城市轨道交通24 脉波整流机组的研究

孟 飞

0 前言

近年来国内的城市轨道交通迅速发展，许多大中城市已经着手或即将开始城市轨道交通建设，但是国内对于城轨牵引供电系统的研究却相对落后。牵引供电系统作为城市轨道交通车辆运行的动力来源，其安全可靠性直接影响着整个城市轨道交通系统的安全稳定运行。交直流变换过程是直流牵引供电系统中的关键环节，负责该过程的整流机组是地铁牵引供电系统的一个核心设备。对整流机组的结构、运行特性以及工作原理进行详细分析是对直流牵引供电系统的故障机理进行深入研究的基础之一。

在大功率整流机组的运行过程中，不可避免会产生谐波，对城市电网以及牵引供电系统造成危害。为了减少牵引供电系统网侧谐波电流对城市电网的不利影响，国内城市轨道交通牵引变电所中采用的整流机组已经由原来的12 脉波向24 脉波发展，并成为主流整流方式。整流机组由整流变压器和整流器组成。本文首先介绍整流变压器和整流机组的接线方式，然后采用Matlab/ Simulink 建立24脉波整流机组的仿真模型，进而研究它的运行工况和理想状态下的整流特性，并分析24 脉波整流机组的网侧谐波电流以及影响网侧谐波电流含量的各种因素。

1 整流变压器接线方式

整流变压器的作用是将城市电网电压转变为整流装置所需要的电压，并通过改变相数及相位角来满足网侧和阀侧正常运行对电压的要求。2 台整流变压器网侧绕组分别采用±7.5°外延三角形接线方式，阀侧绕组采用d、y 接法，其线电压相角相差30°，这样构成的2 台变压器的4 套阀侧绕组线电压的相位互差15°，经全波整流后，在直流侧并联运行，组成24 脉波的整流系统。当采用延边三角形移相时，由于一次侧的3 次谐波电流形成闭合回路，无论二次侧绕组采用何种接线方式，都不会引起电压波形畸变。该情况下因移相所增加的变压器容量较小，又因此时整流变压器低压绕组采用轴向双分裂结构，减少了两者间的相互干扰，桥间一般不再加设平衡电抗。现在该接线方式已成为整流变压器的主流结构。

由于整流变压器的网侧绕组采用延边三角形移相±7.5°接线方式，增加了移相绕组。其移相绕组电压Uy，主绕组电压Um与城市电网电压U1之间的关系满足正弦定理。

采用延边三角形移相±7.5°的整流变压器的网侧绕组接线方式如图1、图2 所示。

图1 网侧+7.5°移相接线原理图与向量图

图2 网侧-7.5°移相接线原理图与向量图

整流变压器阀侧两绕组分别采用星形和三角形连接方式，2 个绕组的电压比为，故其匝数比应尽量为。否则，会由于2 个绕组电压不等而引起环流，导致局部过热。

整流变压器接线方式如图3 所示。

图3 整流变压器接线方案图

2 24 脉波整流机组分析

2.1 24 脉波整流机组结构

城市轨道牵引供电系统中的整流机组由整流变压器和整流器构成。国内大多数城市轨道交通牵引供电系统采用的是24 脉波不可控桥式整流机组，该系统由2 台12 脉波整流机组并联运行。每台整流机组由1 台三相三绕组变压器和2 台全波整流器构成，国内整流器现多采用大功率整流二极管。由于整流变压器采用轴向双分裂结构，直流阀侧绕组间具有较大的短路阻抗，因此一般不再设置平衡电抗。24 脉波整流机组接线原理如图4 所示。

2.2 整流机组运行特性分析

由于谐波次数与整流脉波的关系：

式中，P 为谐波次数；N 为整流脉波数；K 为正整数，1，2，3，4…

可见，整流脉波数越大，相应的谐波含量越少，从而对城市电网的不利影响也就越小。因此，目前城市轨道交通牵引供电系统广泛采用24 脉波整流机组。对于三相全波桥式整流来说，脉波数越多，相应的功率因数越高。

图4 24 脉波整流机组接线原理图

24 脉波整流机组仿真模型如图5 所示。根据某地铁24 脉波整流机组的参数：整流变压器额定容量为3 450 kV·A，电压比为35∶1.18，空载电压1 640 V，额定电压1 500 V，依次设置模型参数。

利用整流机组仿真模型得到35 kV 网侧电压和电流波形如图6 所示。

直流输出电压仿真结果见图7。可以看出，24脉波整流机组直流电压的特征脉波为24 N 次。

3 影响网侧谐波电流含量的因素

本文着重讨论由24 脉波整流机组引入的影响网侧谐波电流的因素，主要包含2 点：首先是网侧绕组移相角α的误差；其次是整流机组2 台变压器负荷的不平衡。另外，在实际运行中，由于变压器存在换相阻抗，阀侧绕组的线电流产生重叠角，从而使得阀侧线电流的高次谐波含量比理论分析时有所改善。

3.1 移相角α 的误差的影响

根据图1，由正弦定理可知，如果要满足移相角α = 7.5°，就必须使网侧绕组的外延匝数与原绕组匝数之比满足ΔN/N=sin7.5º/sin22.5 º。实际应用中，匝数必须是整数，而sin7.5°/sin22.5°不是整数，从而不可避免造成误差，使得移相不准确，这是系统存在阀侧特征谐波的原因之一。

3.2 变压器负荷不平衡的影响

（1）24 脉波整流机组的每台整流变压器都是一台12 脉波整流系统。而阀侧负荷的不平衡会导致阀侧非特征谐波不能完全抵消而出现残留谐波分量。由于每台变压器的阀侧绕组分别为三角形接线和星形接线，其相位相差30°。在实际中，由于绕组匝数必须是整数，因此两阀侧绕组的匝数比不可能完全等同于只能尽可能接近。由此引起的误差就会导致负荷的不平衡，从而引入谐波分量。

（2）2 台变压器之间负荷的不平衡会导致次数为12 N±1 的网侧非特征谐波不能完全抵消，从而出现残余分量。

图5 24 脉波整流机组电路仿真模型图

图6 网侧A 相电压与电流波形图

图7 直流侧输出电压波形图

（3）由于城市轨道交通牵引供电系统中的24脉波整流机组不设桥间平衡电抗器，在机车运行的过渡期间出现轻载状态时，流经整流器二极管的电流不能反向，桥间均衡电流不能完全导通，造成每台变压器阀侧绕组桥间负荷瞬时的不平衡，从而导致网侧总的谐波含量大大增加。因此，在实际运行中，要尽量减小临界负荷率。

4 结论

本文首先对城市轨道交通牵引供电系统中的24 脉波整流机组接线方式和结构进行分析，在该基础上，利用Matlab/Simulink 软件建立了整流机组的仿真模型，进而重点研究整流机组的运行特性。最后分析了由整流机组自身所引起的影响网侧谐波电流含量的各种因素。

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