城市軌道交通供電多脈波整流機組分段外特性分析

傅曉鋒，康積濤，劉　文，劉東霖

(西南交通大學電氣工程學院，四川 成都　610031)

?

城市軌道交通供電多脈波整流機組分段外特性分析

傅曉鋒，康積濤，劉文，劉東霖

(西南交通大學電氣工程學院，四川 成都610031)

摘要：基于Matlab/Simulink仿真和計算分析得到多脈波整流機組的分段外特性曲線，用得到的分段外特性曲線詳細計算得到其戴維寧等效電路，再用得到的等效電路進行城市軌道電路的仿真，并將結果和原仿真模型得到的結果進行比較，表明其分析是有效的。

關鍵詞：多脈波整流機組；戴維寧等效電路；分段外特性

Abstract：The segmented external characteristic curve of multi-pulse rectifier unit is obtained by the simulation and calculation analysis based on Matlab/Simulink. With a detailed calculation of the obtained curve, Thevenin′s equivalent circuit is constructed, and then the equivalent circuit is used for the simulation of urban track circuit. The results are compared with the results of original model, which shows that the analysis is valid.

Key words：multi-pulse rectifier unit; Thevenin′s equivalent circuit; segmented external characteristics

0前言

地鐵等城市軌道交通(以下簡稱城軌)供電系統的整流機組是其最關鍵的設備。其中多脈波整流機組(主要有12脈波整流和24脈波整流)不但實現了交流電源的整流，還使得得到的電能質量能滿足于供電系統并減少注入電網的諧波。

然而，多脈波整流機組的詳細分析十分復雜，而一般工程計算需要簡化分析計算[1]。基于Matlab/Simulink仿真，詳細計算分析得到其外特性的分段模型，并進一步得到相應的戴維寧等效模型用于城軌供電仿真，將其與原仿真模型得到的結果進行比較。

112脈波整流機組

1.1機組構成

12脈波整流機組由三相橋式整流電路和整流變壓器等組成。兩個三相橋式整流電路并聯構成12脈波整流器。整流變壓器一般采用軸向雙分列式三繞組變壓器，其簡化結構圖如圖1所示[2]。

1.2機組輸出電壓特性

12脈波整流機組有如下輸出電壓調整特性[3]：

圖1　三相雙繞組雙分裂變壓器簡化圖

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：RF為電抗系數;Ud0為理想空載直流電壓;Id為直流輸出電流;xc為換相電抗，由交流系統阻抗和變壓器阻抗組成。上述區段的電壓調整特性因耦合系數k的不同而出現不同區段。可以看出，當k一定時，輸出電壓Ud1、Ud3、Ud5.1和Ud5.2的外特性可表示為直線；Ud2、Ud4則表現為曲線。此外，Ud1→Ud2的臨界條件為[4]

(8)

Ud2→Ud3的臨界條件為

(9)

Ud3→Ud4的臨界條件為

(10)

Ud4→Ud5.1的臨界條件為

(11)

Ud5.1→Ud5.2的臨界條件為

(12)

由上述公式可知外特性曲線比較復雜，因此工程中應用時常將其用分段線性化簡化，即將各段曲線/直線的起點和終點連起來，得到的各段直線表達式的截距即是戴維寧等效電路的理想電壓源值比上理想空載直流電壓Ud0的值；斜率的絕對值乘以換相電抗xc即得到戴維寧等效電路的內阻。下面將以實例計算分析其計算過程。

1.3實例計算

若分裂變壓器的額定容量Sk為3 450 kVA，系統一次側短路容量ST為100 MVA，網側、閥側電壓U1、U2分別為35 kV、1 180 V，分裂變壓器穿越、半穿越阻抗百分比Uk%、Ub%分別為8.0%、6.0%，額定直流電壓UdN為1 500 V，額定空載直流電壓UdN0為1 640 V，理想空載直流電壓；Ud0=1.398×U2=1.398×1 180=1 649.64 V，則有：

穿越阻抗為

=0.032 287 5 Ω；

半穿越阻抗為

=0.048 431 3 Ω

交流系統阻抗為

換相電抗為

xc=xs+xb=0.062 355 3 Ω

雙分裂變壓器的耦合系數k為

Id2=3 711.65 A，Id3=7 834.11 A，Id4=14 548.9 A，Id5=19 123.9 A(注：設Ud1→Ud2的臨界電流標號為Id2)，另起點為空載時，所以Id1=0；

RF2=0.140 298，RF3=0.296 124，RF4=0.549 94，RF5=0.722 87(注：設Ud1→Ud2的臨界電抗系數標號為RF2)，RF1=0。

