牵引变电所的谐波分析

牵引变电所的谐波分析
摘要：城市轨道交通系统供电系统采用整流机组供电，由于整流机组中整流变压器及各种非线性元件的存在，不可避免地会产生谐波；而谐波给地铁牵引供电系统带来的危害性较大，有必要对其进行分析研究，寻求抑制谐波的有效措施。

文中的地铁直流牵引变电站采用24脉波整流机组，应用matlab/simulink工具箱对某实际地铁牵引供电系统建模仿真，并计算分析产生的谐波，提出有效抑制谐波的治理措施。

关键词：谐波牵引变电所 24脉波整流器供电仿真
中图分类号：u22 文献标识码：a 文章编号：1007-9416（2012）11-0213-02
1、引言
随着我国国民经济持续发展和城市化进程不断加快，以地铁为代表的城市轨道交通系统能够有效缓解城市交通拥堵和大气污染等
问题[1-2]][[1-2]。

地铁牵引供电系统的电源为城市中压交流电网，经整流机组变换为地铁系统所需的相应直流电压等级[3]，然后通过接触网或第三轨，向动车组中的牵引逆变器供电，最后将逆变产生的三相交流电压供给三相异步牵引电机。

而地铁机车和大功率整流机组是地铁牵引供电系统的主要谐波源，谐波的存在对电气设备、通信系统和继电保护系统等造成一定的危害[4]，且地铁牵引供电系统靠近城市负荷中心，直接影响地铁车辆的安全运行和牵
引变电所的供电可靠性。

因此，分析地铁牵引供电系统产生谐波的原因，有助于寻求更为有效地抑制谐波的措施。

为了保证电网的电压总谐波畸变率和各次谐波电压含有率满足国家标准的规定，估算和分析地铁牵引变电所的谐波是必要的。

文中主要介绍牵引变电所整流机组，分析谐波对地铁牵引供电系统的影响，根据牵引变电所整个供电区间内运行地铁列车的数量，利用matlab/simulink工具箱建立牵引变电所和地铁列车的仿真模型，将其应用于某实际地铁牵引变电所，分析24脉波整流机组的网侧谐波电流、直流侧谐波电压以及牵引逆变器交流侧谐波电压，并采取相应的治理和防护措施。

2、谐波对地铁供电系统的危害
地铁牵引供电系统的整流机组在正常运行过程中产生大量网侧谐波电流，引起电网电压波形畸变，对其本身供电系统的电能质量和安全经济运行产生较大影响，当谐波含量较大时，可能对地铁牵引供电系统造成一定的危害[5-9]：
（1）谐波电流增加电力设备的附加损耗，引起温度升高，减少设备使用寿命和利用率。

（2）由于电缆的分布电容对谐波电流有放大作用，电网电压上升使谐波电压也升高，附加损耗和温升的增大导致电缆损坏。

（3）高次谐波对通信线路和控制信号产生电磁和射频干扰，可能损害通话清晰度和触发电话响铃等情况，甚至威胁设备安全。

（4）谐波改变继电器装置的动作特性，使继电保护设备和自动装置频繁误动作或拒动，影响牵引供电系统安全运行。

（5）对测量仪表的影响。

谐波可能引起供电电压波形发生畸变，导致测量仪表产生测量误差。

为了保证电网和用电设备的安全经济运行，就需要分析地铁牵引变电所中谐波的分布情况和产生原因，并采取合理有效的抑制措施，改善牵引供电系统的电压质量。

3、牵引整流机组简介
牵引供电系统的核心设备是由整流变压器和整流器共同组成的
整流机组，整流变压器首先将地铁中压供电网的高压三相交流电移相降压，然后输送给整流器组，整流器组将移相降压后的交流电整流变换成直流电输送到牵引网中，驱动地铁机车的牵引电动机。

国内早期的地铁采用6脉波整流和12脉波整流技术，随着我国城市轨道交通的蓬勃发展和用电负荷的增长，24脉波牵引整流机组谐波分量低、电压脉动小，能够有效抑制谐波，逐步成为我国城市轨道交通牵引整流变电站的主流整流方式[10]。

24脉波牵引整流机组包括2台参数相同的轴向双分裂式12脉波牵引整流变压器，这两台变压器互为备用，当一台出现故障退出运行时，机组仍能提供12脉波电源[11]。

机组中每台变压器的二次侧两套绕组分别为三角形和星形连接，自然形成30°相位差；两台变压器的交流网侧则采用三角形绕组上加延长绕组（延边三角形）
移相的方法，相对于交流线电压，一台变压器网侧绕组移相+7.5°，另一台移相-7.5°，则这两台变压器网侧电压相位差为15°，而合成后其阀侧星形和三角形绕组的线电压相位差为15°，分别经桥式电路整流后，在直流侧进行并联构成24脉波整流系统，见图1[12]。

