城市轨道24脉波整流机组研究分析

戴丽君，蒋亚威，邢光兵

(1. 南京铁道职业技术学院电力工程学院，南京　210031；2. 苏州大学城市轨道交通学院，苏州　215131 )

城市轨道24脉波整流机组研究分析

戴丽君1，蒋亚威2，邢光兵2

(1. 南京铁道职业技术学院电力工程学院，南京210031；2. 苏州大学城市轨道交通学院，苏州215131 )

摘要：阐述了当前城市轨道交通直流供电系统24脉波整流的原理，并且使用MATLAB/SIMULINK编程软件对直流供电牵引系统的整流设备进行建模与仿真，根据其仿真结果分析了24脉波整流机组的工作特性，给出了其仿真波形，并根据仿真波形介绍24脉冲整流的优劣；同时也对24脉波整流直流侧的谐波进行了分析，并根据模型仿真的结果以及相关谐波的分析给出了抑制谐波的方法。

关键词：24脉波整流机组；地铁牵引系统；谐波电流

124脉波整流原理简介

目前，地铁广泛使用的整流系统是24脉波整流。24脉波整流机组是由两套12脉波整流机组并联而成，然而只是简单的将两套12脉波整流机组并联工作并不能增加其输出波形的脉冲次数，只有当两套机组的整流变压器的输入电压相差15°时，才能使输出波形的脉冲次数在一个周期内为24次。网侧使用移相变压器并联工作分别移相+7.5°，-7.5°，从而形成等效24脉波整流机组。其等效原理图如图1所示。

图1　24脉冲整流机组主电路原理图

移相变压器是24脉冲整流器中关键的部件之一，交流变压器输出的三相交流电经过移相变压器的相位偏转，使输出的多相的电压幅值大小相等、相位相差一定角度。目前使用的移相变压器的绕组连接方式有很多种，例如：延边三角形、曲折三角形、六边形等。由于线圈的滞后效应，变压器的二次线圈感应出来的电压相对原来输入的电压就产生了一定的相位差。根据变压器内绕组不同的接线方式，可以使电压偏离需要的相位。在24脉冲整流机组整流中使用的移相变压器是延边三角形的接法，通过延边三角形的接法使变压器的输入电压和输出电压的相位之间形成±7.5°的相位差[1-3]。

224脉波模型仿真结果与分析

根据上述原理在MATLAB/Simulink编程软件平台上搭建了24脉波整流电路的仿真模型，如图2所示。

为了简化模型，在这里假设供电侧三相电压为平衡电压，供电侧的输入电压不含有谐波分量；不考虑整流机组的内阻、线圈损耗；忽略二级管电压降、电阻；整流机组各部分运作正常无故障。

图2　24脉冲整流机组仿真模型

变压器参数设为：一次侧电源的短路容量为100MVA，采用轴向双分裂式三绕组整流变压器,额定容量3 450kVA，一次侧额定电压35kV，二次侧额定电压1 180V[4]。仿真结果如图3、图4所示。

图3　24脉冲整流机组直流侧输出电压

图4　24脉波网侧谐波频谱

从图3仿真波形图可以看出,直流侧输出电压在1个周期0.02s有24次脉动, 每个脉动间隔为π/24。电压幅值在1 550V左右浮动，浮动幅度在15V左右。基本符合地铁1 500kV供电要求，浮动较小，谐波分量少。从图4可以看出24脉波整流机组产生的主要是23和25次谐波，其含量小于0.01%。

通过与12脉波、36脉波、48脉波整流机组的对比可进一步说明24脉波的优点。12脉波、36脉波、48脉波整流机组的仿真结果如图5、图6、图7、图8、图9、图10所示。

图5　12脉冲整流机组直流侧输出电压

图6　12脉波网侧谐波频谱

图7　36脉冲整流机组直流侧输出电压

图8　36脉波网侧谐波频谱

图9　48脉冲整流机组直流侧输出电压

图10　48脉波网侧谐波频谱

通过对12脉波、24脉波、36脉波、48脉波整流机组模型仿真数据研究分析，可以看出随着整流设备脉冲次数的增加谐波含量会随之减少，并且输出的直流电压波形的波动幅度也相对减少。在这里对上述数据进行整理分析。数据见表1。

通过表1可以看出4组整流装置的输出电压都符合地铁1.5kV的要求。但是12脉波整流的电压波动较大，其波动百分比为3.23%；48脉波的波动最小，其波动百分比为0.33%；但相对24脉波、36脉波整流来说提升空间不是很大。就谐波含量而言，12脉波谐波含量最高，约为1.16%，且谐波次数较低，对电网的污染较大。其中48脉波整流对谐波的抑制最有效，对低次谐波的抑制最为明显。但是当整流脉波次数高于24时，谐波的含量就已经小于0.01%，虽然采用36或48脉波整流对谐波的抑制会有所提高，但是其效果相比24脉波提升不是很大。

