城市轨道交通24脉波整流机组的机理分析

李智威，邱瑞昌，李淑英，席海阔

（北京交通大学 电气工程学院 北京市轨道交通电气工程技术研究中心，北京 100044）

城市轨道交通24脉波整流机组的机理分析

李智威，邱瑞昌，李淑英，席海阔

（北京交通大学 电气工程学院 北京市轨道交通电气工程技术研究中心，北京 100044）

本文分析了城市轨道交通牵引供电系统中24脉波整流机组的接线方式和工作原理，并利用MATLAB/SIMULINK对24脉波整流机组进行仿真分析。采用傅立叶级数分析了交直流侧谐波，结果表明：24脉波整流机组，不仅能够有效减少对电网的污染，而且可以降低输出直流电压的纹波系数。

24脉波整流机组；轴向双分裂变压器；延边三角形；谐波分析

随着功率半导体器件和移相变压器技术的发展，为了减少地铁谐波电流对城市电网的污染，城市轨道交通牵引供电系统由最初的6脉波整流器逐步升级为24脉波整流器，成为当前国内外主流的牵引供电装置[1]。因此，充分研究24脉波整流机组的机理显得特别重要。

1 24脉波整流机组主电路拓扑

整流变压器和整流器统称为整流机组，如图1所示，整流机组主要由两台12脉波轴向双分裂式牵引整流变压器和4组全波整流桥组成。每台变压器阀侧二套绕组分别接成d接法和y接法。为获得24脉波，每个牵引变电所内并联运行的2台整流变压器的原边绕组分别移相±7.5°，使2台整流变压器次边4个绕组的线电压相量互差15°，经全波整流后，在直流侧并联运行，输出24脉波直流[2]。

图1 24脉波整流机组主电路拓扑Fig.1 Main circuit of 24-pulse rectifier unit

2 24脉波整流变压器的移相原理

2.1 变压器的选择

（a）1号变压器Dy11d0（网侧移相+7.5°）

2号变压器Dy1d2（网侧移相－7.5°）

（b）1号变压器Dy5d0（网侧移相+7.5°）

2号变压器Dy7d2（网侧移相－7.5°）

限于篇幅，本文以（a）联结组为例，（b）可以类推。

2.2 关于平衡电抗器的问题

24脉波整流电路中4组整流桥输出电压的平均值相等，但瞬时值不等。为了使4组整流桥能够同时导通，整流桥间必须接有均衡电抗器，以补偿4组整流桥输出电压的差值[4]。

但是对大功率整流器来说，平衡电抗器的存在对减小整流器体积，降低造价不利。由于变压器的漏抗在一定范围内必然存在，实际应用中，可以通过对整流变压器的特殊设计，将变压器的漏抗当做平衡电抗器使[5]。

式中：Ud——整流器阀侧电压平均值；

U2L整流变压器二次侧线电压。

2.3 整流变压器移相的实现

基于以上考虑，可选择两台变压器，一台联结组别Dy11d0，另一台联结组别Dy1d2，其中D联结绕组为延边三角形，两台变压器的接线如图2所示。

图2 Dy11d0—Dy1d2变压器联结图Fig.2 Transformer Dy11d0—Dy1d2 connection diagram

1号变压器Dy11d0：线电压A1B1相位超前AB7.5°，a1b1超前A1B130°，a2b2与A1B1同相；

2号变压器Dy1d2：线电压A2B2相位滞后AB7.5°，a3b3滞后A2B230°，a4b4滞后A2B260°；

可依次类推线电压a1c1、a2c2、a3c3、a4c4、b1c1、b2c2、b3c3、b4c4的相位，于是可得阀侧电压向量图，如图3所示[6]。

图3 阀侧电压向量图Fig.3 Vectorgram of value side voltage

3 24脉波整流机组MATLAB建模

3.1 仿真模型建立

24脉波整流电路仿真模型如图4所示，其中电源为理想三相电源，接移相变压器实现±7.5°相移，然后接入Δ-Δ/Δ-Y连接整流变压器T1和T2。根据某地铁24脉波整流机组的参数：整流变压器额定容量为2 200 kVA，电压比为35：1.18：1.18，依次设置模型参数。

