应用于轨道交通中24脉波自耦变压整流器的仿真研究

应用于轨道交通中24脉波自耦变压整流器的仿真研究王恒;崔雪;冯云斌;曹玉胜【摘要】整流器在轨道交通中应用非常普遍,但是整流器件的强非线性会使其对电网注入大量谐波.为了减少谐波电流对电力系统产生的影响,提出一种新型24脉波整流方式来抑制谐波.分析了多脉波整流技术的谐波抑制原理、自耦变压器的结构和等效容量,网侧输入电流几个方面的内容.得出自耦变压器网侧输入电流具有良好的波形质量,其等效容量远小于输出功率的特点.最后利用电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC搭建了该24脉波整流电路在轨道交通中的仿真模型.仿真结果验证了该模型应用于轨道交通中的适用性.%The rectifier is widely used in rail transit, but the strongly nonlinear of the rectifier device makes it become one of the main harmonic source of power grid.In order to reduce the interference of harmonic current in power system, we put forward a new kind of 24-pulse commutation method to suppress harmonic wave.We analyze four aspects of this method, such as the principle of multi-pulse rectifier harmonic suppression technology, the structure and equivalent capacity of auto-transformer and network side input current.We draw a conclusion that the input current of auto-transformer has good waveform and the advantage of that its equivalent capacity is far less than the output power.Finally, we build a 24-pulse rectifier circuit simulation model of rail transit through using thesimulation software PSCAD/EMTDC of electromagnetic transient.The simulation results verify the validity of the model used in rail transit.【期刊名称】《电测与仪表》【年(卷),期】2017(054)007【总页数】7页(P1-6,15)【关键词】自耦变压器;24脉波整流技术;PSCAD/EMTDC;谐波抑制;轨道交通;仿真【作者】王恒;崔雪;冯云斌;曹玉胜【作者单位】武汉大学电气工程学院,武汉430072;武汉大学电气工程学院,武汉430072;武汉大学电气工程学院,武汉430072;武汉大学电气工程学院,武汉430072【正文语种】中文【中图分类】TM4610 引言随着电力电子装置的大规模应用，电力系统的谐波问题日益严重，对公共电网及用电设备带来了诸多危害，谐波污染已成为阻碍电力电子技术发展的障碍之一。

多脉波整流技术在大功率整流系统中经常作为抑制谐波的方法［1-2］，其具有谐波抑制率高，电磁兼容性好及可靠性高等优点而受到广泛关注。

在多脉波整流技术中自耦移相变压器因其移相方式，具有较小的等效容量等优点而受到越来越多的关注。

轨道交通中普遍应用24脉波整流技术，其整流电路一般由2台12脉波的轴向双分裂式牵引整流变压器并联组成，因是隔离式整流变压器，其等效容量较大。

本文设计的采用自耦移相变压器的24脉波整流器，原边采用三角形联结，可以为3倍频谐波提供回路。

为了减小等效容量同时简化变压器结构，本文针对副边，采用一种最优的联结形式和原副边匝数比。

较采用传统移相变压器的多脉波整流器具有对称性好，等效容量小，体积小，重量轻，投资成本低等优点［3］。

同样，供电系统电压可经过相间变压器，自耦变压整流器输出DC 1 500 V的24脉波电压，满足轨道交通的电压以及频率要求。

与风电等领域的整流方式比较，其控制方式更加简单可靠，适合于后级接电动机等不需要输出电压可调的场合。

最后基于PSCAD/EMTDC尝试搭建了应用于轨道交通的24脉波自耦变压整流器的模型。

并仿真分析验证了该整流器模型可以适用于轨道交通中。

1 24脉波自耦变压整流器1.1 24脉波自耦变压整流器的拓扑结构使用自耦变压器的24脉波整流电路的拓扑结构如图1所示。

它是由两个12脉波自耦变压整流器并联构成。

输出电压为24脉波的关键是得到四组相位依次相差15°，幅值相等的整流桥输入端相电压。

电压向量图如图2所示［2-4］。

其中是一组相位相差15°的桥式整流电路输入端a相电压。

图1 三角形连接自耦变压器的24脉波整流系统Fig.1 24-pulse commutation system of triangle connection auto-transformer图2 整流桥输入电压相量图Fig.2 Vector diagram of rectifier bridge input voltage1.2 多脉波整流技术谐波抑制原理根据移相变压器的不同类型，多脉波整流器分为隔离式和非隔离式。

