城軌24 脈波整流直流側(cè)濾波回路應(yīng)用與仿真

郭錦榮

（北京市軌道交通運(yùn)營管理有限公司，北京 100068）

1 24 脈波整流在軌道交通中的應(yīng)用

1.1 城市軌道交通現(xiàn)狀

目前，中國的城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)大致劃分為牽引變電所和牽引網(wǎng)2 部分，把從主變電所或電源開閉所傳遞過來的三相高壓交流電經(jīng)降壓、整流等功能后傳遞給地鐵列車。

每個變電所配置2 套整流機(jī)組，每套整流機(jī)組由1臺牽引變壓器和1 臺整流器組成[1]。等效24 脈波整流電路由2 套12 脈波的軸向雙分裂式牽引整流變壓器并聯(lián)而成；每臺12 脈波整流變壓器由2 個三相橋式整流器并聯(lián)，且其低壓側(cè)（閥側(cè)）繞組相位相差30°；每臺12 脈波整流變壓器的電源側(cè)（網(wǎng)側(cè)）繞組采用延邊三角形接線，各臺移相分別為+7.5°和-7.5°；2 套12 脈波整流機(jī)組輸出端并聯(lián)后向牽引網(wǎng)合成輸出等效24脈波直流電。

1.2 24 脈波整流的應(yīng)用優(yōu)勢

在工程實(shí)際應(yīng)用中，24 脈波整流器具有諧波抑制率高、直流輸出電壓質(zhì)量高、運(yùn)行可靠性高、設(shè)備成本低等優(yōu)勢。

1.2.1 諧波抑制率高

選取整流變壓器網(wǎng)側(cè)電流A 相做參考，對其進(jìn)行傅里葉級數(shù)分解，可知24 脈波整流機(jī)組注入電網(wǎng)的諧波次數(shù)主要為24k±1，且諧波次數(shù)越高，諧波含量越少。相較6 脈波整流和12 脈波整流，24 脈波整流的諧波抑制效果更佳，對電網(wǎng)的污染更小。

1.2.2 直流輸出電壓質(zhì)量高

2 臺整流機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時輸出的等效24 脈波空載電壓為：

式（1）中：U2為整流變壓器閥側(cè)空載線電壓。

由式（1）可知，24 脈波整流機(jī)組直流側(cè)電壓在一個周期內(nèi)脈動24 次，它的脈波寬度為，相比6 脈波和12 脈波，其電壓波形更平緩，紋波系數(shù)更小。

1.2.3 運(yùn)行可靠性高

城市軌道交通行業(yè)采用的整流器普遍配置快速熔斷器保護(hù)功能、過電壓保護(hù)、溫度保護(hù)、逆流保護(hù)等，當(dāng)發(fā)生過流、過壓、超溫等情況時，能有效保護(hù)設(shè)備運(yùn)行，且每組整流模塊由多個電力二極管組成。例如北京地鐵19 號線為每組3 個電力二極管，燕房線為每組2 個電力二極管，這樣，當(dāng)模塊內(nèi)的1 個二極管出現(xiàn)故障退出運(yùn)行時，剩余的二極管能繼續(xù)運(yùn)行，提高設(shè)備可靠性。

1.2.4 設(shè)備成本低

由于電力二極管為不可控器件，這樣就避免了復(fù)雜的控制電路，且國內(nèi)高功率電力二極管已技術(shù)成熟，成本較低。

2 LC 濾波回路在軌道交通中的應(yīng)用

2.1 LC 濾波回路的應(yīng)用

LC 濾波回路主要由線路電抗器與支撐電容器構(gòu)成。在直流回路加入電抗器，能將直流電流上疊加的交流分量過濾，使其限制在規(guī)定值內(nèi)，減小電流的脈動。直流回路中的支撐電容能夠保持直流電壓穩(wěn)定，將電壓波動限制在允許范圍內(nèi)，抑制電網(wǎng)電壓突變和操作過電壓。

此外，在支撐電容未充電的情況下，如果突然接入DC1 500 V 額定電壓，會產(chǎn)生較大的沖擊電流，對電容器造成損傷。為避免上述情況發(fā)生，設(shè)置預(yù)充電電路，該電路由主接觸器、充電接觸器和充電電阻組成，通過控制主接觸器和充電接觸器的閉合順序即可完成對支撐電容的預(yù)充電過程[2]。

