（电力电子与电力传动专业论文）城市轨道交通直流供电整流机组研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l l 页 a bs t r a c t w i t ht h ee c o n o m yd e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y , t h ec o n s t a n te n l a r g e m e n t o ft h eu r b a nc o n s t r u c t i o ns c a l e ，m a n yl a r g ea n dm e d i u m - s i z e du r b a nr a i lt r a n s i t p l a n n i n ga n dc o n s t r u c t i o ni sb o o m i n g d ct r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mi sa n i m p o r t a n tp a r to ft h eu r b a nr a i lt r a n s i tp o w e rs u p p l ys y s t e m ，t h em u l t i p u l s e r e c t i f i e rc u r r e n t l ya st h ec o r et e c h n o l o g yo fw h i c hh a sd r a w ng r e a t e ra t t e n t i o n ， w h i l et h e t h r e e p h a s ep w mr e c t i f i e r w i t hi t s s u p e r i o rp e r f o r m a n c e i t s a p p l i c a t i o ni nd ct r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mn e w l yb e c o m et h eh o t s p o tf o r s t u d yo ft h es c h o l a r sa th o m ea n da b r o a d i np r e s e n tp a p e r ，i ti sm o d e l e da n ds i m u l a t e df o rt h e12 一p u l s e ，2 4 - p u l s e w i d e l yu s e di np r e s e n td cp o w e rs u p p l ys y s t e m ，v a r i o u so p e r a t i o nm o d eo f 12 一p u l s ea n d2 4 一p u l s er e c t i f i e ra r ea n a l y z e d ，s i m u l a t i o nw a v e f o r m sa r eg i v e n ， p a r a m e t e r sc a l c u l a t i o nm e t h o da r es h o w n t os i m p l i f ys t r u c t u r e ，b u tg e t p e r f o r m a n c ea sg o o da st r a d i t i o n a l2 4 一p u l s e ，a2 4 - p u l s er e c t i f i e rw i t ha u x i l i a r y c i r c u i ti sp r o p o s e dt ou s ei nu r b a nr a i lt r a n s i tt r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m ， s i m u l a t i o nr e s u l t sv a l i d a t ei t sf e a s i b i l i t ya n de f f e c t i v e n e s s i nv i e wo ft h ed i o d er e c t i f i e r sa r ea