長沙市軌道交通1號線整流機組的應用研究

0 引言

國內城市軌道交通采用的24脈波整流機組通常由2臺整流變壓器和2臺12脈波整流器構成，是地鐵牽引傳動系統中的整流設備，其主要任務是為地鐵列車提供直流電源。而長沙市軌道交通1號線所采用的24脈波整流機組由2臺12脈波整流變壓器和4臺6脈波整流器構成。對于整套完整的整流設備，該整流機組的總元器件數量多于國內其他線路采用的數量，在柜體、二極管、熔斷器、散熱器、PLC等材料設備費用上稍高于傳統線路的設備投資。從另一方面看，其散熱器數量、抗脈沖電阻數量等都比僅由2臺12脈波整流器構成的整流機組要多，提高了設備的可靠性，改善了整流機組的散熱性能和抗脈沖電流性能，降低了整流機組故障率，延長了設備的使用壽命，減小了運營事故及維護成本。因此長沙市軌道交通1號線采用的整流機組在實際應用方面有其獨特的優勢，下文對其諧波、散熱性能、抗脈沖電流等特性進行深入分析。

1 整流機組結構及工作原理

城市軌道交通供電系統中牽引變電所主接線包括直流受饋電和高壓交流受配電2部分，其中整流機組承擔了交流轉直流的重任。為了減小輸出直流電壓中的脈動數、諧波含量，實現單純的整流功能，通常采用六相、十二相、二十四相等脈波整流方式。長沙市軌道交通1號線整套整流機組包含2臺12脈波軸向雙分裂式整流變壓器和4臺6脈波整流器，其中整流變壓器繞組側采用d接線法和y接線法，線電壓相位相差30°；網側采用三角形接法，移相±7.5°，2臺整流變壓器輸出線電壓相位互差15°，并經過4臺并聯的6脈波整流器構成24脈波整流。24脈波整流機組主電路如圖1所示。

圖1 24脈波整流機組主電路

2 整流機組仿真建模

長沙市軌道交通1號線的整流機組采用24脈波整流，實施方案為：在每座牽引變電所設置4臺12脈波整流器，型號為ZQA-1000/1500，額定容量為1 500 kW×2，經4臺6脈波整流器并聯運行，得到等效24脈波方式的整流機組。實踐證明，該方式構成的整流機組性能可達到地鐵日常運營的標準要求，過載能力也能夠達到國際電工委員會IEC60146 VI級的標準。所采用的12脈波整流變壓器型號選用3300/35型，該型號整流變壓器的額定容量為ZQSCB10-3300/35，具有抗負荷沖擊性能好、損耗小、體積小、防火、安全可靠等優點。

基于等效24脈波整流機組結構，通過Matlab/Simulink軟件搭建整流機組的時域仿真模型，以分析24脈波整流機組的諧波特性。仿真模型的搭建步驟為：（1）新建一個Simulink模型；（2）在模塊庫中選擇移相變壓器、三繞組變壓器、整流器、負載電阻、測試單元等模塊；（3）將各個模塊連接，完成24脈波整流機組仿真模型的搭建。

仿真模型參數與長沙市軌道交通1號線整流機組的實際運行參數相符，其中整流變壓器容量為3 300 kV·A，變比為35 kV/1 180 V，工頻電壓和沖擊電壓分別為30 kV、170 kV，整流變壓器采用D（±7.5°）y11d0接線方式，輸出電壓為 DC 1 500 V，負載電阻為純阻性。圖2所示為長沙市軌道交通1號線整流機組的時域仿真模型。

圖2 24脈波整流機組模型

24脈波整流機組仿真模型所采用的參數如表1所示。

表1 24脈波整流機組仿真參數

在仿真過程中需注意以下2點：（l）圖2中左上角的Powergui模塊是Simpowersystems中自帶的頻譜分析工具箱，可用于分析電壓/電流信號的諧波含量及阻抗頻率等特性，仿真時必須加入；（2）Simulink中有2種類型的連線，一種為信號線，具有方向性，另一種為電力線，無方向性，2種不同類型線路無法直接相連，因此無法將示波器直接連接到線路中，需借助測量模塊將兩者聯系起來，如圖2中的Current和Voltage。

