地鐵列車在不同工況下的網側電流諧波分析

袁 偉 楊振宇 桂志興 陳 濤

(1.昆明地鐵運營有限公司供電中心,650000,昆明; 2.西南交通大學電氣工程學院,610031,成都∥第一作者,工程師)

地鐵列車在不同工況下的網側電流諧波分析

袁 偉1楊振宇1桂志興1陳 濤2

(1.昆明地鐵運營有限公司供電中心,650000,昆明; 2.西南交通大學電氣工程學院,610031,成都∥第一作者,工程師)

建立了24脈波整流供電系統和牽引傳動系統的聯合仿真模型，基于Matlab/Simulink仿真軟件實現了24脈波整流機組、三電平牽引逆變器和三相異步電機的聯合仿真。介紹了24脈波整流供電系統的諧波特性,以及列車在起動、制動、加載等不同工況下的網側電流諧波特性。仿真結果表明，在列車運行狀態改變，甚至是突變時，網側電流所受影響較大，諧波會隨之增大，諧波受到負載大小和運行狀態的改變程度等因素的影響；在再生制動工況下，諧波含量遠高于其他牽引工況，而且以低次諧波為主。

地鐵; 牽引供電系統; 24脈波整流器; 網側電流; 諧波特性

First-author′s address Kunming Metro Operation Co.,Ltd.,650000,Kunming,China

城市軌道交通牽引供電系統包含了交流網絡、直流網絡和牽引動力負荷三大部分,是一個時變、交直流混合的系統,其諧波分布復雜,總含有量比干線電力牽引更高[1]。電流諧波會在電網中產生阻抗壓降,導致電網電壓畸變,對用電設備造成不同程度的影響和危害。因此，在城市軌道交通供電系統的設計和運營過程中，有必要對諧波電流的分布進行研究、分析,以確定相應的抑制措施。

整流機組和牽引機車中有換流裝置等非線性元件,是牽引供電系統中的主要諧波源,在牽引、制動、加載等工況下具有不同的諧波特性。列車作為再生制動等特殊情況下的牽引負荷其諧波問題更加突出[2-4]。為保障地鐵再生制動能量的有效吸收、利用,全面考察地鐵各個運行狀態的供電性能,本文基于Matlab/Simulink仿真工具實現了24脈波整流機組模型和列車交流傳動系統矢量控制模型的聯合仿真,針對24脈波整流供電系統的諧波特性,對列車起動、制動、加載等不同工況下的網側電流諧波,以及直流側的電壓輸出等進行分析。

1 直流電力牽引的運行與控制

圖1為地鐵牽引供電系統示意圖,主變電所110 kV 進線從地方電網接入,經主變壓器降壓為35 kV,為沿線的牽引所、降壓所供電。主變電所向牽引所的供電接線為雙電源集中供電。沿線牽引變電所經過35 kV中壓環網聯接、取電。在牽引所內,電壓經整流變壓器進一步降壓到1 180 V或590 V,為 24脈整流器組供電,通過整流器后交流變為直流,輸出到牽引傳動系統。

1.1 牽引整流機組的結構和工作原理

24脈波整流變壓器是牽引變電所的核心設備,由2臺軸向雙分裂式牽引整流變壓器(T1、T2)組成。24脈整流機組主接線示意圖如圖2所示。2臺變壓器(T1、T2)網側繞組采用延邊三角形接線方式進行移相,移相繞組和主繞組的磁路相互耦合,使2臺變壓器的4套閥側繞組線電壓分別相差15°、30°、45°、60°。4組交流分別經過三相橋式整流電路B1、B2、B3、B4,直流側并聯形成平直的24脈波直流輸出。

圖1 地鐵牽引供電系統示意圖

圖2 24脈整流機組主接線示意圖

在圖3a)ΔABX中,主繞組電壓(UM)為:

(1)

式中：

Ul——網側線電壓。

移相繞組電壓(UR)為:

(2)