d o p t e di nc u r r e n tu r b a nr a i l t r a n s i t ， e n e r g yu n a b l et of l o wb i d i r e c t i o n a l l y , u n i tp o w e rf a c t o rc o u l dn o tb ea c h i e v e d ， h a r m o n i cp o l l u t i o ni ss t i l le x i s t ，t h i sp a p e rs t u d yo na p p l y i n gh i g h p o w e rp w m c o n v e r t e ri nd ct r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m ，p r e d i c t e dc u r r e n tc o n t r o lb a s e d o ns v p w mm o d e li sb u i l t ，b o t hp h a s e s h i f t i n gt r a n s f o r m e r - b a s e da n dc a r r i e r p h a s e s h i f t i n gb a s e dr e c t i f i e rp r o g r a ma r ed i s c u s s e d ，c o m p a r i n gt h es i m u l a t i o n r e s u l t s ，i ti sc o n c u l e dt h el a t e ro n ei sar e l a t i v es i m p l e r , s u p e r i o rs c h e m e u r b a nr a i lt r a n s i tt r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mi n c l u d e sa c s i d e ，d cs i d e a n dt r a i n ，w h i c hi sat i m e - v a r y i n g ，a c d ch y b r i ds y s t e m ，i no r d e rt oc h e c kt h e d y n a m i cp e r f o r m a n c eo f t h ep o w e rs u p p l y , t h es i m u l a t i o np l a t f o r mo f2 4 一p u l s e p o w e rs u p p l ys y s t e mb a s e do nt h et r a i nd r i v es y s t e mi sb u i l ti n t h i sp a p e r ， v a l i d a t i n g2 4 一p u l s ep o w e rs u p p l ys y s t e mp e r f o r m a n c ea n di n s p e c t i o nt h e i m p a c to ft r a i nt r a c t i o n ，b r a k i n ga n dl o a df o rt h ec u r r e n th a r m o n i c so na cs i d e a n dv o l t a g ef l u c t u a t i o no nd cs i d e k e y w o r d s ：d ct r a c t i o np o w e rs u p p l y ；2 4 - p u l s e ；o p e r a t i o nm o d e ；h a r m o n i c ； p o w e rf a c t o r ；p w mr e c t i f i e r 西南交通大学曲南父逋大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密瞅存黟年解密后适用本授权书； 2 不保密斟，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：脚方 日期：1 ；- 讶 指导老师签名g 7 娶订熏 日期： 川匆矗 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工 作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 构建了交流供电网、2 4 脉波整流直流供电网与列车三大部分之间 的联合仿真平台，平台能考察2 4 脉波供电系统的性能以及列车各种运行状 态对网侧及直流侧的影响。 