注意，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），一般都不设桥间平衡电抗器[13]。

4、算例分析
4.1 算例简介
某地区地铁二号线共分为六个供电分区，每个供电分区有两个或者三个牵引变电所。

本文以某地区某站的牵引变电所为例，进行谐波分布研究。

某站牵引变电所的供电范围为x站—z站：x站与y
站的间隔为1.36 km，y站与z站的间隔为1.17km，则在x站牵引变电所供电区间内同时运行的列车最多可达4辆，即上行方向和下行方向各2辆。

该线路列车采用dc1500v架空接触网供电，列车编组采用四动二拖的列车编组形式。

列车采用变压变频牵引逆变器对牵引电机实施控制；每辆动车装备4台牵引电机，采用一台逆变器控制同一辆车上的四台牵引电机的控制模式。

4.2 牵引整流机组谐波计算
常用的谐波术语数学表达式如下：
4.3 牵引变电所谐波仿真分析
本算例的设定参数为：釆用干式轴向双分裂三绕组整流变压器，
其额定容量为1250kva，电压比为35kv/1180v，工作频率为50hz，整流机组的输出电压为1500v，逆变机组的输出电压为550v，牵引电机的额定功率为180kw，额定电压为550v。

根据以上参数，利用matlab/simulink工具箱[14]建立x站牵引变电所和地铁列车的仿真模型[15-16]。

由于牵引整流机组是非线性电力设备，因此工作过程中不可避免的产生大量谐波含量。

根据仿真可以看到，x牵引变电所整流机组交流侧电流总畸变率为75.31%，直流侧输出电压总畸变率为10715.32%，地铁车辆牵引逆变器输出电压总畸变率为1745.06%，这些电压电流中均含有大量的谐波，而且牵引整流机组输出电压和牵引逆变器输出电压中谐波含量较多，波形畸变比较严重，降低牵引变电所的供电质量，缩短电气设备使用寿命，甚至会引起保护误动作，严重影响地铁列车的正常运行。

理论上讲，脉数愈多，对谐波的抑制效果愈好。

为了有效抑制谐波，考虑采用24脉波整流机组，以及在直流牵引变电所整流装置的输出端加装谐振滤波器，使大部分谐波电流不经过接触网和走行轨，从而减少供电系统损耗和对其他系统的干扰。

经过比较分析，加装滤波装置的24脉波整流机组各位置的波形更加平滑，脉动量小，波形畸变率较小，谐波含量降低。

仿真结果如图2-4所示。

5、结语
本文通过对地铁牵引供电系统谐波的仿真研究，分析谐波给地铁
供电系统带来的危害性，采用24脉波整流机组，大幅削减注入到电网的谐波电流，减轻对电网的谐波污染；同时其整流输出电压更平滑，谐波含量低，直流供电质量更高。

另外，通过选择合理供电方式，增加整流机组的脉波数以及在源头安装滤波装置可以有效抑制谐波，保证地铁正常运行的需要。

随着谐波抑制技术的发展，城市轨道交通供电系统的供电质量必将会有很大提高。

参考文献
[1]冯金柱.世界电气化铁路的发展[j].电气化铁道，2001（4）：1-7.
[2]杨颖.城市轨道交通低碳技术应用研究[j].机车电传动，2010（6）：1-6，15.
[3]张振生.直流牵引变电所输出电压中的谐波干扰[j].机车电传动，2001（1）：32-36.
[4]张永祥，刘能，秦浩庭，吴连.典型牵引变电所的谐波和负序分析[j].电力学报，2009，24（5）：363-366.
[5]黄俊，王兆安.电力电子技术[m].北京：机械工业出版社，2002.
[6]李建民，孙建设.城市轨道交通供电系统谐波分布研究[j].电测与仪表，2008，45（506）：1-6.
[7]周国强，王富荣，董文俊.地铁牵引变电所整流机组谐波谐振的抑制[j].电器开关，2008（6）：60-62.
[8]郎维川.供电系统谐波的产生、危害及其防护对策[j].高电压技术，2002，28（6）：30-31，39.
[9]卢志海，厉吉文，周剑.电气化铁路对电力系统的影响[j].继电器，2004，32（11）：33-36.
[10]董海燕，田铭兴，杜斌祥，张福.地铁24脉波整流机组的仿真及谐波电流分析[j].电源技术，2011，35（5）：593-594，611.
[11]金钧，周帅，赵宏勋.城轨（地铁）24脉波牵引供电系统分析[j].大连交通大学学报，2011，35（3）：76-79.
[12]赵顺，曾志.地铁24脉波整流机组特性及谐波分析[j].电子元器件应用，2012，14（5）：38-41.
[13]王念同，魏雪亮.轴向双分裂式12脉波牵引整流变压器均衡电流的分析计算[j].变压器，2000，37（3）：1-6.
[14]李维波.matlab在电气工程中的应用[m].北京：中国电力出版社，2007.
[15]张纪利.地铁整流机组的谐波仿真与分析[d].北京：北京邮电大学，2012.
[16]王念同，魏雪亮.城市轨道交通24脉波牵引整流变电站网侧谐波电流的分析[j].变压器，2003，40（1）：1-7.。