地铁列车在不同工况下的网侧电流谐波分析

袁 伟 杨振宇 桂志兴 陈 涛

(1.昆明地铁运营有限公司供电中心,650000,昆明; 2.西南交通大学电气工程学院,610031,成都∥第一作者,工程师)

地铁列车在不同工况下的网侧电流谐波分析

袁 伟1杨振宇1桂志兴1陈 涛2

(1.昆明地铁运营有限公司供电中心,650000,昆明; 2.西南交通大学电气工程学院,610031,成都∥第一作者,工程师)

建立了24脉波整流供电系统和牵引传动系统的联合仿真模型，基于Matlab/Simulink仿真软件实现了24脉波整流机组、三电平牵引逆变器和三相异步电机的联合仿真。介绍了24脉波整流供电系统的谐波特性,以及列车在起动、制动、加载等不同工况下的网侧电流谐波特性。仿真结果表明，在列车运行状态改变，甚至是突变时，网侧电流所受影响较大，谐波会随之增大，谐波受到负载大小和运行状态的改变程度等因素的影响；在再生制动工况下，谐波含量远高于其他牵引工况，而且以低次谐波为主。

地铁; 牵引供电系统; 24脉波整流器; 网侧电流; 谐波特性

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

城市轨道交通牵引供电系统包含了交流网络、直流网络和牵引动力负荷三大部分,是一个时变、交直流混合的系统,其谐波分布复杂,总含有量比干线电力牵引更高[1]。电流谐波会在电网中产生阻抗压降,导致电网电压畸变,对用电设备造成不同程度的影响和危害。因此，在城市轨道交通供电系统的设计和运营过程中，有必要对谐波电流的分布进行研究、分析,以确定相应的抑制措施。

整流机组和牵引机车中有换流装置等非线性元件,是牵引供电系统中的主要谐波源,在牵引、制动、加载等工况下具有不同的谐波特性。列车作为再生制动等特殊情况下的牵引负荷其谐波问题更加突出[2-4]。为保障地铁再生制动能量的有效吸收、利用,全面考察地铁各个运行状态的供电性能,本文基于Matlab/Simulink仿真工具实现了24脉波整流机组模型和列车交流传动系统矢量控制模型的联合仿真,针对24脉波整流供电系统的谐波特性,对列车起动、制动、加载等不同工况下的网侧电流谐波,以及直流侧的电压输出等进行分析。

1 直流电力牵引的运行与控制

图1为地铁牵引供电系统示意图,主变电所110 kV 进线从地方电网接入,经主变压器降压为35 kV,为沿线的牵引所、降压所供电。主变电所向牵引所的供电接线为双电源集中供电。沿线牵引变电所经过35 kV中压环网联接、取电。在牵引所内,电压经整流变压器进一步降压到1 180 V或590 V,为 24脉整流器组供电,通过整流器后交流变为直流,输出到牵引传动系统。

1.1 牵引整流机组的结构和工作原理

24脉波整流变压器是牵引变电所的核心设备,由2台轴向双分裂式牵引整流变压器(T1、T2)组成。24脉整流机组主接线示意图如图2所示。2台变压器(T1、T2)网侧绕组采用延边三角形接线方式进行移相,移相绕组和主绕组的磁路相互耦合,使2台变压器的4套阀侧绕组线电压分别相差15°、30°、45°、60°。4组交流分别经过三相桥式整流电路B1、B2、B3、B4,直流侧并联形成平直的24脉波直流输出。

图1 地铁牵引供电系统示意图

图2 24脉整流机组主接线示意图

在图3a)ΔABX中,主绕组电压(UM)为:

(1)

式中：

Ul——网侧线电压。

移相绕组电压(UR)为:

(2)

根据各绕组电压和总匝数可求得主绕组和移相绕组的各自匝数,最终可以确定整流变压器的网侧绕组移相+7.5°的绕组结构。同理可确定移相-7.5°的绕组结构。

1.2 24脉波牵引整流机组的谐波模型

24脉波整流机组的谐波电流分布包括直流侧电流谐波、阀侧绕组电流谐波、网侧绕组电流谐波，以及最终注入电网的电流谐波。在理想负载的情况下,24脉波直流电源输出的总谐波电流均方根值约等于直流电流平均值的0.26%,脉波直流电流比较平直,通常在考虑网侧的谐波情况时,认为谐波含量可以忽略[5]。而单台整流机组阀侧的Y型和Δ型绕组中除流过基波电流外,均流过6k±1次谐波电流(k=1,2,3,…),阀侧绕组的谐波电流则由变压器的磁路耦合到网侧绕组。

图3 移相±7.5°的延边三角形接线与相量图

根据三相整流桥二极管元件的导通顺序,利用傅里叶变换得出Y型和Δ型阀侧绕组的相电流为:

(3)

(4)

式中：

Id——脉波电流峰值；

ω——角频率。

式(3)、式(4)中第一项为基波电流,其余各项为谐波电流。

(5)

其中首项为基波电流,其余各项为谐波电流,谐波电流的次数n=24k±1,k=1,2,3,…。

实际上24脉波整流机组的外特性非常复杂,当牵引电机作为直流电源的负荷时,网侧的谐波电流情况将无法通过理想条件去评估。牵引供电系统作为牵引负荷能量来源的同时,又受牵引负荷的影响,两者相互作用,因此须把它作为一个整体来研究。

