基于变压器延边三角形接法的城轨24脉波整流机组的研究

陈　欢，宋平岗，章　伟，游小辉，周振邦（华东交通大学电气与电子工程学院，江西南昌330013）

研究与综述

基于变压器延边三角形接法的城轨24脉波整流机组的研究

陈欢，宋平岗，章伟，游小辉，周振邦
（华东交通大学电气与电子工程学院，江西南昌330013）

分析了城轨交通牵引供电系统中基于移相整流变压器网侧绕组延边三角形接法的24脉波整流机组工作机理，对移相变压器的移相及其对网侧电流谐波相消进行了公式推导。基于Matlab／Simulink构建城轨24脉波整流机组模型并仿真。对整流机组网侧和直流侧的电流谐波进行FFT分析，得出其分布规律，验证了所推导的谐波电流相消公式的正确性。最后对整流机组输出的直流电压纹波系数进行计算，计算结果表明其输出的直流电压能够满足牵引网直流母线电压所需的供电质量要求。

牵引供电系统；24脉波整流机组；延边三角形接法；谐波；FFT

1　引言

供电系统作为城轨交通中至关重要的一环，其主要包括牵引供电系统、中压环网系统以及低压供配电系统等3大部分［1］。而其最核心的部分就是牵引供电系统。它为城轨交通维持正常有序安全的运行提供了强有力的供电保障。牵引变电所中的整流机组经由城市中压交流系统引入供电电源（根据工程概况的不同，国内通常采用的城市中压供电系统电压有AC 10kV、33kV、35kV三种制式），然后经整流机组降压整流成DC1500V或DC750V，输出至牵引网，为城轨列车提供牵引动力。然而以往采用的6脉波、12脉波整流机组在运行过程中产生的谐波电流会对城市电网产生较大的谐波干扰。为减少其影响，同时改善整流装置输出的电压纹波，提高牵引网直流母线电压的供电质量，近年来，越来越多的城轨交通牵引变电所开始装设24脉波整流机组，因此对24脉波整流机组进行研究具有相当的实际应用价值。

2　24脉波整流机组的工作机理

牵引变电所中的24脉波整流机组主要由2台相同容量的12脉波轴向双分裂式牵引移相整流变压器和4组由三相全波整流桥构成的整流器2部分共同组成［2］，图1所示为其原理图。

图1　24脉波整流机组原理图

整流机组中的每台整流变压器阀侧有两套低压绕组。分别采用Y型接线和△型接线，这样整流变压器阀侧的2套绕组的线电压就天然形成30°的相位角。2台整流变压器的网侧绕组采用2种不同的延边三角形接线方式进行移相，左延△接法实现移相＋7.5°，右延△接法实现移相－7.5°［3］。通过这种移相处理，得到的4套阀侧绕组的线电压就互差15°的相位角。它们各自经过由三相全波整流桥构成的整流器整流，在4组整流器的直流侧并联运行，组成2×12脉波整流系统，从而向牵引网输出24脉波的直流电源，为城轨列车提供牵引动力。

3　移相变压器移相

24脉波整流机组采用移相整流变压器实现移相±7.5°。这种特殊的变压器一次侧绕组一般采用延边三角形接法，二次侧绕组采用Y型或者△型接法［4］。为了叙述方便，将一次侧延边接法二次侧Y型接法的移相变压器简称Ⅰ类移相变压器，一次侧延边接法二次侧△型接法的移相变压器简称Ⅱ类移相变压器。下面分别对这两种移相变压器如何实现移相进行研究。

