长沙市轨道交通1号线整流机组的应用研究

0 引言

国内城市轨道交通采用的24脉波整流机组通常由2台整流变压器和2台12脉波整流器构成，是地铁牵引传动系统中的整流设备，其主要任务是为地铁列车提供直流电源。而长沙市轨道交通1号线所采用的24脉波整流机组由2台12脉波整流变压器和4台6脉波整流器构成。对于整套完整的整流设备，该整流机组的总元器件数量多于国内其他线路采用的数量，在柜体、二极管、熔断器、散热器、PLC等材料设备费用上稍高于传统线路的设备投资。从另一方面看，其散热器数量、抗脉冲电阻数量等都比仅由2台12脉波整流器构成的整流机组要多，提高了设备的可靠性，改善了整流机组的散热性能和抗脉冲电流性能，降低了整流机组故障率，延长了设备的使用寿命，减小了运营事故及维护成本。因此长沙市轨道交通1号线采用的整流机组在实际应用方面有其独特的优势，下文对其谐波、散热性能、抗脉冲电流等特性进行深入分析。

1 整流机组结构及工作原理

城市轨道交通供电系统中牵引变电所主接线包括直流受馈电和高压交流受配电2部分，其中整流机组承担了交流转直流的重任。为了减小输出直流电压中的脉动数、谐波含量，实现单纯的整流功能，通常采用六相、十二相、二十四相等脉波整流方式。长沙市轨道交通1号线整套整流机组包含2台12脉波轴向双分裂式整流变压器和4台6脉波整流器，其中整流变压器绕组侧采用d接线法和y接线法，线电压相位相差30°；网侧采用三角形接法，移相±7.5°，2台整流变压器输出线电压相位互差15°，并经过4台并联的6脉波整流器构成24脉波整流。24脉波整流机组主电路如图1所示。

图1 24脉波整流机组主电路

2 整流机组仿真建模

长沙市轨道交通1号线的整流机组采用24脉波整流，实施方案为：在每座牵引变电所设置4台12脉波整流器，型号为ZQA-1000/1500，额定容量为1 500 kW×2，经4台6脉波整流器并联运行，得到等效24脉波方式的整流机组。实践证明，该方式构成的整流机组性能可达到地铁日常运营的标准要求，过载能力也能够达到国际电工委员会IEC60146 VI级的标准。所采用的12脉波整流变压器型号选用3300/35型，该型号整流变压器的额定容量为ZQSCB10-3300/35，具有抗负荷冲击性能好、损耗小、体积小、防火、安全可靠等优点。

基于等效24脉波整流机组结构，通过Matlab/Simulink软件搭建整流机组的时域仿真模型，以分析24脉波整流机组的谐波特性。仿真模型的搭建步骤为：（1）新建一个Simulink模型；（2）在模块库中选择移相变压器、三绕组变压器、整流器、负载电阻、测试单元等模块；（3）将各个模块连接，完成24脉波整流机组仿真模型的搭建。

仿真模型参数与长沙市轨道交通1号线整流机组的实际运行参数相符，其中整流变压器容量为3 300 kV·A，变比为35 kV/1 180 V，工频电压和冲击电压分别为30 kV、170 kV，整流变压器采用D（±7.5°）y11d0接线方式，输出电压为 DC 1 500 V，负载电阻为纯阻性。图2所示为长沙市轨道交通1号线整流机组的时域仿真模型。

图2 24脉波整流机组模型

24脉波整流机组仿真模型所采用的参数如表1所示。

表1 24脉波整流机组仿真参数

在仿真过程中需注意以下2点：（l）图2中左上角的Powergui模块是Simpowersystems中自带的频谱分析工具箱，可用于分析电压/电流信号的谐波含量及阻抗频率等特性，仿真时必须加入；（2）Simulink中有2种类型的连线，一种为信号线，具有方向性，另一种为电力线，无方向性，2种不同类型线路无法直接相连，因此无法将示波器直接连接到线路中，需借助测量模块将两者联系起来，如图2中的Current和Voltage。

直流电压仿真波形如图3所示，可发现，直流侧电压波形中出现脉动电压波形。将波形放大，观察一个周期 （0.02 s）可知其在0.02 s内脉动24次，脉动间隔为15°。

图3 24脉波下直流电压仿真波形

为进一步分析长沙市轨道交通1号线整流机组的性能，考虑搭建通用的12脉波整流机组时域仿真模型，以模拟国内其他地铁线路12脉波整流机组的运行输出特性。图4为所搭建的12脉波整流机组仿真模型，其仿真参数如表2所示。

图4 12脉波整流机组模型

表2 12脉波整流机组仿真参数

设定相关的仿真参数后，可得到12脉波整流机组输出的直流电压波形，如图5所示。图中直流电压在一个工频周期内脉动12次，其波动间隔为30°。仿真结果与实际情况相符，说明所搭建的仿真模型是可靠的。

图5 12脉波下直流电压仿真波形

对比分析图3和图5可知，对于24脉波的整流机组，其仿真输出的直流电压纹波小于15 V，而对于12脉波的整流机组来说，其仿真输出的直流电压纹波约为60 V。由此可得，整流机组所采用的脉波数越多，其输出端直流电压波动越小，供电质量也将相应提高。

3 整流机组谐波分析

3.1 直流侧电流谐波分析

负载为纯阻性时，整流机组输出的电压、电流波形相同。基于所搭建的12脉波和24脉波整流机组仿真模型，将仿真分析得出的直流电压数据进行频谱分析，如图6、图7所示。

图6 12脉波整流机组直流电压频谱

可以看出，图6中直流电压的总谐波畸变率为1.88%，主要谐波含量分布在12、24、36、48次，且随着频率的增高其含量呈现递减的趋势。主要谐波含量分布情况如表3所示。

