摘  要：分析了城市轨道交通牵引供电系统中24脉波整流机组的接线方式和工作原理，并应用Matlab/ Simulink软件建立整流机组的仿真模型，分析其运行特性。在该基础上，解释了采用 24 脉波整流在消除谐波对电网不利影响中的作用，从而为地铁牵引供电系统的研究提供参考。

关键词：直流牵引供电系统；24 脉波整流；运行特性；谐波电流

 

      近年来国内的城市轨道交通迅速发展，许多大中城市已经着手或即将开始城市轨道交通建设，但是国内对于城轨牵引供电系统的研究却相对落后。牵引供电系统作为城市轨道交通车辆运行的动力来源，其安全可靠性直接影响着整个城市轨道交通系统的安全稳定运行。交直流变换过程是直流牵引供电系统中的关键环节，负责该过程的整流机组是地铁牵引供电系统的一个核心设备。对整流机组的结构、运行特性以及工作原理进行详细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之一。

      在大功率整流机组的运行过程中，不可避免会产生谐波，对城市电网以及牵引供电系统造成危害。为了减少牵引供电系统网侧谐波电流对城市电网的不利影响，国内城市轨道交通牵引变电所中采用的整流机组已经由原来的 12 脉波向 24 脉波发展，并成为主流整流方式。整流机组由整流变压器和整流器组成。本文首先介绍整流变压器和整流机组的接线方式，然后采用 Matlab/ Simulink 建立 24脉波整流机组的仿真模型，进而研究它的运行工况和理想状态下的整流特性，并分析 24 脉波整流机组的网侧谐波电流以及影响网侧谐波电流含量的各种因素。

 

      整流变压器的作用是将城市电网电压转变为整流装置所需要的电压，并通过改变相数及相位角来满足网侧和阀侧正常运行对电压的要求。2 台整流变压器网侧绕组分别采用±7.5°外延三角形接线方式，阀侧绕组采用 d、y 接法，其线电压相角相差 30°，这样构成的 2 台变压器的 4 套阀侧绕组线电压的相位互差 15°，经全波整流后，在直流侧并联运行，组成 24 脉波的整流系统。当采用延边三角形移相时，由于一次侧的 3 次谐波电流形成闭合回路，无论二次侧绕组采用何种接线方式，都不会引起电压波形畸变。该情况下因移相所增加的变压器容量较小，又因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，桥间一般不再加设平衡电抗。现在该接线方式已成为整流变压器的主流结构。

      由于整流变压器的网侧绕组采用延边三角形移相±7.5°接线方式，增加了移相绕组。其移相绕组电压 U_y，主绕组电压 U_m与城市电网电压 U₁之间的关系满足正弦定理。

      采用延边三角形移相±7.5°的整流变压器的网侧绕组接线方式如图 1、图 2 所示。

      整流变压器阀侧两绕组分别采用星形和三角形连接方式，2 个绕组的电压比为  ∶1，故其匝数比应尽量为∶1。否则，会由于 2 个绕组电压不等而引起环流，导致局部过热。

      整流变压器接线方式如图 3 所示。

      城市轨道牵引供电系统中的整流机组由整流变压器和整流器构成。国内大多数城市轨道交通牵引供电系统采用的是 24 脉波不可控桥式整流机组，该系统由 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，国内整流器现多采用大功率整流二极管。由于整流变压器采用轴向双分裂结构，直流阀侧绕组间具有较大的短路阻抗，因此一般不再设置平衡电抗。24 脉波整流机组接线原理如图 4 所示。

      由于谐波次数与整流脉波的关系：

      P = 6K×N±1

式中，P 为谐波次数；N 为整流脉波数；K 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，从而对城市电网的不利影响也就越小。因此，目前城市轨道交通牵引供电系统广泛采用 24 脉波整流机组。对于三相全波桥式整流来说，脉波数越多，相应的功率因数越高。

      24 脉波整流机组仿真模型如图 5 所示。根据某地铁 24 脉波整流机组的参数：整流变压器额定容量为 3 450 kV·A，电压比为 35∶1.18，空载电压1 640 V，额定电压 1 500 V，依次设置模型参数。

      利用整流机组仿真模型得到 35 kV 网侧电压和电流波形如图 6 所示。

      直流输出电压仿真结果见图 7。可以看出，24脉波整流机组直流电压的特征脉波为 24 N 次。