根據各繞組電壓和總匝數可求得主繞組和移相繞組的各自匝數,最終可以確定整流變壓器的網側繞組移相+7.5°的繞組結構。同理可確定移相-7.5°的繞組結構。

1.2 24脈波牽引整流機組的諧波模型

24脈波整流機組的諧波電流分布包括直流側電流諧波、閥側繞組電流諧波、網側繞組電流諧波，以及最終注入電網的電流諧波。在理想負載的情況下,24脈波直流電源輸出的總諧波電流均方根值約等于直流電流平均值的0.26%,脈波直流電流比較平直,通常在考慮網側的諧波情況時,認為諧波含量可以忽略[5]。而單臺整流機組閥側的Y型和Δ型繞組中除流過基波電流外,均流過6k±1次諧波電流(k=1,2,3,…),閥側繞組的諧波電流則由變壓器的磁路耦合到網側繞組。

圖3 移相±7.5°的延邊三角形接線與相量圖

根據三相整流橋二極管元件的導通順序,利用傅里葉變換得出Y型和Δ型閥側繞組的相電流為:

(3)

(4)

式中：

Id——脈波電流峰值；

ω——角頻率。

式(3)、式(4)中第一項為基波電流,其余各項為諧波電流。

(5)

其中首項為基波電流,其余各項為諧波電流,諧波電流的次數n=24k±1,k=1,2,3,…。

實際上24脈波整流機組的外特性非常復雜,當牽引電機作為直流電源的負荷時,網側的諧波電流情況將無法通過理想條件去評估。牽引供電系統作為牽引負荷能量來源的同時,又受牽引負荷的影響,兩者相互作用,因此須把它作為一個整體來研究。

1.3 牽引交流傳動系統及其控制方法

地鐵列車大多采用直-交型傳動系統。該系統由車載主斷路器、濾波電抗器、制動斬波器、空間矢量脈寬調制(SVPWM)逆變器和牽引電機等組成。牽引電機采用SVPWM控制的三電平電壓型逆變器供電。本文將三電平牽引逆變器和牽引電機作為24脈波整流機組的負載,其交流傳動系統的控制原理如圖4所示。三電平牽引逆變器的主電路圖如圖5所示。

圖4 間接轉子磁場定向矢量控制原理框圖[7]

2 牽引供電系統的負荷仿真分析

2.1 仿真條件及參數設置

本文直接將三電平牽引逆變器和牽引電機作為24脈波整流機組的負載,忽略濾波電抗器、制動斬波器等環節,考察不同工況下的諧波。系統仿真相關參數設置如下:

系統35 kV由理想交流電源供電,單臺整流變壓器容量為2 543 kVA,高壓/低壓側電壓為35 kV/590 V,頻率50 Hz。仿真選用三相異步鼠籠電機,其額定功率67 kW,額定線電壓550 V,頻率50 Hz,定子電阻0.738 4 Ω,轉子電阻0.740 3 Ω,定子漏感0.003 045 H,轉子漏感0.003 045 H,定轉子互感0.124 1 H,極對數P=2。機車組仿4 M 2 T的短編組形式,單臺機車含4臺并聯牽引電機,雙邊供電方式運行。

圖5 三電平牽引逆變器主電路原理圖

2.2 24脈波整流機組的諧波電流FFT分析

根據整流機組的結構和工作原理,首先對24脈波整流機組的諧波特性進行分析。從圖6～圖8的仿真波形可以看出,直流側輸出電壓在1個周期有24次脈動；直流電壓頻譜圖較明顯諧波出現在第24次諧波；網側電流較明顯諧波出現在第23次和第25次。結果證明,仿真模型可正確反應上述24脈波整流電路的諧波特征。

圖6 24脈波整流機組的直流電壓輸出

圖7 直流側電壓諧波

2.3 列車不同牽引工況的電流FFT分析

上述設置條件的運行結果如圖9所示,當轉速變化時,系統能做出快速響應,負載轉變時定子電流穩定,轉速無波動,轉矩動態響應快,系統控制穩定。起動、加速時直流電壓輸出波動較大,特別是在制動時有較大的電壓沖擊,屬于非正常牽引工況;而在正常牽引時24脈波整流機組電壓穩定輸出,約為760V,無明顯波動,滿足地鐵系統供電的要求。