典型VVVF 型牽引逆變器主電路中的預(yù)充電電路及濾波回路主要器件有充電電阻R、線路電抗器L 和支撐電容C，如圖1 所示。

圖1 典型VVVF 型牽引逆變器主電路示意圖

2.2 LC 濾波回路的計算分析

將上述濾波回路等效為一個典型的RLC 二階零狀態(tài)電路，北京地鐵19 號線的該回路的參數(shù)如表1 所示。

表1 RLC 電路參數(shù)

該回路的狀態(tài)方程可寫為：

代入?yún)?shù)后，解得：

3 24 脈波整流器直流側(cè)濾波回路仿真分析

3.1 24 脈波整流機(jī)組建模

根據(jù)24 脈波整流機(jī)組電路拓?fù)洌罱巳鐖D2 所示的MATLAB/SⅠMULⅠNK 仿真模型。首先接入三相電壓源，之后是2 臺移相變壓器，分別移相+7.5°和-7.5°，每個移相變壓器分別與2 臺整流變壓器相連，其中一臺變壓器繞組接成Dy11/Dd0，另一臺變壓器繞組接成Dy1/Dd2，能使最終各相之間相差15°，從而一個2π周期內(nèi)能夠產(chǎn)生24 個脈波；接著是4 組不控整流橋，各組橋都由三相二極管整流電路構(gòu)成，各橋直流輸出側(cè)所有正極相連，所有負(fù)極相連，并各自引出一條連接線與負(fù)載相連。

圖2 24 脈波整流機(jī)組仿真模型

3.2 濾波回路建模

圖3所示為基于MATLAB/SⅠMULⅠNK仿真軟件的直流側(cè)濾波回路仿真模型，主要器件有充電電阻R、線路電抗器L 和支撐電容C，參數(shù)按照表1 進(jìn)行設(shè)置。其中充電電阻R 串聯(lián)一個理想開關(guān)，模擬充電接觸器，再并聯(lián)一個理想開關(guān)，模擬主接觸器。

圖3 直流側(cè)濾波回路仿真模型

3.3 仿真分析

將上文所述的24脈波整流機(jī)組和直流側(cè)濾波回路分別進(jìn)行封裝，然后將直流側(cè)正極相連、負(fù)極相連。運(yùn)行仿真后，得到直流側(cè)電壓波形，電壓值穩(wěn)定在約1 650 V。將此電壓波形放大，視0.20～0.22 s 為一個周期，如圖4 所示，可以清晰看到24 個脈波。

圖4 直流側(cè)24 脈波電壓波形

整個仿真共持續(xù)25 s，得到的支撐電容電壓波形如圖5 所示。在開始時，主接觸器和充電接觸器保持在斷開狀態(tài)。在1 s 時，充電接觸器閉合，預(yù)充電回路接通，開始支撐電容的充電過程。到20 s 時，支撐電容電壓已基本接近1 650 V，此時斷開充電接觸器，閉合主接觸器，支撐電容兩端電壓穩(wěn)定在1 650 V。通過測量波形在1～20 s 的電壓，可以發(fā)現(xiàn)波形曲線與式（2）基本一致。

圖5 支撐電容電壓波形

當(dāng)不引入充電電阻時，運(yùn)行仿真，得到的充電電流波形如圖6 所示。根據(jù)北京地鐵19 號線的列車參數(shù)，充電電流峰值可達(dá)6 000～7 000A，充電過程為40～50 ms。

圖6 不含充電電阻時的充電電流波形

而當(dāng)引入充電電阻時，運(yùn)行仿真，得到的充電電流波形如圖7 所示。根據(jù)北京地鐵19 號線的列車參數(shù)，充電電流峰值為35～40 A，充電過程持續(xù)10 s 以上。

圖7 含充電電阻時的充電電流波形

由此可知，在濾波回路中設(shè)置預(yù)充電電路之后，直流側(cè)如果突然接入DC1 500 V 額定電壓，也能夠避免產(chǎn)生較大的沖擊電流，防止對電容器造成損傷和引起保護(hù)裝置誤動作，但是充電的時間會相對延長。