城市軌道交通24脈波整流機組的機理分析

李智威，邱瑞昌，李淑英，席海闊

（北京交通大學 電氣工程學院 北京市軌道交通電氣工程技術研究中心，北京 100044）

城市軌道交通24脈波整流機組的機理分析

李智威，邱瑞昌，李淑英，席海闊

（北京交通大學 電氣工程學院 北京市軌道交通電氣工程技術研究中心，北京 100044）

本文分析了城市軌道交通牽引供電系統中24脈波整流機組的接線方式和工作原理，并利用MATLAB/SIMULINK對24脈波整流機組進行仿真分析。采用傅立葉級數分析了交直流側諧波，結果表明：24脈波整流機組，不僅能夠有效減少對電網的污染，而且可以降低輸出直流電壓的紋波系數。

24脈波整流機組；軸向雙分裂變壓器；延邊三角形；諧波分析

隨著功率半導體器件和移相變壓器技術的發展，為了減少地鐵諧波電流對城市電網的污染，城市軌道交通牽引供電系統由最初的6脈波整流器逐步升級為24脈波整流器，成為當前國內外主流的牽引供電裝置[1]。因此，充分研究24脈波整流機組的機理顯得特別重要。

1 24脈波整流機組主電路拓撲

整流變壓器和整流器統稱為整流機組，如圖1所示，整流機組主要由兩臺12脈波軸向雙分裂式牽引整流變壓器和4組全波整流橋組成。每臺變壓器閥側二套繞組分別接成d接法和y接法。為獲得24脈波，每個牽引變電所內并聯運行的2臺整流變壓器的原邊繞組分別移相±7.5°，使2臺整流變壓器次邊4個繞組的線電壓相量互差15°，經全波整流后，在直流側并聯運行，輸出24脈波直流[2]。

圖1 24脈波整流機組主電路拓撲Fig.1 Main circuit of 24-pulse rectifier unit

2 24脈波整流變壓器的移相原理

2.1 變壓器的選擇

（a）1號變壓器Dy11d0（網側移相+7.5°）

2號變壓器Dy1d2（網側移相－7.5°）

（b）1號變壓器Dy5d0（網側移相+7.5°）

2號變壓器Dy7d2（網側移相－7.5°）

限于篇幅，本文以（a）聯結組為例，（b）可以類推。

2.2 關于平衡電抗器的問題

24脈波整流電路中4組整流橋輸出電壓的平均值相等，但瞬時值不等。為了使4組整流橋能夠同時導通，整流橋間必須接有均衡電抗器，以補償4組整流橋輸出電壓的差值[4]。

但是對大功率整流器來說，平衡電抗器的存在對減小整流器體積，降低造價不利。由于變壓器的漏抗在一定范圍內必然存在，實際應用中，可以通過對整流變壓器的特殊設計，將變壓器的漏抗當做平衡電抗器使[5]。

式中：Ud——整流器閥側電壓平均值；

U2L整流變壓器二次側線電壓。

2.3 整流變壓器移相的實現

基于以上考慮，可選擇兩臺變壓器，一臺聯結組別Dy11d0，另一臺聯結組別Dy1d2，其中D聯結繞組為延邊三角形，兩臺變壓器的接線如圖2所示。

圖2 Dy11d0—Dy1d2變壓器聯結圖Fig.2 Transformer Dy11d0—Dy1d2 connection diagram

1號變壓器Dy11d0：線電壓A1B1相位超前AB7.5°，a1b1超前A1B130°，a2b2與A1B1同相；

2號變壓器Dy1d2：線電壓A2B2相位滯后AB7.5°，a3b3滯后A2B230°，a4b4滯后A2B260°；

可依次類推線電壓a1c1、a2c2、a3c3、a4c4、b1c1、b2c2、b3c3、b4c4的相位，于是可得閥側電壓向量圖，如圖3所示[6]。

圖3 閥側電壓向量圖Fig.3 Vectorgram of value side voltage

3 24脈波整流機組MATLAB建模

3.1 仿真模型建立

24脈波整流電路仿真模型如圖4所示，其中電源為理想三相電源，接移相變壓器實現±7.5°相移，然后接入Δ-Δ/Δ-Y連接整流變壓器T1和T2。根據某地鐵24脈波整流機組的參數：整流變壓器額定容量為2 200 kVA，電壓比為35：1.18：1.18，依次設置模型參數。