3.1Ⅰ类移相变压器移相

如图2（a）所示为Ⅰ类移相变压器的绕组接线图，如图2（b）所示为其向量图。图中θ为二次侧线电压Vab滞后一次侧线电压VAB的角度。

图2　Ⅰ类移相变压器的绕组接线图及其向量图

考虑三相对称系统，VBY＝VAX，式（2）可改写成：

不考虑线圈磁通饱和情况，线圈上的电压与其匝数成正比，得到：

同理，可以推导得到：

由于VBY＝VAX，则得到：

将式（7）代入式（6），得到：

由于Vax＝Vab，则变压器一次侧延边绕组和△绕组的匝数比为：

式中：－30°≤θ≤0°。根据式（4）和式（9），可知：当变压器一、二次侧线电压VAB、Vab给定时，通过改变一次侧延边绕组、△绕组以及二次侧绕组的匝数，就可实现移相不同的角度θ。反之，当移相角θ给定时，N3、N2与（N1＋N3）的比例也就确定了。

3.2Ⅱ类移相变压器移相

Ⅱ类移相变压器的绕组接线图及其向量图如图3所示。图中θ为二次侧线电压Vab滞后一次侧线电压VAB的角度。

图3　Ⅱ类移相变压器的绕组接线图及其向量图

基于与Ⅰ类同样的分析方法，可推导出变压器一次侧延边绕组匝数N3、△接绕组的匝数N1以及二次侧绕组匝数N2与移相角θ的关系式，式中

4　移相变压器网侧谐波消除

24脉波整流机组本质上是由2个分别移相±7.5°的12脉波整流器组成［5］。以图4所示的24脉波串联型二极管整流器为例对移相变压器的网侧电流实现谐波消除进行了数学公式推导。为了分析方便，其中24脉波二极管整流器的输出端带大电感负载。

图4　24脉波整流器网侧电流谐波相消原理图

考虑三相对称系统，假定移相变压器网侧输入电压ea、eb、ec为：

以A相为例，网侧输入电压ea经过24脉波整流器中的移相变压器移相后，在变压器的二次侧会得到4组相位依次相差15°的相电压ea1、ea2、ea3、ea4，分别表示为：式中：E赞′m为移相变压器的输出电压的峰值。

综合A、B、C三相，图中整流器的输出侧带有大电感负载，使得每组三相不可控全波整流桥在一个周期内输入的相电流为120°的方波电流。

图4中移相角θ＝－7.5°的整流桥输入电流为：

同理可以推导出其它3组整流桥输入的A相电流Ia2、Ia3、Ia4：

则流入变压器一次侧A相的网侧电流IA为：

式（17）中，折算到变压器一次侧电流中的5、7、11、13、17、19…次谐波的值为0，使得网侧电流只存在24k±1次谐波，从而实现网侧电流部分低次谐波相消。

变压器制造商常用以下2种联结组方式构成24脉波整流变压器：①1＃变压器采用Dy11Dd0联结方式，2＃变压器采用Dy1Dd2联结方式（分别实现网侧A、B、C三相相电压移相±7.5°）；②1＃变压器采用Dy5Dd0联结方式，2＃变压器采用Dy7Dd2联结方式［6－8］。

本文对基于第一种联结组方式构成的24脉波整流机组进行研究，它具有以下特征：①两台整流移相变压器之间的互换只需改变变压器一次侧接入电网相序即可实现；②电流的3的倍数次谐波在采用D接线网侧绕组中流通会形成环流，谐波电流不能注入到电网，从而减小其对电网的危害［9－12］。

5　24脉波整流机组仿真分析

本文基于Matlab／Simulink构建24脉波整流机组模型进行仿真。为保证每台变压器阀侧的2组整流器输出线电压相等，采用Y－Δ接法的阀侧Δ接绕组与Y接绕组的匝数应满足关系由于整流机组采用轴向双分裂式整流变压器，这使得阀侧绕组本身具有相对较大的短路阻抗，因此模型中不需设置桥间平衡电抗器［13］。仿真中为得到24脉波整流机组空载运行和带载运行2种运行方式的直流电压输出特性图，设置了断路器‘Breaker’。参考南方某城市的城轨交通牵引供电系统24脉波整流机组的相关资料，仿真模型主要参数设定如表1所示，仿真时间设置为0.06s，仿真结果如图5所示。