学位论文作者签名：萄即 日期：1 歹涩 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 城市轨道交通的发展在世界已有1 0 0 多年的历史。1 8 6 3 年世界上第一条 地铁在英国伦敦建成通车，标志着城市轨道交通方式的诞生。地铁已成为一 个国家综合国力、城市经济实力、人们生活水平及现代化的重要标志。地铁 也是解决城市内交通的主要手段，在发达国家，每年城市的轨道交通承担了 城市旅客运输量的6 0 至8 7 。目前，世界约4 0 多个国家和地区的1 3 2 个城 市建成5 0 0 0 千米地铁和3 0 0 0 多公里轻轨铁路，每年运送旅客达2 6 0 亿人次 之多。 轨道交通作为现代化城市的交通工具，其运量大、速度快、安全可靠、 准点舒适、绿色环保、空间利用率高，能够有效缓解城市交通拥挤的状况， 提高城市公共交通的服务水平，改善城市居民的出行结构，因此越来越受到 世界各国的普遍重视。我国轨道交通已拥有大运量的地铁系统、城市高架轨 道交通系统、高架跨座式单轨系统和中低运量的地面轻轨系统，另外还有高 速磁浮系统、快速市郊铁路系统等心q ，。 按照国家规划，到2 0 2 0 年中国将有超过5 5 0 公里的地铁线，2 0 5 0 年轻 轨和地铁线路( 总长度) 将达2 0 0 0 公里，这样城市轨道交通系统将能承担 5 0 8 0 的城市交通客流量。因此，研究我国城市轨道交通发展问题已十分 必要和迫切。我国城市轨道交通的应用技术和基础理论还都在开拓阶段，项 目实施的大多数情况需要引进技术和设备，国产化程度低，这成为工程造价 昂贵的主要原因。因而提高我国城市轨道交通行业的技术力量，开展城市轨 道交通直流牵引供电系统理论研究有较大的理论意义和现实意义畸1 。 轨道交通的供电系统包括高、中、低压交流供电系统、直流供电系统以 及电力集中监控系统等1 。其中牵引直流供电系统是轨道交通供电系统最关 键的部分。没有电力牵引供电系统的可靠安全供电，就不可能有城市轨道交 通的正常运行。而牵引供电系统大多采用城市电网供电，牵引供电系统所产 生的谐波对城市电网将产生严重的污染，直流侧的谐波将会对地铁车辆的运 行产生安全隐患，所以尽量降低电力牵引供电系统谐波成为国内外学者的研 究热点。 电力牵引供电系统的关键设备有整流变压器、整流器、直流快速断路器、 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 直流开关柜等。目前抑制城市轨道交通牵引供电系统谐波的方法有多种，其 中最为重要的就是对城市轨道交通直流牵引供电系统中的核心设备一一整 流器不断进行改进创新。本论文旨在研究一种结构简单、直流脉动小、网侧 谐波小、功率因数高的性能优越的整流机组。研究现行广泛采用的1 2 脉波、 2 4 脉波整流机组，提出将一种具有2 4 脉波性能的1 2 脉波电路拓扑应用到城 市轨道交通直流供电中，并且设计将将高功率因数整流器应用于城市轨道交 通牵引供电系统，采用空间状态矢量控制方法以使网侧谐波含量最少。研究 成果符合我国城市轨道交通建设的要求，对消化、理解、应用尤其是进一步 改善直流供电整流机组有较强的现实意义与理论意义，对推动整流技术在其 他领域的应用也有重要意义。 1 2 城轨交通供电系统的现状与发展趋势 国外城市轨道交通系统发展得较早，城市轨道交通供电系统各个领域， 己有比较成熟的系统。而对牵引供电系统，国外一些学者曾进行过比较深入 的研究，如a s a p i n 等人对移相变压器建模的研究；b ol i l j e q v i s t 等人对 于可控整流器在地铁供电中的应用进行了模拟研究口，引。 国内城市轨道交通起步较晚，对直流牵引供电系统的研究相对落后。但 随着我国城市轨道交通的大力发展，许多企业、科研机构纷纷开展相关方面 研究。