1、地 铁直流牵引供电系统整流机组的仿真分析*董海燕，田铭兴（兰州交通大学 自动化与电气工程学院，甘肃 兰州 730070）摘要：地铁列车牵引直流电动机广泛使用 24 脉波整流机组提供的直流电源 。本文分析了 24 脉波整流机组的工作原理，并利用 MATLAB 中的 SIMULINK 对 24 脉波整流机组进行了仿真分析，用傅里叶级数分析了交直流侧电流谐波 。结果表明：采用 24 脉波整流机组，电流谐波含量大大降低，减少了对电网的污染，同时输出直流电压的纹波系数较小，从而体现了在地铁直流牵引供电系统中采用 24 脉波整流机组的优越性 。关键词：地铁； 24 脉波整流机组；仿真；谐波电流中图分类号：
2、 TM33 文献标识码： ASimulation analysis of metro DC traction power supply system rectifier unitDONG Hai-yan， TIAN Ming-xing（ School of Automation 24-pulse rectifier unit; simulation; harmonic current1 引言地铁直流供电系统主要由高压电源系统 、牵引供电系统和动力照明系统组成，其中牵引供电系统是地铁直流供电系统的关键组成部分 。在牵引供电系统中，主要的牵引供电设备由整流变压器 、整流器 、直流开关柜 、轨道电位
3、限制装置和1500V 直流电力电缆构成 。整流变压器和整流器统称为整流机组，是牵引供电系统的核心设备，它的作用是将环网电缆 35kV AC 经降压整流输出1500V DC 供给地铁接触网，实现直流牵引 。目前，我国地铁牵引整流机组已经由 12 脉波向等效 24脉波发展，并将以 24 脉波为主流 。本文使用 MATLAB-Simulink 的电力系统仿真模块（ Power System Blockset）建立 24 脉波整流机组主电路仿真模型，并对直流侧谐波电流和馈入电网的谐波电流进行了分析 。2 24 脉波整流机组的原理24 脉波整流机组的主电路原理图 1如图 1 所示 。整流机组主要由两台
4、12 脉波轴向双分裂式牵引整流变压器和 4 组全波整流桥组成 。每台变压器阀侧二套绕组分别接成 d 接法和 y 接法，其线电压形成 30相差 。两台变压器的网侧采用延边三角形接法，分别移相 7.5 2。这样形成的两台变压器的四套阀侧绕组的线电压相量互差 15相位（阀侧电压向量图如图 2 所示），分别经全波整流后，在文章编号： 10057277（ 2010） 050031032010 年 第 32 卷第 5 期 第 31 页电气传动自动化ELECTRIC DRIVE AUTOMATIONVol32， No52010， 32（ 5）： 3133* 基金项目：甘肃省自然科学基金（ 096RJZA09
5、2）甘肃省高等学校基本科研业务费专项资金资助项目Dy11Dd0网侧移相 +7.5T1+-B1 B2T2Dy1Dd2网侧移相 -7.5AC（ 35kV）B3 B4DC（ 1.5kV）图 1 24 脉波整流机组主电路原理图直 流侧并联运行，构成 24 脉波整流机组 。值得注意的是，当变压器采用了轴向双分裂式结构，阀侧绕组间具有较大的短路阻抗（分裂阻抗），因此一般都不设桥间平衡电抗器 。3 24 脉波整流机组的模型建立3.1 仿真模型建立24 脉波整流机组主电路仿真模型 3、4如图 3所示 。根据某地铁线 24 脉波整流机组的参数（整流变压器采用干式四线圈型式，整流变压器的额定功率为 3450kW，
6、电压比为 35kV/1180V，空载电压 1640V，额定电压 1500V），依次设置模型参数 。3.2 电压输出特性T1 整流机组整流后输出的空载直流电压波形如图 4 所示，其输出直流侧电流波形在一个周期中脉动 12 次，每个波动间隔为 30。T2 整流机组整流后输出的空载直流电压波形如图 5 所示，同 T1 整流机组的输出空载直流电压波形具有 15的相位差 。2 台整流机组并联运行即为 24 脉波整流机组，其输出空载直流电压波形如图 6 所示 。波形在一个交流周期内脉动 24 次 ,每个波动的间隔为 15。32 电气传动自动化 2010 年 第 5 期c2a2 c4a4c1b1c3b3c2