表1　仿真模型主要参数值

图5（a）为24脉波整流机组的电压输出特性图。0.025s时刻之前，整流机组空载运行，空载输出电压udc的平均值为1523.1V；0.025s时刻，断路器工作，整流机组带载运行，输出电压平均值为1507.8V。机组空载运行和带载运行时的输出电压值均满足国家标准IEC164的要求（直流侧空载和带载运行时，整流变压器施加33kV的交流电压时，直流侧输出电压不超过1800V）。图5（b）为整流机组空载运行时的输出电压波形放大图。电压波形在一个交流周期0.02s之内脉动24次，每个脉动的角度间隔为15°且脉动较为平稳。图5（c）为带电阻负载运行时网侧电流波形图，电流波形接近正弦波。图5（d）为带相同负载时其输出侧的电流波形图，与图5（a）中带载运行时输出的直流电压波形一样，两者之间存在1：R的比值关系。图5 （e）和5（f）为24脉波整流机组网侧电流和直流侧电流的谐波频谱图。由图可知24脉波整流机组网侧和直流侧电流谐波分布规律为：网侧电流只含有24k±1次谐波，输出侧电流只含有24k次谐波。

图5　24脉波整流机组仿真结果

图5（g）和图5（h）为12脉波整流电路网侧电流和输出侧电流的谐波频谱图。对比图5（e）和图5（g）的谐波频谱，可知24脉波整流机组使变压器二次侧折算到网侧的电流的11、13、35、37次…等谐波实现相消，从而减小谐波含量。仿真结果验证了变压器网侧谐波相消数学公式推导的正确性。对比图5（e）和图5（g）中的THD值，可知24脉波整流机组可以大幅降低网侧电流的THD值，使馈入电网的谐波电流满足IEEE519－1992的谐波标准。由图5（f）和图5（h）得出：整流电路采用的相数越多，输出的整流电压中最低次谐波频率越高，其幅值越小，越接近直流电压，提供给牵引网的电能质量越好。综上可知，24脉波整流机组具有非常好的谐波性能。

由图5（a）、5（b）可知24脉波整流机组输出的直流电压是脉动的，所以其必然存在着谐波。直流侧谐波的存在一方面会对城轨交通的信号以及通信系统产生干扰，同时也会提高城轨交通第三轨的电位，从而影响城轨列车的正常运行［14－16］。为了验证24脉波整流机组输出直流电压是否能够满足牵引网直流母线电压所需的供电质量，以纹波系数作为参考指标对其进行分析。

假定m为整流电路的脉波数，Uac为整流器输入交流相电压的有效值，Ud为整流电压有效值。Udo为整流电压基波分量有效值，Udn为整流电压第n次谐波分量的有效值。其中电压的谐波分量有效值又称为纹波电压［16］。

其中：Ud、Udo、Udn三者满足关系式：

输出整流电压的纹波系数用λ

u

表示，则：

分别将m＝3、6、12、24、36…等代入式（21）中，计算得到不同相数时的输出直流电压纹波系数值，如表2所示。

表2　不同相数时的电压纹波系数值λu（%）

由表2可知，随着整流电路相数的增加，电压纹波系数值不断减小。24脉波整流机组输出的直流电压纹波系数为0.616%，从纹波系数角度来看，其输出直流电压满足牵引直流母线电压所需的供电质量要求。

6　结论

搭建城轨交通24脉波整流机组仿真模型，对其网侧和直流侧的谐波电流进行FFT分析，得出了其分布规律：脉动数为m的整流电路，其直流输出侧只含有n＝km次的谐波电流，交流侧只含有n＝km±1次的谐波电流，验证了所推导的移相变压器网侧谐波消除数学公式的正确性。基于多重化技术的24脉波整流机组能够大大降低网侧低次谐波电流含量，减少对城市电网产生的谐波污染，输出的直流电压在纹波系数上能够满足牵引网直流母线电压所需的供电质量要求，可以为城轨车辆的稳定运行提供安全可靠的电能保障。24脉波整流机组将成为城轨交通牵引供电系统整流装置的主流。

［1］全恒立.城市轨道交通混合式牵引供电装置关键技术与性能优化研究［D］.北京：北京交通大学，2013.