城市轨道交通牵引变电所向接触网提供的1 5k v 7 5 0v 直流电压是 通过三相交流电整流后获得的，目前牵引变电所的整流装置普遍采用二极管 不控整流电路，但是国产化程度低，多数整流机组都依赖于国外进口，关于 1 2 脉波和2 4 脉波电路的相关计算和外特性研究成为当今许多产品使用者与 开发商密切关注的问题。但1 2 脉波或2 4 脉波整流技术仍无法消除对电网的 “污染”；且既有的整流方式，在机车采用再生制动的情况下，再生制动能 量无法回馈电网，造成能源极大浪费。到目前为止，供电系统等核心设备以 引进加国产化的模式，但其所产生的谐波污染还没有得到彻底解决。 因此，我们必须走科技创新和设备国产化的新路子。这既是降低工程投 资和降低长期运营成本的需要，也是贯彻国家“绿色能源 政策、支持国家 轨道交通工业发展的需要。城市轨道交通供电系统是整个城市轨道交通系统 中必不可少的组成部分，城市轨道交通供电系统核心部件是换流站中的整流 机组，电力网输送来的三相交流电经主变电所降压后由牵引变电所再次降压 整流成直流电，通过受电弓或集电靴给地铁车辆提供电能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 城市轨道交通供电系统的研究结构比较复杂，每个部分都有新的研究空 间。研究的宗旨是不仅要保证向电力用户提供安全、可靠、经济的电能，还 要保证地铁的安全、正常运营，防止各类电气事故和灾害的发生。随着电力、 通信、计算机网络等各个领域的发展，对于电力的监控、传输、安全保护、 减小谐波、能量充分利用等领域都有新的开拓和贡献。尤其是电力电子技术 的提高，对于直流供电部分的变流技术增添了新的活力，成为广大学者的研 究提供了广阔的前景。 1 3 整流机组研究现状和发展趋势 目前，在建和已建地铁的每座牵引变电所都设两套整流设备( 也称为整 流机组) 。由于地铁的直流牵引电压比较高( 北京、武汉采用7 5 0 v 电压，其 它城市都采用1 5 0 0 v 电压) ，所以整流设备几乎都是采用桥式整流电路。为 了减少地铁谐波电流对城市电网的污染，除北京部分地铁线路采用三相桥式 六脉波整流电路外，新建的地铁线路都采用三相桥式并联的十二脉波整流电 路甚至过渡到二十四脉波整流电路旧1 。这样无论是交流侧还是直流侧的谐波 都大为减小，这是一种主动式的谐波抑制方式。这种通过改进创新整流变压 器和整流器( 即整流机组) 主动式的谐波抑制方式，效果非常明显。传统的 整流装置都采用不控或相控整流的方式，这种方法存在如下一些缺点 1 0 ： 1 ) 输入电流包含大量的高次谐波，高次谐波电流在电网中流通将在线路阻 抗上形成干扰电压，造成严重的谐波污染，干扰其它设备；2 ) 从电网吸取 无功功率，使输入功率因数降低；3 ) 由于谐波的存在，整流器输入电流的 额定值增大，增加了线路损耗，也提高了保险丝、断路器以及传输线的规格， 整流器的效率降低；4 ) 由于换流过程将引起电网电压波形畸变；5 ) 电压调 节的快速性差。 为了使整流器的性能得到改善，业界正不懈追求高功率因数的整流器， 对于工程应用中高功率因数整流器的设计方案主要有以下几种n 1 1 2 1 ：1 ) 基于 晶闸管相控整流器的多重化设计；2 ) 基于二极管整流的多重化设计；3 ) 基于 斩波器的二极管整流设计；4 ) 采用p w m 整流器拓扑结构的高功率因数整流器 设计。 在传统的桥式整流中，多相半波整流电路的相数越多，整流元件和变压 器绕组利用越不充分。而换流器输出电压的脉波数越多，整流电压的脉动将 得到显著改善，同时可以减少变压器原边线电流中的高次谐波，降低对每一 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 个整流机组中元件的耐压要求，减少元件的串、并联数，有利于提高装置的 效率和功率因数。解决这对矛盾的办法有多种，从提高整流机组的变压器利 用率、减少注入电网谐波含量两方面来考虑，经济而有效的实用方法是在三 相桥式整流电路的基础上增加整流相数。如采用若干相位彼此错开的多个整 流机组串联或者并联起来，以构成更多脉波的整流输出，有移相多重联接、 顺序控制多重联接、非对称控制多重联接等。目前地铁牵引直流供电系统中， 二十四相多重化整流已基本上取代了传统的十二相多重化整流。通过多重化 整流技术，在一定程度上可以提高系统功率因数，改善对电网的干扰，但严 格意义上讲，这仍然不能算作是单位功率因数变流器，因为它们是通过减少 网侧谐波电流来提高整流器的功率因数，所以还不是最理想的状态。