將得到的Id2、Id3、Id4、Id5分別帶入式(2)～式(5)編程計算，依次求得

Ud2=1 539.14 V，Ud3=1 334.66 V，Ud4=848.048 V，Ud5=261.641 V，另Ud1=UdN0=1 640 V。可得

由上面得到的數據繪制得到如圖2所示的12脈波整流機組分段外特性曲線圖。

進一步可以得到各段戴維寧等效的內阻：

×0.062 355 3=0.027 1752 Ω

×0.062 355 3=0.049 601 2 Ω

×0.062 355 3=0.072 467 8 Ω

×0.062 355 3=0.128 178 Ω

式中,k1、k2、k3、k4為圖2中各段直線斜率的絕對值，求得k2=0.795 46,k3=1.162 18。

圖2　12脈波整流機組分段外特性曲線

當上述12脈波整流機組工作在第一區時，其戴維寧等效電路的理想電壓源電壓Us1=Ud0=1 649.64 V，其內阻為Req1=0.027 175 2 Ω。

當工作在第二區時，如圖3所示黑色線段即為其工作區段，兩端點坐標已在前面求出，延長線段兩端交至坐標軸上如圖細線所示，可求得與縱軸的交點坐標為(0，1.044 614)，即得截距為1.044 614，所以得Us2=截距×1 649.64=1.044 614×1 649.64=1 723.24 V，內阻Req2=0.049 601 2 Ω。

當工作在第三區時，如圖4所示黑色線段即為其工作區段，兩端點坐標已在前面求出，延長線段兩端交至坐標軸上如圖細線所示，可求得與縱軸的交點坐標為(0，1.153 208)，即得截距為1.153 208，所以得Us3=截距×1 649.64=1.153 208×1 649.64=1 902.38 V，內阻Req3=0.072 467 8 Ω。

224脈波整流機組

2.1機組構成

城軌用24脈波整流機組一般由兩個相差15°的12脈波整流機組并聯而成，仿真模型如圖5所示。工程計算上使用時可認為其由2個12脈波整流電路并聯獨立工作。

圖3　12脈波整流機組分段第二區曲線

圖4　12脈波整流機組分段第三區曲線

2.2仿真分析

2.2.1原24脈波整流電路仿真分析

圖5所示仿真電路中，變壓器額定容量Sk為3 450 kVA，系統一次側短路容量ST為100 MVA，網側、閥側電壓U1、U2分別為35 kV、1 180 V，整流器參數采用默認設置，連接的RLC-Load負載設置為純R負載，其額定電壓為1 500 V，功率為1.5 MW。

在Matlab/Simulink中仿真，結果如圖6所示，負載電壓有效值約為1 546 V，負載電流有效值約為1 031 A。

2.2.224脈波整流戴維寧等效電路仿真分析

圖5　24脈波整流電路仿真模型

圖6　24脈波整流機組負載輸出曲線

下面再用1.3節中得到的戴維寧等效電路來仿真，以整流器工作在第一個工作區間為例。此時的，戴維寧等效電壓源和內阻為Us1=1 649.64 V，Req1=0.027 175 2 Ω，根據等效24脈波并聯疊加的等效原理將兩個12脈波整流戴維寧等效電路并聯，從而可以得到如圖7所示的仿真電路，連接的負載參數同上。仿真結果如圖8所示，負載電壓有效值約為1 635 V，負載電流有效值約為1 090 A。比較兩組數據(1 546 V，1 031 A)和(1 635 V，1 090 A)可以發現簡化的24脈波整流機組等效模型基本符合預期要求。

圖7　24脈波整流電路戴維寧等效電路模型

3結論

多脈波整流機組外特性分析是城軌供電系統的基礎分析。從整流機組輸出電壓公式和各工作區間臨界條件出發，詳細推導計算了各工作區間對應的戴維寧等效電壓源和內阻，并將等效電路應用在仿真模型中(圖7)，進一步仿真其工作在第一區間時負載的電壓和電流。同時運用原(非戴維寧等效的)24脈波整流電路在相同的負載條件下進行仿真(圖5)，通過比較兩組模型中負載電壓和電流的接近性，表明分段外特性的簡化應用是符合要求的。

圖8　戴維寧等效電路負載輸出曲線

參考文獻

[1]李良威.城市軌道交通直流側短路故障研究[D].成都：西南交通大學，2007.

[2]王念同,魏雪亮.軸向雙分裂式12脈波牽引整流變壓器均衡電流的分析計算(上)[J].變壓器,2000,37(3)：1-6.

[3]Pozzobon P. Transient and Steady-state Short-circuit Currents in Rectifiers for DC Traction Supply[J]. IEEE Transaction on Vehicular Technology,1998,47(4)：1390-1404.

[4]劉煒.基于多折線為特性模型的直流牽引供電系統穩態短路計算[J].機車電傳動,2008(1):61-64.

傅曉鋒(1989)，碩士研究生，研究方向為城市軌道交通供電系統；

康積濤(1961)，博士、教授，研究方向為電力系統無功與電壓穩定性、電力變壓器原理、軌道交通牽引供電系統仿真計算等；

劉文(1990)，碩士研究生，研究方向為新能源發電與并網；

劉東霖(1990)，碩士研究生，研究方向為新能源發電與并網。

中圖分類號：TM76

文獻標志碼：A

文章編號：1003-6954(2016)02-0074-04

作者簡介：

(收稿日期：2015-09-07)