7、b2c4b4a1b1a3b3a2b2a4b4a1c1a3c3a2c2a4c4b1c1b3c3b2c2b4c4b1a1b3a3b2a2b4a4c1a1c3a3图 2 阀侧电压相量图ContinuouspowerguiABCThree-Phase SourceA+B+C+A-B-C-a3b3c3Phase-Shifting Transformer 1+7.5ZigzagABCa2b2c2a3b3c3Three-PhaseTransformerDy11Dd0ABC+-1ABC+-2123LpRABC+-3+-ABC4a2b2c2a3b3c3ABCa3b3c3A+B+C+A-B-C-7.5Zigzag
8、Phase-Shifting TransformerThree-PhaseTransformerDy1Dd2图 3 24 脉波整流机组主电路仿真模型图1700160015001400130012000 0.002 0.004 0.0060.008 0.010.0120.0140.0160.0180.02时间（ s）电压（V）图 4 T1 整流机组 12 脉波空载电压波形1700160015001400130012000 0.002 0.004 0.0060.008 0.010.0120.0140.0160.0180.02时间（ s）电压（V）图 5 T2 整流机组 12 脉波空载输出电压波形1
9、700160015001400130012000 0.002 0.004 0.0060.008 0.010.0120.0140.0160.0180.02时间（ s）电压（V）图 6 24 脉波整流机组空载电压波形2010 年 第 5 期 33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4 谐波分析变流器等非线性电力设备接在电网中使用时，它们在从电网吸收有功电流和无功电流的同时，也向电网注入谐波电流，而谐波电流在电网阻抗上产生的谐波压降，使电网各点电压产生畸变，干扰了电网中其他设备的良好运行 。地铁供电系统中，整流装置是主要的谐波源，只要减少整流装置产生的谐波，就可以减少地铁供电系统
10、110kV侧注入公用电网的谐波量 。由于二极管的阻断作用，在整流变压器绕组中流过的是近似正弦波，是由基波电流和高次谐波电流组成 。直流侧输出电流是脉动直流，而馈入电网的电流则是含有谐波的非正弦电流 。这里采用傅里叶分解对直流侧电流和注入电网的电流进行了谐波分析 5。4.1 直流侧电流谐波分析图 6 为 24 脉波直流侧电流波形（假设输出负载设为阻性，其电压和电流波形相同），其表达式 id=Idmcost，周期 T=/12，可以求出直流电流均方根值为：IdN=1224-24乙I2dmcos2t姨=12+6sin12Idm姨（ 1）直流电流平均值 Id为：Id=1224-24乙Idmcostdt=
11、24sin24Idm（ 2）id的傅氏级数为：id=24sin24Idm（ 11n2-1cosnt （ 3）其中 n=24k（ k=1， 2， 3） 。等式右侧首项为直流分量，等于直流电流平均值 Id，余项为交流分量，是由n=24k（ k=1， 2， 3）次谐波电流之和组成，且 k 为奇数时式（ 3）取正号， k 为偶数时式（ 3）取负号 。由此可以求出 24 脉波直流电源中的总谐波电流均方根值约等于直流电流平均值的 0.26%。通过仿真得到的直流侧电流频谱图如图 7 所示 。根据仿真结果可知 : 直流电流平均值约等于 19.23A，直流电流中总谐波电流均方根值约等于 0.0493A，总谐波电
12、流均方根值 / 平均值 =0.0493 / 19.230.26%，其结果近似与理论分析一致 。总之， p 脉波直流侧电源中除了直流分量外，所含谐波电流的次数 n 为 p 的整数倍，即 n=kp， p 为脉波数， k=1， 2， 3。总谐波电流均方根值占直流电流平均值的比值，随着 p 值的增加而大幅度减小 。4.2 注入电网的谐波电流分析图 4 中，带负载（纯电阻负载）运行时，两组 12脉波整流机组完全对称，由 T1 和 T2 两台变压器流入电网的合成电流 idwz的傅氏级数形式如下：idwz（ t） =6Idm（ 1+23 3姨） cost-111cos23t+113cos25t- （ 4）式