圖8 網側電流諧波

列車起動時,0.2 s內速度提升至100 rad/s,起動電流較大,此時網側電流波形有明顯畸變,諧波畸變率(THD)達到約57%,如圖10。完成起動后,加速過程產生的諧波含量則小于起動時的諧波,如圖11。

圖9 定子電流、轉速、電磁轉矩以及直流

當速度提高到200 rad/s后,機車處于正常牽引狀態,諧波含量明顯減少,在1.0 s加載后略有提高,但整體諧波遠小于起動和加速工況,諧波以23和25次為主,如圖12。

圖13為列車再生制動工況時的網側電流和諧波情況。在0.1 s內速度減至40 rad/s。在此功率條件下,網側電流波形幾乎失去正弦特性;在無支撐電容和直流濾波電路的情況下,諧波畸變率高達96.2%。

上述結果說明，在列車運行狀態改變,甚至是突變時,網側電流所受影響較大,諧波會隨之增大,諧波受到負載大小和運行狀態的改變程度等因素的影響;列車在再生制動工況下,諧波含量遠高于其他運行工況,而且以低次諧波為主。

圖10 啟動時的網側電流及其諧波

圖11 加速時的網側電流諧波

圖12 加載前、后的網側電流諧波

圖13 再生制動時的網側電流及其諧波

3 結語

本文建立了24脈波整流供電系統和牽引傳動系統的聯合仿真模型,用于評估24脈波整流機組的供電性能及其對列車運行狀態的影響,主要分析了列車運行狀態對網側諧波及直流側電壓的影響。仿真結果說明:在列車運行狀態改變,甚至是突變時,網側電流所受影響較大,諧波會隨之增大,諧波受到負載大小和運行狀態的改變程度等因素的影響;在再生制動工況下,諧波含量遠高于其他牽引工況,而且以低次諧波為主。為保障地鐵再生制動能量的有效吸收、利用,以及城市軌道交通供電系統的供電性能,需要確定相應的諧波抑制措施。

[1] 賀俊威,高仕斌.軌道交通牽引供變電技術[M].成都:西南交通大學出版社,2011.

[2] 張民,何正友,胡海濤,等.高速動車組再生制動下網側電流諧波特性分析[J].電網技術,2012,36(9):257.

[3] 解紹鋒,李群湛,趙麗平.電氣化鐵道牽引負載諧波分布特征與概率模型研究[J].中國電機工程學報,2005,25(16):79.

[4] 何正友,胡海濤,方雷,等.高速鐵路牽引供電系統諧波及其傳輸特性研究[J].中國電機工程學報,2011,31(16):55.

[5] 錢長生,齊嘉瞻,李國新,等.24脈波整流變壓器電流的諧波計算分析[J].變壓器,2007,44(12):1.

[6] 馮曉云.電力牽引交流傳動及其控制系統[M].北京:高等教育出版社,2014:121-126,157-159.

[7] 李攀宏.基于RTDS的高速鐵路車網耦合建模與仿真研究[D].成都:西南交通大學,2014.

Analysis on Harmonic Characteristics of Metro Grid-side Current in Different Operational Conditions

YUAN Wei, YANG Zhenyu, GUI Zhixing, CHEN Tao

A joint simulation model of 24-pulse rectifier and traction power system is established, which realizes the simulation of 24-pulse rectifier unit,three-level inverter and the asynchronous motor by using Matlab/Simulink simulation software. The harmonic characteristics of 24-pulse rectifier and the grid-side current in different operational conditions of motor car are introduced. Simulation results show that inchanges of metrorunning state, including sudden changes, the grid-side current will be greatly influenced because of the increased harmonic wave, which is also affected by the traction load and running state changes.Inregenerative braking condition, low order harmonic will increase faster than the harmonic waves in other conditions.

metro; traction power supply system;24-pulse rectifier; grid-side current;harmonic characteristics

U 228.1

10.16037/j.1007-869x.2016.07.014

2014-12-23)