［2］李良威，李群湛，刘炜.24脉波整流器外特性仿真及其在城市轨道交通中的应用［J］.城市轨道交通研究，2007，10（10）：52－55.

［3］董海燕，田铭兴.地铁直流牵引供电系统整流机组的仿真分析［J］.电气传动自动化，2010，32（05）：31－33.

［4］Bin Wu.大功率变频器及交流传动［J］.北京：机械工业出版社，2008.

［5］马化盛.二十四脉波整流变压器联结组的变换［J］.变压器，2007，44（01）：5－8.

［6］苏劼.城市轨道交通能馈式牵引供电系统的应用研究［D］.北京：北京交通大学，2009.

［7］HARNEFORS L，PIETILAINEN K.Inverter DC－link Stabilizing Control with Improved Voltage Sag Ride Through Capability［M］.Proceedings of European Conference on Power Electronics and Applications.Dresden，2011.

［8］杨丰萍，陈振华，李玉庆.地铁微机控制直通电空制动系统研究［J］.华东交通大学学报，2014（03）：55－59.

［9］AKAGI H，WATANABE E H，AREDES M.Instantaneous Power Theory and Applications to Power Conditioning［M］.New York：Wiley－IEEE Press，2011.

［10］孟飞.地铁直流牵引供电系统馈线保护研究［D］.南昌：华东交通大学，2012.

［11］董海燕，田铭兴，杜斌祥，等.地铁24脉波整流机组的仿真及谐波电流分析［J］.电源技术，2011，35（05）：31－34.

［12］全恒立，刘志刚，张钢，等.地铁24脉波整流器空载直流侧谐波特性分析［J］.铁道学报，2012，34（03）：28－33.

［13］张钢.城市轨道交通能馈式牵引供电变流系统关键技术研究［D］.北京：北京交通大学，2010.

［14］毛文喜.城市轨道交通牵引供电系统整流器研究［D］.长沙：湖南大学，2007.

［15］李建民，孙建设.城市轨道交通供电系统谐波分布研究［J］.电测与仪表，2008，45（02）：1－6.

［16］冷寒.地铁供电系统谐波电流和无功功率综合治理研究［D］.成都：西南交通大学，2012.

Research on simulation of urban rail 24－pulse rectifier unit based on transformer extended delta connection

CHEN Huan，SONG Ping－gang，ZHANG Wei，YOU Xiao－hui，ZHOU Zhen－bang
（SchoolofElectricalandElectronicEngineering，
EastChinaJiaotongUniversity，Nanchang330013，China）

At present，most of domestic urban rail transit traction substations adopt 24－pulse rectification unit to rectify the AC power which is lead in from the step－down transformer substation.The working mechanism of 24－pulse rectifier and the basic principle of the modulation theory are presented.Starting from the three－phase full bridge rectifier circuit of the pulse wave，the 24 pulse rectifier voltage and current switching functions are derived gradually without considering the commutation angle.Basing on the modulation theory and FFT analysis method of time domain，the harmonic characteristic of 24 pulse rectifier at the DC side is analyzed.Finally，the correctness and the reliability of the characteristic harmonics distribution at the DC side are proved by simulation with Matlab／Simulink，which provides a new method for the harmonic analysis of 24－pulse rectifier unit.

traction power supply system；24－pulse rectifier unit；extended delta connection；harmonic；FFT

TM461

A

1005—7277（2016）01—0001—06

陈欢（1991－），男，硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动。

宋平岗（1965－），男，教授，博士，博士生导师，研究方向为电力电子与再生能源系统以及电力电子与电力传动。

2015－10－30