表3 12脉波整流下输出直流电压谐波含量分布

图7中24脉波整流下其输出直流电压的总谐波畸变率为0.45%，主要谐波含量分布在24、48、72次，且随着频率的增高其含量呈现递减的趋势。主要谐波含量分布情况如表4所示。

由此可得出结论，12脉波下其输出主成分为直流分量，此外含有12k次的谐波分量，同时谐波分量呈现逐渐递减的规律；24脉波直流电压频谱包含了24k次的谐波分量，所包含的谐波分量也呈现了随着谐波次数的增大而递减的规律。基于上述分析可知，m脉波整流机组输出主要为直流电压分量，但同时也存在n=km，k=1,2,3,….次的谐波，脉动数m越大，输出的直流电压越平滑，谐波含量也越低。因此，24脉波整流机组比12脉波整流机组在输出直流电压的质量方面更加优越。

图7 24脉波整流机组直流电压频谱

表4 24脉波整流下输出直流电压谐波含量分布

3.2 交流侧电流谐波分析

运行12脉波整流机组的仿真模型，负载电阻为纯阻性，即可得到35 kV交流侧A相电流波形数据。然后对该数据进行傅里叶分解，可以得到12脉波整流机组的交流侧A相电流的谐波频谱，如图8所示。

图8 12脉波下A相电流频谱

图8中12脉波整流机组交流侧A相电流的总谐波畸变率为1.21%，主要谐波含量分布在11、13、23、25、35、37次，同时也存在谐波含量随谐波次数增大而减小的规律，其主要谐波含量分布情况如表5所示。对比该整流机组联调型式试验报告中实测的最大负载实验条件下12脉波交流侧电流波形频谱数据可知，仿真模型中12脉波整流下交流侧电流谐波含量分布规律与实测值十分相似（型式试验报告实测值：11次谐波含量为1.103%，13次谐波含量为0.530%），验证了仿真模型的正确性，同时也说明所总结的规律是有效的。

表5 12脉波整流下交流侧A相电流谐波含量分布

图9为24脉波整流方式下交流侧A相电流谐波含量频谱图。

图9 24脉波下A相电流频谱

图9中24脉波下交流侧A相电流总谐波畸变率为0.71%，主要谐波含量分布在23、25、47、49、71、73次，分布情况如表6所示。该仿真结果与该整流机组联调型式试验报告中实测的最大负载实验条件下24脉波交流侧电流波形频谱数据分布规律相同，验证了仿真模型的正确性。

表6 24脉波整流下交流侧A相电流谐波含量分布

由仿真结果可知，12脉波整流方式下整流器注入电网的特征谐波次数为12k±1次，11、13次谐波含量最大，然后随着谐波次数的增大含量递减；24脉波整流方式下整流器注入电网的特征谐波次数为24k±1次，其中23、25次谐波最为丰富，并随着谐波次数的增大，其含量逐渐递减。基于此可总结规律，24脉波整流相比12脉波来说，可降低交流侧电流总畸变率40%以上，大大降低了注入交流侧谐波的含量，减小了谐波污染。

4 散热性能及抗脉冲电流干扰性能分析

4.1 整流机组散热性能分析

由于长沙市轨道交通1号线每个牵引所内的整流机组比国内其他线路整流机组在柜体、二极管、熔断器等数量上有所增加，直接增强了设备稳定性，使设备的散热及耐受脉冲电流效果有了显著提升，降低了整流机组故障率，延长了设备的使用寿命，降低了运营维护成本。为更好地分析长沙市轨道交通1号线整流机组散热性能，将其与北京市轨道交通15号线整流机组进行对比，各选取3个不同站点，测试整流机组运行时的温度数据。正常运行时整流器顶部温度的统计如表7所示。

表7 正常运行时整流器顶部温度统计 ℃

从表7可以看出，正常运行时长沙市轨道交通1号线整流机组的温度在22.3℃～24℃之间，平均温度为23.1℃。由于北京市轨道交通15号线SCADA系统不具备检测整流器温度数据功能，因此需采用温湿度测试仪测量整流器的温度。将温湿度测试仪置于整流柜内顶部，测量整流器的顶部温度（与长沙市轨道交通1号线的SCADA系统温度测试点的布置相同），然后采用多次测试求平均值的方法来减小误差。经过统计，北京市轨道交通15号线整流机组的平均温度为25.2℃。

可以看出，采用4台6脉波整流器构成的整流机组，相对于国内其他多数线路采用2台12脉波整流器构成的整流机组，由于增加了一倍数量的散热器，其散热效果更优。

4.2 抗脉冲电流干扰性能分析

在整流器稳态运行时，需要综合考虑桥臂二极管的启动可靠性和减小直流纹波电压2个因素来选择滤波电容，以提高抗脉冲电流性能。其中为增强启动可靠性，可以加设限流电阻，而为了减小直流纹波电压，则需选择尽可能大的滤波电容。由4个6脉波整流器构成的24脉波整流机组在元器件及浪涌保护器数量上比由2个12脉波整流器构成的24脉波整流机组要多，故其抗脉冲电流的效果更好。

5 结语

通过搭建长沙市轨道交通1号线24脉波整流机组的时域仿真模型，同时建立常见的12脉波整流机组仿真模型，对比分析2种整流方式的交、直流侧谐波特性。仿真结果表明，24脉波整流方式下整流机组注入电网的谐波电流相对较少，减轻了对电网造成的谐波污染；其直流输出电压纹波小，谐波含量低，波形更平稳；由于整流机组散热器、二极管、浪涌保护器等元器件数量上的增加，使整流机组的散热性能及抗脉冲电流性能更为优良。

参考文献：

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