城市轨道交通直流供电24脉波整流机组研究

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【摘 要】分析了城市轨道交通直流牵引供电系统24脉波整流机组中的工作原理和接线方式，并应用 Matlab仿真工具箱搭建 24 脉波整流机组仿真模型。在该基础上，分析其运行特性并解释了采用24脉波的直流供电方式在消除谐波中的作用，从而为城市轨道交通牵引供电系统的研究提供参考。

【关键词】城市轨道交通；直流供电；24脉波整流；谐波电流

0.前言

为了解决日益拥堵的城市，缓解交通压力，近年来国内的许多城市已经着手或即将开始建设城市轨道交通，提倡绿色出行。直流牵引供电系统作为列车唯一的动力来源，其安全可靠性直接影响着整个城市轨道交通系统的稳定性。典型的城市轨道交通供电系统分为主变电站、牵引降压混合变电所、降压变电所和跟随所。只有牵引降压混合变电所才提供直流，其中整流变压器和大功率整流器是直流供电系统中的重要设备，本文对它们的工作原理、结构特性和运行方式进行分析，是对直流牵引供电系统的故障机理进行深入研究的基础。

整流机组采用三相全波桥式整流技术，运行过程中不可避免的会产生大量高次谐波。从而对城市电网造成污染。为了减少这一不利影响，目前我国新建的轨道交通项目均采用24脉波整流技术。本文首先介绍整流变压器的结构和24脉波整流机组的接线方式，然后采用Matlab仿真工具箱搭建轨道交通使用的24脉波整流机组仿真模型，进而研究整流机组的运行工况和理想状态下的整流特性。

1.24脉波整流机组

1.1 典型整流变压器

图1 移相+7.5°原理图

图2 移相-7.5°原理图

城市轨道交通供电系统根据工程概况，通常采用的系统电压等级为AC 35KV和AC 10KV两种。整流变压器是一种特种变压器，变压器的元边采用延边三角形进行移相，一台移相+7.5°，另一台移相-7.5°。变压器的次边有两个绕组，一组采用星形接线，另一组则采用三角形接线，两次边绕组线电压相差30 °，经三相全波整流，在直流侧两变压器二次侧并联运行，组成2*12相的整流系统，共24脉波。由于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，因此桥间一般不再加设平衡电抗。主绕组电压、移相绕组电压和电网电压之间的关系满足正弦定理。如下图1、图2所示，分别是采用延边三角形移相±7.5°的整流变压器的网侧绕组接线。

整流变压器的典型接线中阀侧绕组采用三角形（D）和星型接法（Y），两次边绕组的电压比为，若电压比差过大会造成两个绕组电压不均匀而使变压器局部过热，导致变压器的烧毁。

1.2 整流机组结构

图3 24脉波整流机组模型

图4 网侧A相电压与电流波形图

城市轨道牵引供电系统由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。谐波次数与整流脉波的关系为Q = 6M*P±1。式中Q为谐波次数、P为整流脉波数、M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，从而对供电系统的不利就越小，相应的功率因数越高。根据某城市轨道交通整流机组的参数进行建模，整流变压器额定容量为2500kVA，一次侧电压为35kV，二次侧电压为1180V，额定直流电压1500V，模型如图3所示。得到35 kV网侧电压和电流波形如图4所示。直流输出电压仿真结果如图5所示。

图5 直流侧输出电压波形图

2.谐波电流含量分析

整流机组产生谐波电流主要是因为网侧绕组移相角a的误差和整流机组2台变压器负荷的不平衡引起的。

由正弦定理可知，要满足移相角a = 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下式：

而SIN 7.5°/SIN 22.5°不是整数，从而造成误差。而且整流机组的每台整流变压器都是一台12脉波整流系统。在实际中，由于绕组匝数必须是整数，由此引起的误差就会导致负荷的不平衡。

3.结论

本文对城市轨道交通直流牵引供电系统中的24脉波整流机组中的接线和结构进行分析。利用Matlab仿真工具箱搭建仿真模型。最后对整流机组引起网侧谐波电流的原因进行了分析。

参考文献：

[1] 谢方.城市轨道交通直流供电整流机组研究[D].西南交通大学硕士毕业论文，2009.

[2] 董海燕，田铭兴.地铁直流牵引供电系统整流机组的仿真分析[J].电气传动自动化，2010，32（5）：31―32.

[3] 黄俊，王兆安.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2002.