2 4 脉波 整流装置已能满足目前城市轨道交通的要求，但2 4 脉波整流依然存在很多 问题，如：在远期客流量很大的时候谐波依然较为严重，需要加装滤波装置； 功率因数还不能接近l ；若为了实现从直流侧向交流电网的能量回馈，需要 在当前的牵引变电站中增加额外的逆变装置和复杂的切换控制装置，并增设 可调自耦变压器绕组。实际系统中，需对此做全面的技术经济分析比较，综 合考虑投资和效益的前提下，往往没有增加这类装置，所以无法实现能量的 双向流动，而只能让再生状态下的能量通过大功率电阻耗掉。 三相电压型p w m 整流器，与传统的二极管整流器相比，具有交流侧输入 电流谐波分量小、功率因数可调、直流电压波动小、能量可双向流动等特点， 所以无论是在理论上还是在工程上都得到了广泛的关注。三相电压型p w m 整 流器技术，国外的研究起步较早，国内有关研究的文献最早出现于9 0 年代 中期，随后迅速引起关注，成为电力电子领域的一大热点。目前，中小功率 产品己有问世，但大功率的p w m 整流器还仍然由国外产品垄断，国内研究还 有较大差距。无论是国内还是国外，现在p w m 整流器已经在干线电力机车上 得到了应用，虽然p w m 整流器目前还没有应用到城市轨道交通中来，而主要 应用于有源滤波器、高压直流输电、风力发电和超导储能等其他领域，但是 随着电力电子器件的发展，p w m 整流器以其优越的性能，在城市轨道交通中 的应用研究必将成为研究的热点。 对于三相电压型p w m 整流器的研究，目前主要集中在以下几个方面： 1 ) p w m 整流器的建模；2 ) 电压型p w m 整流器的电流控制策略；3 ) 关于p w m 整 流器拓扑结构的研究；4 ) p w m 整流器系统控制策略；5 ) 电流型p w m 整流器。 三相单位功率因数整流器的发展，一方面依赖于新的拓扑结构，另一方 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 面，新的控制策略往往可改善电路的性能。因此，这两个方面的研究将是近 几年的主要研究方向。事实上，近年来从拓扑结构到控制策略都已经得到了 迅速的发展，但是从技术的确立到真正的实用化，还需要一个探索和完善的 过程。直到目前，这种技术仍然还不是很完善，仍旧有许多工作要做，主要 集中在以下方面n 3 | ： ( 1 ) 开关器件的使用提高了成本，降低了可靠性，降低成本、提高可靠 性是实用化的必由之路。 ( 2 ) 目前提出的电路拓扑结构大多为升压型，输出直流电压只能在输入 电源峰值电压以上调节，这限制了它的应用。许多问题都还有待解决。 1 。4 本文所做工作 本文以铁四院项目2 4 脉波整流模型算法研究课题为背景，在广泛查 阅和分析国内外专家学者对城市轨道交通直流供电系统研究的基础上，对1 2 脉波、2 4 脉波整流技术的建模、计算、仿真等进行深入研究，进而通过改变 整流器拓扑和将三相电压型p w m 整流器应用于城轨交通直流供电系统中，以 达到改善供电性能的目的等方面展开了研究。具体所做工作如下所述： 1 在查阅了文献和资料的基础上，第一章、第二章对课题的研究背景、 城轨供电、整流机组的主要研究方向等方面进行了阐述，并对供电系统的组 成、及谐波的危害与抑制方面做了介绍。 2 论文第三章详细分析了1 2 脉波、2 4 脉波的工作模式；推导了1 2 脉波、 2 4 脉波电压、电流等参数的计算；验证了将带辅助电路的1 2 脉波电路应用 到城轨交通直流供电系统中的可行性与有效性。 3 论文第四章详细分析了三相p w m 整流器用于地铁直流供电系统的相关 参数设计，讨论了空间电压矢量p w m 控制方式的原理，推导了将其应用在 三相电压型p w m 整流器中的具体计算步骤。在此基础上，在m a t l a b s i m u li n k 下建立基于预测电流的s v p w m 控制模式的仿真模型，将其应用到城轨直流供 电系统的仿真环境中，讨论了基于移相变压器与基于载波移相两种结构的整 流机组，验证了电压空间矢量p w m 控制在高性能城市地铁、轻轨直流牵引供 电系统应用的可行性与优越性。 4 最后，建立了基于列车传动系统的2 4 脉波整流供电系统仿真，比较 了理想电源供电和2 4 脉波供电时列车的运行情况，及列车工作在启动、加 载、制动等工况时直流网侧电压的变化。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章城市轨道交通牵引供电系统 2 1 城轨交通供电系统的组成与设计原则 城市轨道交通供电系统负责提供车辆及供电设备的动力能源，一部分 为高压供电系统( 外部电源) ，即城市电网；一部分为城市轨道交通内部供 电系统。