城轨24 脉波整流直流侧滤波回路应用与仿真

郭锦荣

（北京市轨道交通运营管理有限公司，北京 100068）

1 24 脉波整流在轨道交通中的应用

1.1 城市轨道交通现状

目前，中国的城市轨道交通牵引供电系统大致划分为牵引变电所和牵引网2 部分，把从主变电所或电源开闭所传递过来的三相高压交流电经降压、整流等功能后传递给地铁列车。

每个变电所配置2 套整流机组，每套整流机组由1台牵引变压器和1 台整流器组成[1]。等效24 脉波整流电路由2 套12 脉波的轴向双分裂式牵引整流变压器并联而成；每台12 脉波整流变压器由2 个三相桥式整流器并联，且其低压侧（阀侧）绕组相位相差30°；每台12 脉波整流变压器的电源侧（网侧）绕组采用延边三角形接线，各台移相分别为+7.5°和-7.5°；2 套12 脉波整流机组输出端并联后向牵引网合成输出等效24脉波直流电。

1.2 24 脉波整流的应用优势

在工程实际应用中，24 脉波整流器具有谐波抑制率高、直流输出电压质量高、运行可靠性高、设备成本低等优势。

1.2.1 谐波抑制率高

选取整流变压器网侧电流A 相做参考，对其进行傅里叶级数分解，可知24 脉波整流机组注入电网的谐波次数主要为24k±1，且谐波次数越高，谐波含量越少。相较6 脉波整流和12 脉波整流，24 脉波整流的谐波抑制效果更佳，对电网的污染更小。

1.2.2 直流输出电压质量高

2 台整流机组并联运行时输出的等效24 脉波空载电压为：

式（1）中：U2为整流变压器阀侧空载线电压。

由式（1）可知，24 脉波整流机组直流侧电压在一个周期内脉动24 次，它的脉波宽度为，相比6 脉波和12 脉波，其电压波形更平缓，纹波系数更小。

1.2.3 运行可靠性高

城市轨道交通行业采用的整流器普遍配置快速熔断器保护功能、过电压保护、温度保护、逆流保护等，当发生过流、过压、超温等情况时，能有效保护设备运行，且每组整流模块由多个电力二极管组成。例如北京地铁19 号线为每组3 个电力二极管，燕房线为每组2 个电力二极管，这样，当模块内的1 个二极管出现故障退出运行时，剩余的二极管能继续运行，提高设备可靠性。

1.2.4 设备成本低

由于电力二极管为不可控器件，这样就避免了复杂的控制电路，且国内高功率电力二极管已技术成熟，成本较低。

2 LC 滤波回路在轨道交通中的应用

2.1 LC 滤波回路的应用

LC 滤波回路主要由线路电抗器与支撑电容器构成。在直流回路加入电抗器，能将直流电流上叠加的交流分量过滤，使其限制在规定值内，减小电流的脉动。直流回路中的支撑电容能够保持直流电压稳定，将电压波动限制在允许范围内，抑制电网电压突变和操作过电压。

此外，在支撑电容未充电的情况下，如果突然接入DC1 500 V 额定电压，会产生较大的冲击电流，对电容器造成损伤。为避免上述情况发生，设置预充电电路，该电路由主接触器、充电接触器和充电电阻组成，通过控制主接触器和充电接触器的闭合顺序即可完成对支撑电容的预充电过程[2]。

典型VVVF 型牵引逆变器主电路中的预充电电路及滤波回路主要器件有充电电阻R、线路电抗器L 和支撑电容C，如图1 所示。

图1 典型VVVF 型牵引逆变器主电路示意图

2.2 LC 滤波回路的计算分析

将上述滤波回路等效为一个典型的RLC 二阶零状态电路，北京地铁19 号线的该回路的参数如表1 所示。

表1 RLC 电路参数

该回路的状态方程可写为：

代入参数后，解得：

3 24 脉波整流器直流侧滤波回路仿真分析

3.1 24 脉波整流机组建模

根据24 脉波整流机组电路拓扑，搭建了如图2 所示的MATLAB/SⅠMULⅠNK 仿真模型。首先接入三相电压源，之后是2 台移相变压器，分别移相+7.5°和-7.5°，每个移相变压器分别与2 台整流变压器相连，其中一台变压器绕组接成Dy11/Dd0，另一台变压器绕组接成Dy1/Dd2，能使最终各相之间相差15°，从而一个2π周期内能够产生24 个脉波；接着是4 组不控整流桥，各组桥都由三相二极管整流电路构成，各桥直流输出侧所有正极相连，所有负极相连，并各自引出一条连接线与负载相连。

图2 24 脉波整流机组仿真模型

3.2 滤波回路建模

图3所示为基于MATLAB/SⅠMULⅠNK仿真软件的直流侧滤波回路仿真模型，主要器件有充电电阻R、线路电抗器L 和支撑电容C，参数按照表1 进行设置。其中充电电阻R 串联一个理想开关，模拟充电接触器，再并联一个理想开关，模拟主接触器。

图3 直流侧滤波回路仿真模型

3.3 仿真分析

将上文所述的24脉波整流机组和直流侧滤波回路分别进行封装，然后将直流侧正极相连、负极相连。运行仿真后，得到直流侧电压波形，电压值稳定在约1 650 V。将此电压波形放大，视0.20～0.22 s 为一个周期，如图4 所示，可以清晰看到24 个脉波。

图4 直流侧24 脉波电压波形

整个仿真共持续25 s，得到的支撑电容电压波形如图5 所示。在开始时，主接触器和充电接触器保持在断开状态。在1 s 时，充电接触器闭合，预充电回路接通，开始支撑电容的充电过程。到20 s 时，支撑电容电压已基本接近1 650 V，此时断开充电接触器，闭合主接触器，支撑电容两端电压稳定在1 650 V。通过测量波形在1～20 s 的电压，可以发现波形曲线与式（2）基本一致。

图5 支撑电容电压波形

当不引入充电电阻时，运行仿真，得到的充电电流波形如图6 所示。根据北京地铁19 号线的列车参数，充电电流峰值可达6 000～7 000A，充电过程为40～50 ms。

图6 不含充电电阻时的充电电流波形

而当引入充电电阻时，运行仿真，得到的充电电流波形如图7 所示。根据北京地铁19 号线的列车参数，充电电流峰值为35～40 A，充电过程持续10 s 以上。

图7 含充电电阻时的充电电流波形

由此可知，在滤波回路中设置预充电电路之后，直流侧如果突然接入DC1 500 V 额定电压，也能够避免产生较大的冲击电流，防止对电容器造成损伤和引起保护装置误动作，但是充电的时间会相对延长。