直流電壓仿真波形如圖3所示，可發現，直流側電壓波形中出現脈動電壓波形。將波形放大，觀察一個周期 （0.02 s）可知其在0.02 s內脈動24次，脈動間隔為15°。

圖3 24脈波下直流電壓仿真波形

為進一步分析長沙市軌道交通1號線整流機組的性能，考慮搭建通用的12脈波整流機組時域仿真模型，以模擬國內其他地鐵線路12脈波整流機組的運行輸出特性。圖4為所搭建的12脈波整流機組仿真模型，其仿真參數如表2所示。

圖4 12脈波整流機組模型

表2 12脈波整流機組仿真參數

設定相關的仿真參數后，可得到12脈波整流機組輸出的直流電壓波形，如圖5所示。圖中直流電壓在一個工頻周期內脈動12次，其波動間隔為30°。仿真結果與實際情況相符，說明所搭建的仿真模型是可靠的。

圖5 12脈波下直流電壓仿真波形

對比分析圖3和圖5可知，對于24脈波的整流機組，其仿真輸出的直流電壓紋波小于15 V，而對于12脈波的整流機組來說，其仿真輸出的直流電壓紋波約為60 V。由此可得，整流機組所采用的脈波數越多，其輸出端直流電壓波動越小，供電質量也將相應提高。

3 整流機組諧波分析

3.1 直流側電流諧波分析

負載為純阻性時，整流機組輸出的電壓、電流波形相同?；谒罱ǖ?2脈波和24脈波整流機組仿真模型，將仿真分析得出的直流電壓數據進行頻譜分析，如圖6、圖7所示。

圖6 12脈波整流機組直流電壓頻譜

可以看出，圖6中直流電壓的總諧波畸變率為1.88%，主要諧波含量分布在12、24、36、48次，且隨著頻率的增高其含量呈現遞減的趨勢。主要諧波含量分布情況如表3所示。

表3 12脈波整流下輸出直流電壓諧波含量分布

圖7中24脈波整流下其輸出直流電壓的總諧波畸變率為0.45%，主要諧波含量分布在24、48、72次，且隨著頻率的增高其含量呈現遞減的趨勢。主要諧波含量分布情況如表4所示。

由此可得出結論，12脈波下其輸出主成分為直流分量，此外含有12k次的諧波分量，同時諧波分量呈現逐漸遞減的規律；24脈波直流電壓頻譜包含了24k次的諧波分量，所包含的諧波分量也呈現了隨著諧波次數的增大而遞減的規律?；谏鲜龇治隹芍?，m脈波整流機組輸出主要為直流電壓分量，但同時也存在n=km，k=1,2,3,….次的諧波，脈動數m越大，輸出的直流電壓越平滑，諧波含量也越低。因此，24脈波整流機組比12脈波整流機組在輸出直流電壓的質量方面更加優越。

圖7 24脈波整流機組直流電壓頻譜

表4 24脈波整流下輸出直流電壓諧波含量分布

3.2 交流側電流諧波分析

運行12脈波整流機組的仿真模型，負載電阻為純阻性，即可得到35 kV交流側A相電流波形數據。然后對該數據進行傅里葉分解，可以得到12脈波整流機組的交流側A相電流的諧波頻譜，如圖8所示。

圖8 12脈波下A相電流頻譜

圖8中12脈波整流機組交流側A相電流的總諧波畸變率為1.21%，主要諧波含量分布在11、13、23、25、35、37次，同時也存在諧波含量隨諧波次數增大而減小的規律，其主要諧波含量分布情況如表5所示。對比該整流機組聯調型式試驗報告中實測的最大負載實驗條件下12脈波交流側電流波形頻譜數據可知，仿真模型中12脈波整流下交流側電流諧波含量分布規律與實測值十分相似（型式試驗報告實測值：11次諧波含量為1.103%，13次諧波含量為0.530%），驗證了仿真模型的正確性，同時也說明所總結的規律是有效的。