城市轨道交通作为城市电网的一个用户，一般直接从城市电网取 得电能，无需单独建设电厂。城市电网对城市轨道交通供电方式有集中供 电、分散供电和混合供电【4 , 6 , 1 4 - 1 6 】。 城市轨道交通内部供电系统由牵引供电系统和动力照明供电系统组 成。牵引供电系统中的牵引变电所将三相高压交流电变成适合电动车辆应 用的低压直流电。馈电线再将牵引变电所的直流电送到接触网上，电动车 辆通过受流器与接触网直接接触而获得电能。动力照明供电系统提供车站 和区间各类照明、扶梯、风机、水泵等动力机械设备电源和通信、信号、 自动化等设备电源，它由降压变电所和动力照明配电线路组成。城市轨道 交通供电系统的组成如图2 1 所示。 图2 1 城市轨道交通供电系统组成 一、高压供电系统 高压供电系统要视各城市情况而定，它可以是城市市电直接供给交通 线路各变电所，亦可以由城市高压供电线路集中为城轨交通线路供电，然 后由电源变电所再分配给轨道沿线各变电所，还可以是这两种情况的综合。 根据我国城市电网的发展和地铁的建设情况，高压电源系统供电方式主要 有以下3 种形式： ( 1 ) 集中式供电。沿地铁线路建设地铁专用的主变电所，主变电所电源 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 电压一般为1 1 0 k v ；它将从城市电网获得的电压降为地铁系统所需的电压 等级( 3 5 k v 、3 3 k v 、2 0 k v 或1 0 k v ) ，并向地铁的牵引变电所和降压变电所 供电。上海地铁一号线、地铁二号线、明珠线、香港地铁都采用集中式供 电。其特点是不易停电，事故率较低，两路独立专用电源互为备用，供电 可靠性较高、电压波动小、对电力系统和其他用户的影响比较小、运营维 护工作量相应减少，运营成本低。缺点是需要花费较多的资金用于建设中 心变电所及其外部电源。 ( 2 ) 分散式供电。根据地铁供电系统需要，在地铁沿线由城市电网引入 多路1 0 k v 电源，直接向地铁的牵引变电所和降压变电所供电。分散式供 电应保证每座牵引变电所和降压变电所能获得双路电源。即将建设的沈阳 地铁和北京地铁5 号线、天津地铁采用此种供电方式。 ( 3 ) 混合式供电。即前两种供电方式的结合，以集中式供电为主，个别 地段引入城市电网电源作为集中式供电的补充，使供电系统更加完善和可 靠。北京地铁1 号线和环线即为此种供电方式。 总之，城市轨道交通的供电系统与城市电网的分布密切相关，因此设 计时应根据城市电网构成情况和城市轨道交通具体情况，选用供电方式。 二、牵引供电系统 地铁牵引供电系统主要由主降压变电站、直流牵引变电所、馈电线、 接触网、走行轨及回流线等部分组成。从主降压变电站及其以后部分统称 为“牵引供电系统”，系统简图如图2 2 所示。 图2 2 直流牵引供电系统 直流牵引变电所将三相高压交流电变成适合电动车辆应用的低压直流 电，馈电线是将牵引变电所的直流电送到接触网上。接触网是沿列车走行 轨架设的特殊供电线路，电动车辆通过受流器与接触网的直接接触而获得 电力，走行轨道构成牵引供电回路的一部分，回流线将轨道回流引向牵引 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 变电所。 目前世界上城市轨道中的直流牵引供电等级繁多，其发展趋向是i e c 标准中的6 0 0 、7 5 0 和1 5 0 0 伏，近年来各个国家和地区修建的地铁均采用 了i e c 标准：三轨方式用d c 7 5 0 v ，架空接触网方式采用d c l 5 0 0 v 电压。 中国国家标准地铁直流供电系统规定为7 5 0 和15 0 0 伏两种，其电压允 许波动范围为5 0 0 v - 9 0 0 v 和1 0 0 0 v 1 8 0 0 v 。 三、城轨交通供电系统设计原则 城轨交通供电系统的设计不但要保证电力用户( 城轨车辆和动力照明 负荷) 用电的需要，提供安全、可靠、经济的电能，而且要保证城轨交通系 统安全运营，防止各类走电失火事故及次生灾害发生。因此供电系统必须 遵循一定的设计原则1 2 ，1 7 - 2 0 】： ( 1 ) 城轨交通的电力用户应由牵引、降压或牵引降压混合变电所供电。 对于地面或高架线路上的动力照明负荷在条件允许时也可以由3 8 0 v 2 2 0 v 市电供电或作为备用电源供电。 ( 2 ) 城轨交通的供电系统应由可靠不间断的电源供电，作为国家电力系 统一级负荷，其高压电源系统必须由两路及两路以上相互独立的电源供电， 其中一路必须是专用路。动力照明系统中的一类负荷及通信、信号、自动 化设备电源应有两路及两路以上供电。 ( 3 ) 供电系统的设计应确定正常运行方式和非正常( 事故) 运行方式。牵 引供电系统的正常运行方式是两路电源同时供电，接触网采用双边馈电或 开式馈电；动力照明一类负荷的正常运行方式是两路电源同时供给负荷用 电；正常运行方式下应保证各项技术经济指标满足国家标准或专业标准， 非正常运行方式应保证城轨交通正常运营。 ( 4 ) 供电系统的供电能力应保证城轨交通近远期发展要求。牵引供电系 统应满足城轨交通高峰客流2 h 且接触网一侧单边馈电或越区供电时的牵 引用电需求。动力照明系统的供电能力，在采用两台变压器时其总容量应 满足向同时工作的全部负荷供电，单台变压器容量( 在另一台发生故障时) 应保证向扶梯、排水装置、变电所自用电及全部照明负荷供电；采用单台 变压器时其容量应保证最大运行负荷需求，备用电源应保证全部照明负荷。 ( 5 ) 供电系统的设计应采取多种措施保证安全可靠地供电及安全运营。 在变电所所址选择、设备选择、设备布置，建筑等方面要符合防灾和安全 供电要求。电气设备的绝缘耐压水平、热稳定、动稳定、带电操作的机械 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 寿命、分断短路电流及负荷电流的能力等方面均应留有余度。 ( 6 ) 供电系统的设计应进行多方案的综合技术比较和经济技术分析，力 争安全、可靠、经济三者最佳配合。 ( 7 ) 供电系统的设计应努力实现标准化、通用化，一条运营线路应力争 选用一致的定型设备，做到一二次结线简单一致，设备布置清晰，操作与 检修安全方便，选用节能的定型设备。 ( 8 ) 城轨供电系统从方案论证、可行性研究、初步设计到施工设计的各 个阶段，最好选择一个设计单位进行，尤其是同一条运营线路的供电系统 的施工设计不可由多家设计单位分站分区段进行。另外在供电系统的研究 和设计施工中需要其他专业配合完成的事项必须及时与相关专业协商，达 成一致意见，并监督相关专业按要求实施。 2 2 城市轨道交通牵引供电系统中的谐波危害及其抑制 大功率整流装置中的网侧谐波电流，是电力系统中主要的谐波源之一。 为减少牵引整流变电站网侧谐波电流对城市电网的影响，必须采取相应的限 制和管理措施。 1 、谐波的含义及其产生的原因 谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍数。 由于谐波频率是基波频率的整数倍数，我们通常称之为高次谐波1 2 。 地铁供电系统中的波形畸变则主要来源于车辆牵引供电的整流、逆变装 置，其次是直流电源成套装置及其它电子装置。由此可见，非线性负荷接至 供电系统以及供电系统中本身存在非线性元件，是造成电网电压、电流波形 畸变的根本原因。 2 、谐波的危害 谐波的危害主要表现在：( 1 ) 整流机组直流侧谐波电压严重干扰了地铁 系统的信号、通信系统，使得轨电位升高，影响了地铁车辆的正常运行；( 2 ) 电网中的谐波电压和谐波电流对机车驱动电机产生干扰，影响机车安全可靠 运行；( 3 ) 电流在输电线路阻抗上的压降会使电网电压( 原来是正弦) 发生畸 变，影响各种电气设备的正常工作；( 4 ) 谐波会造成输电线路故障，使变电 设备损坏，例如，线路和配电变压器谐振，过热，过载；( 5 ) 谐波影响用电 设备，例如，谐波对电机除增加附加损耗外，还会产生附加谐波转矩，机械 震动等，这些都严重地影响电机的正常运行；( 6 ) 测量仪表附加谐波误差， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 当测量仪表用于测量非正弦量时，会产生附加误差，影响测量精度，由此可 见谐波的产生破坏了以相量分析和正弦波为基础的输配电原理和系统运行。 3 、谐波的抑制措施 随着电力电子技术的发展，现代工业生产设备使用的换流装置的容量越 来越大，数量越来越多，而且接入电网的其他各种非线性负荷设备日益增加。 这些电气设备产生大量的谐波电流注入电网，严重地威胁电网的安全运行。 在电力系统中，各种谐波源产生的谐波也对电力系统造成污染，影响到 整个电力系统的环境，而且其污染影响范围和距离远。