)組，其仿真輸出的直流電壓紋波小于15 V，而對(duì)于12脈波的整流機(jī)組來(lái)說(shuō)，其仿真輸出的直流電壓紋波約為60 V。由此可得，整流機(jī)組所采用的脈波數(shù)越多，其輸出端直流電壓波動(dòng)越小，供電質(zhì)量也將相應(yīng)提高。

3 整流機(jī)組諧波分析

3.1 直流側(cè)電流諧波分析

負(fù)載為純阻性時(shí)，整流機(jī)組輸出的電壓、電流波形相同?；谒罱ǖ?2脈波和24脈波整流機(jī)組仿真模型，將仿真分析得出的直流電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，如圖6、圖7所示。

圖6 12脈波整流機(jī)組直流電壓頻譜

可以看出，圖6中直流電壓的總諧波畸變率為1.88%，主要諧波含量分布在12、24、36、48次，且隨著頻率的增高其含量呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)。主要諧波含量分布情況如表3所示。

表3 12脈波整流下輸出直流電壓諧波含量分布

圖7中24脈波整流下其輸出直流電壓的總諧波畸變率為0.45%，主要諧波含量分布在24、48、72次，且隨著頻率的增高其含量呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)。主要諧波含量分布情況如表4所示。

由此可得出結(jié)論，12脈波下其輸出主成分為直流分量，此外含有12k次的諧波分量，同時(shí)諧波分量呈現(xiàn)逐漸遞減的規(guī)律；24脈波直流電壓頻譜包含了24k次的諧波分量，所包含的諧波分量也呈現(xiàn)了隨著諧波次數(shù)的增大而遞減的規(guī)律?；谏鲜龇治隹芍?，m脈波整流機(jī)組輸出主要為直流電壓分量，但同時(shí)也存在n=km，k=1,2,3,….次的諧波，脈動(dòng)數(shù)m越大，輸出的直流電壓越平滑，諧波含量也越低。因此，24脈波整流機(jī)組比12脈波整流機(jī)組在輸出直流電壓的質(zhì)量方面更加優(yōu)越。

圖7 24脈波整流機(jī)組直流電壓頻譜

表4 24脈波整流下輸出直流電壓諧波含量分布

3.2 交流側(cè)電流諧波分析

運(yùn)行12脈波整流機(jī)組的仿真模型，負(fù)載電阻為純阻性，即可得到35 kV交流側(cè)A相電流波形數(shù)據(jù)。然后對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉分解，可以得到12脈波整流機(jī)組的交流側(cè)A相電流的諧波頻譜，如圖8所示。

圖8 12脈波下A相電流頻譜

圖8中12脈波整流機(jī)組交流側(cè)A相電流的總諧波畸變率為1.21%，主要諧波含量分布在11、13、23、25、35、37次，同時(shí)也存在諧波含量隨諧波次數(shù)增大而減小的規(guī)律，其主要諧波含量分布情況如表5所示。對(duì)比該整流機(jī)組聯(lián)調(diào)型式試驗(yàn)報(bào)告中實(shí)測(cè)的最大負(fù)載實(shí)驗(yàn)條件下12脈波交流側(cè)電流波形頻譜數(shù)據(jù)可知，仿真模型中12脈波整流下交流側(cè)電流諧波含量分布規(guī)律與實(shí)測(cè)值十分相似（型式試驗(yàn)報(bào)告實(shí)測(cè)值：11次諧波含量為1.103%，13次諧波含量為0.530%），驗(yàn)證了仿真模型的正確性，同時(shí)也說(shuō)明所總結(jié)的規(guī)律是有效的。

表5 12脈波整流下交流側(cè)A相電流諧波含量分布

圖9為24脈波整流方式下交流側(cè)A相電流諧波含量頻譜圖。

圖9 24脈波下A相電流頻譜

圖9中24脈波下交流側(cè)A相電流總諧波畸變率為0.71%，主要諧波含量分布在23、25、47、49、71、73次，分布情況如表6所示。該仿真結(jié)果與該整流機(jī)組聯(lián)調(diào)型式試驗(yàn)報(bào)告中實(shí)測(cè)的最大負(fù)載實(shí)驗(yàn)條件下24脈波交流側(cè)電流波形頻譜數(shù)據(jù)分布規(guī)律相同，驗(yàn)證了仿真模型的正確性。