圖4 24脈波整流電路仿真模型Fig.4 Simulation model of 24-pulse rectifier circuit

3.2 電壓輸出特性

24脈波整流機組輸出空載直流電壓波形如圖5所示。波形在一個交流周期內脈動24次，每個波動的間隔為15°。

4 諧波分析

由于二極管的阻斷作用，在整流變壓器繞組中流過的是由基波電流和高次諧波電流組成的近似正弦波。直流側輸出電壓是脈動直流，而饋入電網的電流則是含有諧波的非正弦電流。本文通過傅立葉分解對直流側空載電壓和注入電網的電流進行諧波分析。

圖5 24脈波整流機組空載電壓波形Fig.5 The 24-pulse no-load voltage waveform

4.1 直流側空載電壓諧波分析

對于m脈波整流的輸出電壓[7]，若把縱坐標選在整流電壓的峰值處，則在-π/m～π/m區間，整流電壓的表示式為

根據傅氏級數分析，整流電壓可分解為

由于整流電壓關于縱軸對稱，因此αn=0

又因Ud0以2π/m為周期重復出現，故應有

cosn（ωt）=cosn（ωt+2π/m）=cos（nωt+2nπ/m）即 2nπ/m=2kπ（k=1，2，3…），所以n=mk，該結果表明在余弦項中n一定是m的整數倍。

根據傅氏級數分析，可求得

從上面的結果可知，脈波數m的增加使諧波中最低次諧波的頻率增加，同時其幅值迅速減小。12脈波整流只含有12k（k=1，2，3…）次諧波，最低次為12次；24脈波整流只含有24k（k=1，2，3…）次諧波，最低次為24次，且幅值比12脈波整流時大為減小。

整流電壓的有效值

整流電壓的諧波分量，即紋波電壓的有效值

設紋波因數為γU，則其值為

不同脈波數時的電壓紋波因數如表1所示。從表中數據可看出，隨著整流脈波數的增加，紋波因數值迅速減小。

表1 不同脈波數時的電壓紋波因數值（％）Tab.1 Voltage ripple factor values of different pulse

4.2 注入電網的諧波電流分析

帶負載（純電阻負載）運行時[2，8]，兩組12脈波整流電路完全對稱，由T1和T2兩臺變壓器注入電網的合成電流 的傅氏級數形式如下：

整流器是電網中的主要諧波源，特征頻譜為n=kp±1 ，可知當脈波數p增大，n也相應增大。而In≈I1/P，故諧波電流將減少。12脈波整流機組注入電網的主要是12k±1（k=1，2，3…）次諧波，最低次為11、13次；24脈波整流機組注入電網的主要是24k±1（k=1，2，3…）次諧波，最低次為23、25次。

5 結束語

采用24脈波整流機組，網側電流諧波含量大大降低，減少了對電網的污染；同時輸出直流電壓的紋波系數較小，直流電壓質量較高，為機車提供了優質穩定的電能。24脈波整流機組總的費用雖然會較12脈波整流機組有所增加，但與其所獲得的性能提升相比是微不足道的。有資料顯示，使用國產24脈波整流機組，電流諧波的含量比12脈波整流機組減少了約50％，而其成本僅增加了約15％。因此，24脈波整流機組將在地鐵中得到越來越廣泛的應用。

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The mechanism analysis of 24-pulse recti fi er unit for city track traf fi c

LI Zhi-wei，QIU Rui-chang，LI Shu-ying，XI Hai-kuo
（Beijing Engineering Research Center of Electric Rail Transportation，The School of Electrical Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China ）

This paper analyzes the mode of connection and the principle of the 24-pulse rectifier of DC power supply system of city track.Taking advantage of SIMULINK in MATLAB，a simulation on 24-pulse rectifier unit is also taken；meanwhile harmonic current with Fourier series is analyzed.The results show that 24-pulse rectifier unit can reduce the pollution of the grid.At the same time，the output DC voltage ripple coefficients become smaller.

24-pulse rectifier unit；axial double split transformer；stretch triangle；harmonic analysis

TN710.1

A

1674-6236（2014）11-0057-04

2014-04-07 稿件編號：201404055

國家科技支撐項目（2013BAG24B01）

李智威（1988—），男，山西呂梁人，碩士研究生。研究方向：電力電子與電力傳動。