表5 12脈波整流下交流側A相電流諧波含量分布

圖9為24脈波整流方式下交流側A相電流諧波含量頻譜圖。

圖9 24脈波下A相電流頻譜

圖9中24脈波下交流側A相電流總諧波畸變率為0.71%，主要諧波含量分布在23、25、47、49、71、73次，分布情況如表6所示。該仿真結果與該整流機組聯調型式試驗報告中實測的最大負載實驗條件下24脈波交流側電流波形頻譜數據分布規律相同，驗證了仿真模型的正確性。

表6 24脈波整流下交流側A相電流諧波含量分布

由仿真結果可知，12脈波整流方式下整流器注入電網的特征諧波次數為12k±1次，11、13次諧波含量最大，然后隨著諧波次數的增大含量遞減；24脈波整流方式下整流器注入電網的特征諧波次數為24k±1次，其中23、25次諧波最為豐富，并隨著諧波次數的增大，其含量逐漸遞減?；诖丝煽偨Y規律，24脈波整流相比12脈波來說，可降低交流側電流總畸變率40%以上，大大降低了注入交流側諧波的含量，減小了諧波污染。

4 散熱性能及抗脈沖電流干擾性能分析

4.1 整流機組散熱性能分析

由于長沙市軌道交通1號線每個牽引所內的整流機組比國內其他線路整流機組在柜體、二極管、熔斷器等數量上有所增加，直接增強了設備穩定性，使設備的散熱及耐受脈沖電流效果有了顯著提升，降低了整流機組故障率，延長了設備的使用壽命，降低了運營維護成本。為更好地分析長沙市軌道交通1號線整流機組散熱性能，將其與北京市軌道交通15號線整流機組進行對比，各選取3個不同站點，測試整流機組運行時的溫度數據。正常運行時整流器頂部溫度的統計如表7所示。

表7 正常運行時整流器頂部溫度統計 ℃

從表7可以看出，正常運行時長沙市軌道交通1號線整流機組的溫度在22.3℃～24℃之間，平均溫度為23.1℃。由于北京市軌道交通15號線SCADA系統不具備檢測整流器溫度數據功能，因此需采用溫濕度測試儀測量整流器的溫度。將溫濕度測試儀置于整流柜內頂部，測量整流器的頂部溫度（與長沙市軌道交通1號線的SCADA系統溫度測試點的布置相同），然后采用多次測試求平均值的方法來減小誤差。經過統計，北京市軌道交通15號線整流機組的平均溫度為25.2℃。

可以看出，采用4臺6脈波整流器構成的整流機組，相對于國內其他多數線路采用2臺12脈波整流器構成的整流機組，由于增加了一倍數量的散熱器，其散熱效果更優。

4.2 抗脈沖電流干擾性能分析

在整流器穩態運行時，需要綜合考慮橋臂二極管的啟動可靠性和減小直流紋波電壓2個因素來選擇濾波電容，以提高抗脈沖電流性能。其中為增強啟動可靠性，可以加設限流電阻，而為了減小直流紋波電壓，則需選擇盡可能大的濾波電容。由4個6脈波整流器構成的24脈波整流機組在元器件及浪涌保護器數量上比由2個12脈波整流器構成的24脈波整流機組要多，故其抗脈沖電流的效果更好。

5 結語

通過搭建長沙市軌道交通1號線24脈波整流機組的時域仿真模型，同時建立常見的12脈波整流機組仿真模型，對比分析2種整流方式的交、直流側諧波特性。仿真結果表明，24脈波整流方式下整流機組注入電網的諧波電流相對較少，減輕了對電網造成的諧波污染；其直流輸出電壓紋波小，諧波含量低，波形更平穩；由于整流機組散熱器、二極管、浪涌保護器等元器件數量上的增加，使整流機組的散熱性能及抗脈沖電流性能更為優良。

參考文獻：

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