表6 24脈波整流下交流側(cè)A相電流諧波含量分布

由仿真結(jié)果可知，12脈波整流方式下整流器注入電網(wǎng)的特征諧波次數(shù)為12k±1次，11、13次諧波含量最大，然后隨著諧波次數(shù)的增大含量遞減；24脈波整流方式下整流器注入電網(wǎng)的特征諧波次數(shù)為24k±1次，其中23、25次諧波最為豐富，并隨著諧波次數(shù)的增大，其含量逐漸遞減?；诖丝煽偨Y(jié)規(guī)律，24脈波整流相比12脈波來(lái)說(shuō)，可降低交流側(cè)電流總畸變率40%以上，大大降低了注入交流側(cè)諧波的含量，減小了諧波污染。

4 散熱性能及抗脈沖電流干擾性能分析

4.1 整流機(jī)組散熱性能分析

由于長(zhǎng)沙市軌道交通1號(hào)線每個(gè)牽引所內(nèi)的整流機(jī)組比國(guó)內(nèi)其他線路整流機(jī)組在柜體、二極管、熔斷器等數(shù)量上有所增加，直接增強(qiáng)了設(shè)備穩(wěn)定性，使設(shè)備的散熱及耐受脈沖電流效果有了顯著提升，降低了整流機(jī)組故障率，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，降低了運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。為更好地分析長(zhǎng)沙市軌道交通1號(hào)線整流機(jī)組散熱性能，將其與北京市軌道交通15號(hào)線整流機(jī)組進(jìn)行對(duì)比，各選取3個(gè)不同站點(diǎn)，測(cè)試整流機(jī)組運(yùn)行時(shí)的溫度數(shù)據(jù)。正常運(yùn)行時(shí)整流器頂部溫度的統(tǒng)計(jì)如表7所示。

表7 正常運(yùn)行時(shí)整流器頂部溫度統(tǒng)計(jì) ℃

從表7可以看出，正常運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)沙市軌道交通1號(hào)線整流機(jī)組的溫度在22.3℃～24℃之間，平均溫度為23.1℃。由于北京市軌道交通15號(hào)線SCADA系統(tǒng)不具備檢測(cè)整流器溫度數(shù)據(jù)功能，因此需采用溫濕度測(cè)試儀測(cè)量整流器的溫度。將溫濕度測(cè)試儀置于整流柜內(nèi)頂部，測(cè)量整流器的頂部溫度（與長(zhǎng)沙市軌道交通1號(hào)線的SCADA系統(tǒng)溫度測(cè)試點(diǎn)的布置相同），然后采用多次測(cè)試求平均值的方法來(lái)減小誤差。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，北京市軌道交通15號(hào)線整流機(jī)組的平均溫度為25.2℃。

可以看出，采用4臺(tái)6脈波整流器構(gòu)成的整流機(jī)組，相對(duì)于國(guó)內(nèi)其他多數(shù)線路采用2臺(tái)12脈波整流器構(gòu)成的整流機(jī)組，由于增加了一倍數(shù)量的散熱器，其散熱效果更優(yōu)。

4.2 抗脈沖電流干擾性能分析

在整流器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，需要綜合考慮橋臂二極管的啟動(dòng)可靠性和減小直流紋波電壓2個(gè)因素來(lái)選擇濾波電容，以提高抗脈沖電流性能。其中為增強(qiáng)啟動(dòng)可靠性，可以加設(shè)限流電阻，而為了減小直流紋波電壓，則需選擇盡可能大的濾波電容。由4個(gè)6脈波整流器構(gòu)成的24脈波整流機(jī)組在元器件及浪涌保護(hù)器數(shù)量上比由2個(gè)12脈波整流器構(gòu)成的24脈波整流機(jī)組要多，故其抗脈沖電流的效果更好。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)搭建長(zhǎng)沙市軌道交通1號(hào)線24脈波整流機(jī)組的時(shí)域仿真模型，同時(shí)建立常見(jiàn)的12脈波整流機(jī)組仿真模型，對(duì)比分析2種整流方式的交、直流側(cè)諧波特性。仿真結(jié)果表明，24脈波整流方式下整流機(jī)組注入電網(wǎng)的諧波電流相對(duì)較少，減輕了對(duì)電網(wǎng)造成的諧波污染；其直流輸出電壓紋波小，諧波含量低，波形更平穩(wěn)；由于整流機(jī)組散熱器、二極管、浪涌保護(hù)器等元器件數(shù)量上的增加，使整流機(jī)組的散熱性能及抗脈沖電流性能更為優(yōu)良。

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