13、中： idwz1（ t） =6Idm（ 1+23 3姨） cost 为基波电流，其余为谐波电流 。24 脉波整流机组注入电网的谐波含量大大减少，其频谱分析如图 8 所示，注入电网的主要是24k1（ k=1， 2， 3）次谐波，最低次为 23、25 次 。5 结论采用 24 脉波整流机组，直流侧输出的直流电流谐波含量很小，而馈入电网的交流电流谐波含量图 7 24 脉波直流侧电流频谱图864200 10 20 30 40 50Harmonic order105Mag（%ofFundamental）Fundamental（ 50Hz） =3.887e-005， THD=179247.47%（下转第
14、44 页）-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4-4 432221100-3 332221000-2 2322100-1-1-1 2 2 1 1 0 0 -1 -2 -20 2 2 1 1 0 -1 -1 -2 -21 1 1 1 0 -1 -1 -2 -2 -32 1 0 0 -1 -1 -2 -2 -3 -33 0 0 0 -2 -2 -2 -3 -3 -44 0 -1 -1 -2 -2 -3 -3 -3 -4EUEC表 2 优化后的模糊控制规则表比较理想的模糊控制规则表 。优化后的模糊控制规则表如表 2 所示 。4 结论从以上仿真实验的结果中可以看出，在模糊控制中采用遗传算法优化模糊
15、控制规则表，可得到最优的规则表，使建立的规则表更为科学，输出响应较好的跟踪输入信号 。证明了该优化方法是可行的，并达到了较好的控制效果 。参考文献： 1张景元 模糊控制规则优化方法研究 J .计算机工程与设计， 2005， 26（ 11） :2917-2919. 2 PalT, PalN R. Learning Fuzzy Rules for Controller withGenetic Algorithms J . International Journal of Intelligent Sys-tems, 2003,（ 18） :569-592. 3曹秀爽，李 兵 . 基于 SAGACIA
16、 优化方法的模糊控制规则优化及其 MATLAB 实现 J . 河北理工学院学报，2007， 29（ 1） :72-74. 4周小英等 遗传算法在模糊控制规则优化中的实现 J 电子科技大学学报， 2000， 29（ 2）： 162-165. 5董海鹰 . 智能控制理论及应用 M . 北京：中国铁道出版社， 2006. 6王小平，曹立明等 . 遗传算法理论 、应用与软件实现 M .西安：安交通大学出版社， 2002. 7刘金锟 先进 PID 控制 -Matlab 仿真 M . 北京：电子工业出版社， 2004.作者简介：杨 玺（ 1984-），女，硕士研究生，兰州交通大学自动化与电气工程学院控制理
17、论与控制工程专业，研究方向为智能控制及算法 。44 电气传动自动化 2010 年 第 5 期收稿日期： 2010-04-06图 8 电网电流频谱图534200 10 20 30 40 50Harmonic orderMag（%ofFundamental）1Fundamental（ 50Hz） =1.532， THD=0.46%大为降低，减少了对电网的污染，同时输出直流电压的纹波系数小，直流电压质量高 。24 脉波整流机组相比 12 脉波具有更强的削弱网侧谐波电流的功能，所以 24 脉波整流机组将成为地铁中电网建设的主流 6。参考文献 : 1陈海军 24 脉波整流机组的原理及保护方式 电工技术，
18、2005 2陈海军，程小华 地铁整流机组相量图及输出波形分析 J 变压器， 2006， 43（ 8） 3洪乃刚 电力电子与电力拖动控制系统的 MATLAB 仿真 北京：机械工业出版社， 2006 4李良威，李群湛，刘 炜 4 脉波整流器外特性仿真及其在城市轨道交通中的应用 J 城市轨道交通研究，2007， 32（ 10） 5钱长生，齐嘉瞻，李国新等 24 脉波整流变压器的谐波计算分析 J 变压器， 2007， 44（ 12） 6林惠汉，凌文坚，吴世成 24 相轴向双分裂整流变压器 J 变压器， 2002， 39（ 10） 作者简介：董海燕，女，甘肃和政人，兰州交通大学硕士研究生，从事电力电子与电力传动方面研究工作 。田铭兴，男，甘肃武威人，兰州交通大学副教授，硕士生导师，从事电传动方面的研究工作 。收稿日期： 2010-04-02（上接第 33 页）33333333333333333333333333333333333333333333