1.3 牵引交流传动系统及其控制方法

地铁列车大多采用直-交型传动系统。该系统由车载主断路器、滤波电抗器、制动斩波器、空间矢量脉宽调制(SVPWM)逆变器和牵引电机等组成。牵引电机采用SVPWM控制的三电平电压型逆变器供电。本文将三电平牵引逆变器和牵引电机作为24脉波整流机组的负载,其交流传动系统的控制原理如图4所示。三电平牵引逆变器的主电路图如图5所示。

图4 间接转子磁场定向矢量控制原理框图[7]

2 牵引供电系统的负荷仿真分析

2.1 仿真条件及参数设置

本文直接将三电平牵引逆变器和牵引电机作为24脉波整流机组的负载,忽略滤波电抗器、制动斩波器等环节,考察不同工况下的谐波。系统仿真相关参数设置如下:

系统35 kV由理想交流电源供电,单台整流变压器容量为2 543 kVA,高压/低压侧电压为35 kV/590 V,频率50 Hz。仿真选用三相异步鼠笼电机,其额定功率67 kW,额定线电压550 V,频率50 Hz,定子电阻0.738 4 Ω,转子电阻0.740 3 Ω,定子漏感0.003 045 H,转子漏感0.003 045 H,定转子互感0.124 1 H,极对数P=2。机车组仿4 M 2 T的短编组形式,单台机车含4台并联牵引电机,双边供电方式运行。

图5 三电平牵引逆变器主电路原理图

2.2 24脉波整流机组的谐波电流FFT分析

根据整流机组的结构和工作原理,首先对24脉波整流机组的谐波特性进行分析。从图6～图8的仿真波形可以看出,直流侧输出电压在1个周期有24次脉动；直流电压频谱图较明显谐波出现在第24次谐波；网侧电流较明显谐波出现在第23次和第25次。结果证明,仿真模型可正确反应上述24脉波整流电路的谐波特征。

图6 24脉波整流机组的直流电压输出

图7 直流侧电压谐波

2.3 列车不同牵引工况的电流FFT分析

上述设置条件的运行结果如图9所示,当转速变化时,系统能做出快速响应,负载转变时定子电流稳定,转速无波动,转矩动态响应快,系统控制稳定。起动、加速时直流电压输出波动较大,特别是在制动时有较大的电压冲击,属于非正常牵引工况;而在正常牵引时24脉波整流机组电压稳定输出,约为760V,无明显波动,满足地铁系统供电的要求。

图8 网侧电流谐波

列车起动时,0.2 s内速度提升至100 rad/s,起动电流较大,此时网侧电流波形有明显畸变,谐波畸变率(THD)达到约57%,如图10。完成起动后,加速过程产生的谐波含量则小于起动时的谐波,如图11。

图9 定子电流、转速、电磁转矩以及直流

当速度提高到200 rad/s后,机车处于正常牵引状态,谐波含量明显减少,在1.0 s加载后略有提高,但整体谐波远小于起动和加速工况,谐波以23和25次为主,如图12。

图13为列车再生制动工况时的网侧电流和谐波情况。在0.1 s内速度减至40 rad/s。在此功率条件下,网侧电流波形几乎失去正弦特性;在无支撑电容和直流滤波电路的情况下,谐波畸变率高达96.2%。

上述结果说明，在列车运行状态改变,甚至是突变时,网侧电流所受影响较大,谐波会随之增大,谐波受到负载大小和运行状态的改变程度等因素的影响;列车在再生制动工况下,谐波含量远高于其他运行工况,而且以低次谐波为主。

图10 启动时的网侧电流及其谐波

图11 加速时的网侧电流谐波

图12 加载前、后的网侧电流谐波

图13 再生制动时的网侧电流及其谐波

3 结语

本文建立了24脉波整流供电系统和牵引传动系统的联合仿真模型,用于评估24脉波整流机组的供电性能及其对列车运行状态的影响,主要分析了列车运行状态对网侧谐波及直流侧电压的影响。仿真结果说明:在列车运行状态改变,甚至是突变时,网侧电流所受影响较大,谐波会随之增大,谐波受到负载大小和运行状态的改变程度等因素的影响;在再生制动工况下,谐波含量远高于其他牵引工况,而且以低次谐波为主。为保障地铁再生制动能量的有效吸收、利用,以及城市轨道交通供电系统的供电性能,需要确定相应的谐波抑制措施。

[1] 贺俊威,高仕斌.轨道交通牵引供变电技术[M].成都:西南交通大学出版社,2011.

[2] 张民,何正友,胡海涛,等.高速动车组再生制动下网侧电流谐波特性分析[J].电网技术,2012,36(9):257.

[3] 解绍锋,李群湛,赵丽平.电气化铁道牵引负载谐波分布特征与概率模型研究[J].中国电机工程学报,2005,25(16):79.

[4] 何正友,胡海涛,方雷,等.高速铁路牵引供电系统谐波及其传输特性研究[J].中国电机工程学报,2011,31(16):55.

[5] 钱长生,齐嘉瞻,李国新,等.24脉波整流变压器电流的谐波计算分析[J].变压器,2007,44(12):1.

[6] 冯晓云.电力牵引交流传动及其控制系统[M].北京:高等教育出版社,2014:121-126,157-159.

[7] 李攀宏.基于RTDS的高速铁路车网耦合建模与仿真研究[D].成都:西南交通大学,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)