地鐵直流牽引供電系統整流機組的仿真分析*

董海燕，田銘興

（蘭州交通大學自動化與電氣工程學院，甘肅蘭州730070）

1 引言

地鐵直流供電系統主要由高壓電源系統、牽引供電系統和動力照明系統組成，其中牽引供電系統是地鐵直流供電系統的關鍵組成部分。在牽引供電系統中，主要的牽引供電設備由整流變壓器、整流器、直流開關柜、軌道電位限制裝置和1500V直流電力電纜構成。整流變壓器和整流器統稱為整流機組，是牽引供電系統的核心設備，它的作用是將環網電纜35kV AC經降壓整流輸出1500V DC供給地鐵接觸網，實現直流牽引。目前，我國地鐵牽引整流機組已經由12脈波向等效24脈波發展，并將以24脈波為主流。

本文使用MATLAB-Simulink的電力系統仿真模塊（Power System Blockset）建立24脈波整流機組主電路仿真模型，并對直流側諧波電流和饋入電網的諧波電流進行了分析。

2 24脈波整流機組的原理

24脈波整流機組的主電路原理圖［1]如圖1所示。整流機組主要由兩臺12脈波軸向雙分裂式牽引整流變壓器和4組全波整流橋組成。每臺變壓器閥側二套繞組分別接成d接法和y接法，其線電壓形成30°相差。兩臺變壓器的網側采用延邊三角形接法，分別移相±7.5°［2]。這樣形成的兩臺變壓器的四套閥側繞組的線電壓相量互差15°相位（閥側電壓向量圖如圖2所示），分別經全波整流后，在直流側并聯運行，構成24脈波整流機組。值得注意的是，當變壓器采用了軸向雙分裂式結構，閥側繞組間具有較大的短路阻抗（分裂阻抗），因此一般都不設橋間平衡電抗器。

圖1 24脈波整流機組主電路原理圖

圖2 閥側電壓相量圖

3 24脈波整流機組的模型建立

3.1 仿真模型建立

24脈波整流機組主電路仿真模型［3、4]如圖3所示。根據某地鐵線24脈波整流機組的參數（整流變壓器采用干式四線圈型式，整流變壓器的額定功率為3450kW，電壓比為35kV/1180V，空載電壓1640V，額定電壓1500V），依次設置模型參數。

3.2 電壓輸出特性

T1整流機組整流后輸出的空載直流電壓波形如圖4所示，其輸出直流側電流波形在一個周期中脈動12次，每個波動間隔為30°。

圖4 T1整流機組12脈波空載電壓波形

T2整流機組整流后輸出的空載直流電壓波形如圖5所示，同T1整流機組的輸出空載直流電壓波形具有15°的相位差。

圖5 T2整流機組12脈波空載輸出電壓波形

2臺整流機組并聯運行即為24脈波整流機組，其輸出空載直流電壓波形如圖6所示。波形在一個交流周期內脈動24次,每個波動的間隔為15°。

圖3 24脈波整流機組主電路仿真模型圖

圖6 24脈波整流機組空載電壓波形

4 諧波分析

變流器等非線性電力設備接在電網中使用時，它們在從電網吸收有功電流和無功電流的同時，也向電網注入諧波電流，而諧波電流在電網阻抗上產生的諧波壓降，使電網各點電壓產生畸變，干擾了電網中其他設備的良好運行。地鐵供電系統中，整流裝置是主要的諧波源，只要減少整流裝置產生的諧波，就可以減少地鐵供電系統110kV側注入公用電網的諧波量。

由于二極管的阻斷作用，在整流變壓器繞組中流過的是近似正弦波，是由基波電流和高次諧波電流組成。直流側輸出電流是脈動直流，而饋入電網的電流則是含有諧波的非正弦電流。這里采用傅里葉分解對直流側電流和注入電網的電流進行了諧波分析［5]。

4.1 直流側電流諧波分析

圖6為24脈波直流側電流波形（假設輸出負載設為阻性，其電壓和電流波形相同），其表達式id＝Idmcosωt，周期 ωT＝π/12，可以求出直流電流均方根值為：

直流電流平均值Id為：

id的傅氏級數為：

其中 n＝24k（k＝1，2，3…）。等式右側首項為直流分量，等于直流電流平均值Id，余項為交流分量，是由n＝24k（k＝1，2，3…）次諧波電流之和組成，且 k 為奇數時式（3）取正號，k為偶數時式（3）取負號。由此可以求出24脈波直流電源中的總諧波電流均方根值約等于直流電流平均值的0.26%。

通過仿真得到的直流側電流頻譜圖如圖7所示。根據仿真結果可知:直流電流平均值約等于19.23A，直流電流中總諧波電流均方根值約等于0.0493A，總諧波電流均方根值/平均值＝0.0493/19.23≈0.26%，其結果近似與理論分析一致。

圖7 24脈波直流側電流頻譜圖

總之，p脈波直流側電源中除了直流分量外，所含諧波電流的次數n為p的整數倍，即n＝kp，p為脈波數，k＝1，2，3…。總諧波電流均方根值占直流電流平均值的比值，隨著p值的增加而大幅度減小。

4.2 注入電網的諧波電流分析

圖4 中，帶負載（純電阻負載）運行時，兩組12脈波整流機組完全對稱，由T1和T2兩臺變壓器流入電網的合成電流idwz的傅氏級數形式如下：

24脈波整流機組注入電網的諧波含量大大減少，其頻譜分析如圖8所示，注入電網的主要是24k±1（k＝1，2，3…）次諧波，最低次為 23、25 次。

5 結論

圖8 電網電流頻譜圖

采用24脈波整流機組，直流側輸出的直流電流諧波含量很小，而饋入電網的交流電流諧波含量大為降低，減少了對電網的污染，同時輸出直流電壓的紋波系數小，直流電壓質量高。24脈波整流機組相比12脈波具有更強的削弱網側諧波電流的功能，所以24脈波整流機組將成為地鐵中電網建設的主流［6]。

［1] 陳海軍.24脈波整流機組的原理及保護方式.電工技術，2005.

［2] 陳海軍，程小華.地鐵整流機組相量圖及輸出波形分析［J] .變壓器，2006，43（8）.

［3] 洪乃剛.電力電子與電力拖動控制系統的MATLAB仿真.北京：機械工業出版社，2006.

［4] 李良威，李群湛，劉 煒.4脈波整流器外特性仿真及其在城市軌道交通中的應用［J] .城市軌道交通研究，2007，32（10）.

［5] 錢長生，齊嘉瞻，李國新等.24脈波整流變壓器的諧波計算分析［J] .變壓器，2007，44（12）.

［6] 林惠漢，凌文堅，吳世成.24相軸向雙分裂整流變壓器［J] .變壓器，2002，39（10）.