地鐵牽引供電系統中感應濾波技術的應用

王磊

摘 要：地鐵牽引供電系統中傳統的濾波方法，可以在一定程度上減小諧波分量，但是由于傳統方法會大大增加變壓器的制造成本，且方法較為復雜不容易實現，針對這種問題如何尋求一種高效可靠的諧波治理方案來提高地鐵牽引供電系統的電能質量就尤為重要。

關鍵詞：地鐵牽引供電系統；感應濾波技術；應用

我國地鐵站常用動力照明設備包括風機、水泵、照明、空調暖通系統、通信設備以及防災報警設備等。電力監控系統主要負責地鐵供電系統中各種設備運行狀態的采集、跟蹤及操縱，其主要由控制中心主服務器、終端變電所控制設備記憶數據傳輸網絡組成。

1.感應濾波技術原理

地鐵供電系統主要采用12脈沖整流，為了更好保證12脈沖整流部分的換相要求，在變壓器選擇上采用諧波屏蔽式自耦變壓器，濾波原理主要是將11次及13次特征諧波濾波器接在閥側公共繞組的抽頭處，從而保證在相應的諧波頻率下濾波器支路阻抗下降為零，完成對諧波電流的分流。

2新型整流變壓器的組成架構

新型地鐵牽引供電系統是在感應濾波的技術基礎上，改變整流變壓器兩套閥側接法，由原來的Y型/△型接法改變為延邊三角形聯結法。在延邊三角形公共繞組抽頭的位置連接濾波裝置，改變公共繞組設計實現零阻抗繞組，借助濾波器給出的短路通路使得閥側特定次諧波可直接通過，避開變壓器鐵心進入網側這一環節，阻斷諧波電流的傳輸和擴散。整流變壓器的接法選用一次側接Y型，二次側兩套繞組選用D聯結，借助繞組方式改變產生電壓相位差，兩套繞組依次和整流器連接形成12脈波整流，使變壓器鐵心中諧波電流磁勢倍數達到12（K±1）（K=1，2，3）次。新型整流變壓器閥側接線電壓移相角為±15°，兩組線電壓差角為30°，形成12脈波換相整流變壓器；兩組閥側繞組的匝數比一樣，使制造更容易。

3供電系統的仿真建模

本文基于電力系統的MATLAB-SIMULINK仿真模塊，對傳統24脈波牽引供電系統和新型地鐵牽引供電系統進行仿真建模，進而對比分析2套供電系統的穩態運行特性。

3.1傳統24脈波供電系統的仿真建模

當下常用的牽引整流機組主要是24脈搏整流，采用兩臺12脈波軸向雙分裂牽引整流變壓器及4套3相橋式整流器實現。對于變壓器閥側2套繞組，分別采用了星型接法和三角形接法，將線電壓相變為30°；對于變壓器網側繞組，選用外延邊三角形接線法，移相為±7.5°，造成2臺變壓器的4套閥側繞組電壓相位差均為15°，經全波整流并聯通過直流側，形成24脈波整流機組。結合某地鐵6號線24脈波整流供電系統產生的參數，發現12脈波整流變壓器仿真建模參數可設計為2500kV？A的額定容量、1650V的空載電壓、1500V的直流側額定電壓及33kV/1180V的變壓器變比。

3.2新型地鐵牽引供電系統的仿真建模

新型整流變壓器閥側2套繞組由于采用延邊三角形接法進行連接，使移相為±15°，構成2套繞組線電壓相差達30°，通過三相不可控整流橋進行整流，使并聯通過直流側，形成12脈波整流電路，其中變壓器閥側抽頭位置分別連接了DT5/7，DT11/13次雙調諧濾波器。仿真過程中牽引負荷選用恒功率負載來替代，采用的仿真算法是變步長4階/5階龍格-庫塔積分算法ode45，時間為0.1s。詳細系統參數設置如下。

1）區別于傳統24脈波整流系統，直流側額定電壓設置為1500V，額定功率設置為2200kW。

2）新型整流變壓器整流側單臺變壓器的額定容量為383.53kV？A，額定電壓比值是19052.56：610.83：352.63；公共繞組選用零阻抗設計法，使其等值阻抗是網側等效阻抗的5%。

4兩者仿真結果比較

圖1為傳統24脈波整流系統下網側、閥側的電流波形和頻譜仿真圖。由圖1可知，閥側電流主要含有6（K±1）（K=1，2，3…）次諧波，其中5次、7次諧波較大。電網注入諧波特征主要是24（K±1）次諧波，其中23次、25次諧波占主導。

圖1傳統24脈波整流系統的仿真電流波形和頻譜圖

圖2是新型整流變壓器網側、閥側的仿真電流波形圖。由圖2可知，新型整流變壓器及其濾波系統可以抑制5次、7次、11次、13次特征諧波于閥側，網側電流正常率明顯提升，網側諧波含量大大小于國家標準。

圖2新系統模型的仿真電流波形和頻譜圖

通過對比圖1b、圖2b，可以發現：相比于傳統24脈波整流系統，新型脈波整流系統的閥側11次、13次、23次、25次特征諧波均呈現增加趨勢，但閥側5次、7次諧波含量卻明顯降低。由此可知，新型系統通過抑制進入閥側前的5、7次諧波，提升了諧波利用率，降低了5次、7次諧波對變壓器造成的損耗。

通過對比圖1a、圖2a，可以發現：新型脈波整流系統網側諧波含量幾乎達到24脈波整流特性，有效降低了生產制造的成本；同時，新型整流變壓器和其濾波系統牽引的地鐵供電系統，其功率因數遠大于傳統24脈波整流系統。由此可知，新型脈波整流系統有效地補償了閥側無功功率，大大減少了流經過整流變壓器的無功容量和整流變壓器的設計容量。

5工程中的實際應用

根據濾波器投入使用后的波形，可以看出，濾波器投入使用后輸出端波形得到了顯著的改善，網側電流總畸變率降低。濾波功率裝置投入后，網側功率因數角下降了9.34°，功率因素提升了0.983，應用結果和仿真結果一致。需要注意的是，感應濾波技術和有源濾波技術、網側濾波技術相比，可以更好地進行無功功率補償，并有效抑制諧波，降低了無功電流和諧波電流的流通路徑，不僅可以取得了良好的抑制效果，同時也降低了諧波對噪聲和變壓器振動造成的不良影響，節能性良好。

結束語

通過在供電系統中應用感應濾波技術，可以使閥側諧波無法流入到高壓網側，有良好的無功補償效果和諧波抑制效果。論文重點對感應濾波技術在地鐵牽引供電系統中的應用進行探討。

參考文獻：

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