表1　12、24、36、48 脉波整流数据分析

目前，依然有地铁线路在使用12脉波整流。例如，上海地铁1号线和广州地铁1号线采用12脉波整理设备，这套设备投入运行后其谐波电流值都比国标允许值低。广州地铁公司专门将列车装沙袋模拟乘客，发车间隔按设计高峰小时2分钟，做了满负荷运行时的实验。实测结果表明，当使用12脉波整流的时候，不需要设置滤波装置也能符合国家标准对谐波电流的规定。目前我国的牵引供电设计中普遍采用24脉波整流，这种整流方式得到的谐波电流值比采用12脉波整流减少50%。因此我们在设计牵引供电系统时也没有必要预留装设滤波器的房间，以节省建筑面积和设备投资。

整流设备作为地铁牵引系统的重要组成部分，其造价相对较高，随着整流脉波次数的增加，对设备的工艺要求随之提高，建设成本也会大幅提高。同时36与48脉波整流机组发生故障的概率相对24脉波较大，建成后的维修管理难度大，成本高。

3结语

通过仿真分析，综合考虑整流效果、谐波抑制、建设成本、维修管理等因素，24脉冲整流方案为目前最优方案。因此，目前地铁牵引整流系统广泛使用24脉波整流方式。

整流器是电网中的主要谐波源，通过模型结果分析可知，对于三相整流负载，产生的主要谐波是kn±1(n为整流脉波数)次谐波。因此通过减小谐波含量来提高整流脉波次数的方法是今后发展的一个主要趋势。移相变压器作为整流重要组成部分之一，随着人们对它的深入研究，移相变压器的设计优化等方面已经有了很大的进展。但是通过模型的仿真与结果的分析可以发现一些问题。例如，移相变压器的精度要求会随着整流的脉波次数提高而大幅提高，同时数量也会提高。这就使得移相变压器及配件的成本提高。

谐波给城市轨道交通供电系统带来了无法忽略的影响。所以必须在分析和建立模型的前提条件下，对谐波采取措施进行抑制，抑制谐波的基本方法有：在谐波源处降低谐波含量、在谐波源处吸收谐波电流、改善供电环境这三条。

根据上述的三条基本方法，具体到地铁供电系统中，抑制谐波的主要措施有：

(2)整流变压器接线方式。当使用同一母线给2台以上整流机组供电时，可将其一次侧绕组分别接成星形和三角形，这样就可以使5、7次谐波相互抵消，而只需考虑高次谐波，而高次谐波幅值小，相应的危害也减小。

(3)通过保持三相电压平衡可以有效减小谐波对电网的影响。对谐波源负荷由专业线路供电，可以减小谐波对其他负荷的影响，有助于抑制谐波。

整流变压器的作用是将城市电网电压转变为整流装置所需的电压，并通过改变相数及相位角来满足网侧和阀侧正常运行对电压的要求。

参考文献：

[1]苗彦英.城市轨道交通[M].北京：北京科技出版社，1994.

[2]赵顺,曾志.地铁24脉波整流机组特性及谐波分析[J].电子元器件应用，2012(01):78-80.

ZHAOShun,ZENGZhi.Thesubway24pulserectifierunitcharacteristicandharmonicanalysis[J]．ElectronicComponent&DeviceApplications，2012(01):78-80.

[3]于松伟，杨兴山，韩连祥，等.城市轨道交通供电系统设计原理与应用[M].成都:西南交通大学出版社，2008.

[4]ZHANGJ,XIEZ,ZHANGJ,etal.HightemperaturePEMfuelcells[J].JPowerSources, 2006.

(本文编辑：杨林青)

Research on 24-Pulse Rectifier Unit of Urban Rail

DAI Li-jun1，JIANG Ya-wei2, XING Guang-bing2

(1.NanjingInstituteofRailwayTechnology,Nanjing210031,China；2.SchoolofUrbanRailTransit,SuzhouUniversity,Suzhou215131,China)

Abstract:This paper briefly discusses the principles of the current urban rail transit DC power supply system 24-pulse rectifier and uses MATLAB/SIMULINK programming software to model on and simulate DC power rectifier equipment traction system. Based on the simulation results, the 24-pulse rectifier unit operating characteristics are analyzed, the simulation waveforms are formulated, and the advantages and disadvantages are described. Meanwhile, the harmonic 24-pulse rectifier DC side is analyzed, and the harmonic suppression methods are proposed based on the simulation results analysis.

Key words:24-pulse rectifier unit; metro traction system; harmonic current

DOI：10.11973/dlyny201601011

作者简介：戴丽君(1967)，女，副教授，从事铁道供电领域铁道电气化研究。

中图分类号：U271

文献标志码：A

文章编号：2095-1256(2016)01-0052-04

收稿日期：2015-11-04