图4 24脉波整流电路仿真模型Fig.4 Simulation model of 24-pulse rectifier circuit

3.2 电压输出特性

24脉波整流机组输出空载直流电压波形如图5所示。波形在一个交流周期内脉动24次，每个波动的间隔为15°。

4 谐波分析

由于二极管的阻断作用，在整流变压器绕组中流过的是由基波电流和高次谐波电流组成的近似正弦波。直流侧输出电压是脉动直流，而馈入电网的电流则是含有谐波的非正弦电流。本文通过傅立叶分解对直流侧空载电压和注入电网的电流进行谐波分析。

图5 24脉波整流机组空载电压波形Fig.5 The 24-pulse no-load voltage waveform

4.1 直流侧空载电压谐波分析

对于m脉波整流的输出电压[7]，若把纵坐标选在整流电压的峰值处，则在-π/m～π/m区间，整流电压的表示式为

根据傅氏级数分析，整流电压可分解为

由于整流电压关于纵轴对称，因此αn=0

又因Ud0以2π/m为周期重复出现，故应有

cosn（ωt）=cosn（ωt+2π/m）=cos（nωt+2nπ/m）即 2nπ/m=2kπ（k=1，2，3…），所以n=mk，该结果表明在余弦项中n一定是m的整数倍。

根据傅氏级数分析，可求得

从上面的结果可知，脉波数m的增加使谐波中最低次谐波的频率增加，同时其幅值迅速减小。12脉波整流只含有12k（k=1，2，3…）次谐波，最低次为12次；24脉波整流只含有24k（k=1，2，3…）次谐波，最低次为24次，且幅值比12脉波整流时大为减小。

整流电压的有效值

整流电压的谐波分量，即纹波电压的有效值

设纹波因数为γU，则其值为

不同脉波数时的电压纹波因数如表1所示。从表中数据可看出，随着整流脉波数的增加，纹波因数值迅速减小。

表1 不同脉波数时的电压纹波因数值（％）Tab.1 Voltage ripple factor values of different pulse

4.2 注入电网的谐波电流分析

带负载（纯电阻负载）运行时[2，8]，两组12脉波整流电路完全对称，由T1和T2两台变压器注入电网的合成电流 的傅氏级数形式如下：

整流器是电网中的主要谐波源，特征频谱为n=kp±1 ，可知当脉波数p增大，n也相应增大。而In≈I1/P，故谐波电流将减少。12脉波整流机组注入电网的主要是12k±1（k=1，2，3…）次谐波，最低次为11、13次；24脉波整流机组注入电网的主要是24k±1（k=1，2，3…）次谐波，最低次为23、25次。

5 结束语

采用24脉波整流机组，网侧电流谐波含量大大降低，减少了对电网的污染；同时输出直流电压的纹波系数较小，直流电压质量较高，为机车提供了优质稳定的电能。24脉波整流机组总的费用虽然会较12脉波整流机组有所增加，但与其所获得的性能提升相比是微不足道的。有资料显示，使用国产24脉波整流机组，电流谐波的含量比12脉波整流机组减少了约50％，而其成本仅增加了约15％。因此，24脉波整流机组将在地铁中得到越来越广泛的应用。

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The mechanism analysis of 24-pulse recti fi er unit for city track traf fi c

LI Zhi-wei，QIU Rui-chang，LI Shu-ying，XI Hai-kuo
（Beijing Engineering Research Center of Electric Rail Transportation，The School of Electrical Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China ）

This paper analyzes the mode of connection and the principle of the 24-pulse rectifier of DC power supply system of city track.Taking advantage of SIMULINK in MATLAB，a simulation on 24-pulse rectifier unit is also taken；meanwhile harmonic current with Fourier series is analyzed.The results show that 24-pulse rectifier unit can reduce the pollution of the grid.At the same time，the output DC voltage ripple coefficients become smaller.

24-pulse rectifier unit；axial double split transformer；stretch triangle；harmonic analysis

TN710.1

A

1674-6236（2014）11-0057-04

2014-04-07 稿件编号：201404055

国家科技支撑项目（2013BAG24B01）

李智威（1988—），男，山西吕梁人，硕士研究生。研究方向：电力电子与电力传动。