以本文所用优化12脉波自耦变压整流器为例具体说明多脉波整流技术的谐波抑制原理。

对现有的自耦变压器进行优化，本文设计原边采用三角形联结，副边位置系数为0，原副边匝数比为6.465 3的自耦变压器联接图如图3所示，其输出相电压的相量图如图4所示［5-8］。

可以看出，此时每个芯柱只有3个绕组，结构最为简单，经过后面的等效容量分析可知，其等效容量大约为输出功率的17.04%。

与轨道交通中所用整流变压器相比，结构优化，等效容量大大减小了。

并且自耦变压器结构对称，减小了变压器不对称产生的谐波，易于谐波抑制。

假如整流电路的负载为一很大电感，整流电路输出电流连续，则某一个三相整流桥的输入相电流为正负各120°的方波电流。

经过傅里叶变换，此时自耦变输入电流为：输入电流中n次谐波的幅值为：将 n＝5、7、17、19代入可知 A5、A7、A17、A19都为0。

所以网侧输入电流ia不再含有第5、7、17、19次谐波，此时，谐波为（12k±1）次。

所以当采用多脉波整流技术时，某个整流桥产生的谐波可以被其他整流桥产生的谐波所抵消，从而起到抑制谐波的作用［9-10］。

同样，延边三角形变压器的原边结成三角形，二次侧结成延边三角形的形式。

此时，三角形绕组电压与延伸绕组电压的矢量和才是输出电压，延边三角形绕组联接图及输出电压相量图如图5所示。

可知，延边三角形变压器同样可以实现整流桥输入电流的30°相位差。

所以两种移相变压器的移相原理基本一样，其谐波抑制效果也基本一样。

图3 自耦变压器联接图Fig.3 Connection diagram of auto-transformer图4 12脉波自耦变压器相量图Fig.4 Vector diagram of 12 pulse auto-transformer图5 延边三角形绕组联接图和电压相量图Fig.5 Vector diagram of Yanbian delta winding connection and voltage phasor1.3 相间变压器分析相间变压器分别移相±7.5°，其滞后7.5°的联接图如图6所示。

图6 相间变压器联接图Fig.6 Connection diagram of inter-phase transformer 可知变压器移相的角度和输出电压的大小完全由3次侧绕组匝数和2次侧绕组匝数决定，这里取匝数比 N3/N2＝6.078。

1.4 24脉波自耦变压整流器的网侧输入电流和等效容量的分析计算1.4.1 24脉波自耦变压整流器网侧输入电流分析24脉波整流电路是由两个12脉波整流电路并联实现的。

由移相原理可知，另一个自耦变压器的网侧输入电流为：则网侧总的输入电流为：此时，网侧输入电流只含有（24k±1）次的谐波。

1.4.2 24脉波自耦变压整流器等效容量计算磁性元器件的体积、重量主要由等效容量决定，等效容量大，则对应的体积、重量就会越大［11-13］。

首先分析12脉波自耦变压整流器的情况。

计算得整流变压器的等效容量为：该12脉波自耦变压整流器的等效容量仅为输出功率的17.04%，与传统的隔离12脉波整流器相比，等效容量减少了约83%。

所以本文提出的24脉波整流方案中自耦变压器的等效容量也比传统整流变压器减少83%。

从理论分析可知：24脉波整流电路比以往的12脉波、18脉波整流电路输入电流具有更准确的波形和更好的波形质量。

说明在抑制网侧电流谐波的问题上，24脉波整流器做的更好。

2 24脉波整流电路PSCAD建模与仿真PSCAD/EMTDC只有最基本的变压器模型，因此要自己设计搭建这种自耦变压器的仿真模型。

2.1 自耦变压器的模型搭建在这里搭建采用12脉波整流器并联平衡电抗器而三相整流不带平衡电抗器结构的24脉波整流器模型。

在PSCAD中按图1搭建仿真模型。

根据自耦变压器的联接图设计的自耦变压器的仿真结构如图7所示。

图7 自耦变压器仿真结构Fig.7 Simulation structure of the auto-transformer 2.2 仿真结果分析两条相间变压器支路电压实现电压相差15°的仿真结果如图8所示。

网侧单相输入电压va的总谐波含有率如图9所示。

24脉波自耦变压整流器输出的直流电压波形如图10所示。

图8 相间变压器支路电压实现移相15°的仿真结果Fig.8 Simulation results of inter-phase transformer branch voltage to achieve15°phase shift图9 网侧电压va的总谐波含有率Fig.9 Total harmonic content of the network-side voltage va图10 整流输出直流电压波形Fig.10 Waveform of output DC voltage in rectifier由图9可知，网侧电压总的谐波含有率为0.156%，远小于国家标准规定。