事实告诉我们，必须 采取措施，消除电力系统的谐波，才能保证电力系统的安全运行和接入电网 的各种用电设备可靠工作。 消除电力系统谐波，就是限制谐波发生源注入电网的谐波含量，把电力 系统中的谐波含量控制在允许的范围内的各种措施。减小网侧谐波含量及提 高功率因数的方法有多脉冲整流电路、无源滤波器、有源滤波器以及三相功 率因数校正电路。而轨道交通供电系统在谐波抑制方面通常采取以下措施： ( 1 ) 通过供电系统的供电方式对系统谐波进行抑制。轨道交通供电系统大 多采用集中供电方式，采用3 级供电，可以减少谐波对电网的影响。采用1 lo k v 电源供给主变电所，将1 l o k v 降压成3 3 k v 后供给牵引变电所，这样变压器对 轨道交通供电系统产生的高次谐波起到隔离抑制作用，使城市电网受到的谐 波分量减小。变压器( 3 3k v o 4 k v ) 对牵引整流装置产生的高次谐波起到隔离 抑制作用，使车站动力、照明电源受谐波电流影响减小。 ( 2 ) 增加整流装置的脉动数，减少低次谐波，达到降低谐波目的【2 2 ，2 引。牵 引变电所现在大多采用2 4 脉波整流装置代替1 2 脉波整流装置。脉波数越多， 其整流元件的导通角间隔越小，产生谐波越少。这种方法在变压器负载平衡 情况下，可减小输入端低次谐波。城市轨道交通中常用6 、1 2 及2 4 脉波整流 电路，其中以1 2 、2 4 脉波整流电路更为普遍。但用传统1 2 、2 4 相整流电路存 在一个缺点，其输入功率和输出功率相同，当要求输出功率达到l o o o k w 以 上时，整流变压器体积庞大，甚至比整流电路体积还大，成本随之升高。并 且随着脉波数增加，所用器件增多，使控制复杂，可靠性降低。 ( 3 ) 在谐波源处安装滤波器，吸收谐波。滤波器的类型、组数及调谐频率 根据具体情况选定。无源滤波器加在整流器和电网之间，吸收各类无功电流， 防止整流器产生的谐波干扰电网，同时防止电网谐波干扰整流器，功率因数 补偿效果较好。无源滤波器也可以看作是一个储能网络，向整流器提供较大 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 的瞬时能量，达到补偿电网电流波形的目的。这种方法对抑制高次谐波很有 效，但滤波设备体积庞大，成本高，且运行情况受系统阻抗的影响，因而滤 波器应有良好的阻尼特性，否则很可能会与系统电抗产生并联谐振，同时也 影响电网阻抗。这种滤波装置在有些城市的城市轨道交通中被采用，但是它 只适用于电路输出功率特别大的场合，在一般情况下就不再适用。 ( 4 ) 在0 4 k v 电网中增加谐波回路，可消除高次谐波。在轨道交通降压配 电所里，o 4 k v 两段母线处装设电容器组进行集中补偿，补偿电容器容量选 择应将滤波电容器及长电缆电容效应考虑在内。在具有非线性用电设备的 o 4 k v 电网中进行无功功率补偿，除了装设电容器外，还应在电容器前面串 接扼流线圈，构成一个l c 串联谐振电路。通过谐振电路的调整，使谐振频率 低于5 次谐波，或者说使谐振频率低于o 4k v 电网中出现的最低谐波的频率。 综上所述，传统的高功率因数校正、多相整流技术虽说体积大、成本高 以及控制复杂，但由于它可以消除负载中的高次谐波对电网造成的冲击，故 现阶段城市轨道交通系统全部采用多相整流技术【l3 1 。 2 3 牵引变电所的整流机组简介 地铁、轻轨交通和工矿运输直流牵引变电所的主结线，包括高压交流 ( 1 0 k v 3 5 k v ) 受配电系统和直流( o 7 5 k v 1 5 k v ) 受馈电系统两部分，整流机 组( 整流变压器一整流器组) 则是作为交、直流系统变换的重要环节设置的。 牵引变电所的主要功能是将其交流进线电压通过整流变压器降压，然 后经整流器将交流电变成直流供电动车辆使用。为提高直流供电质量，降 低直流电源脉动量，通常采用多相整流方法，采用六相、十二相整流，甚 至是二十四相整流。为此，整流变压器不仅仅起降压作用，还将三相交流 电变成多相交流电供整流器整流，整流变压器与整流器合称为整流机组。 设计选择整流装置时，既要考虑直流供电质量，还要顾及整流变压器 利用率。从这一点来说，直流牵引供电制式比交流牵引供电制式更有利， 因为交流牵引供电制式是在机车上将高压交流电进行降压整流的，而车上 空间有限，不可能安装太复杂庞大的设备，只能进行单相整流供电。相反， 直流牵引变电所却可以在地面安装比较完善的整流装置。 整流机组从提高变压器利用率、减少注入电网谐波含量两方面考虑， 经济有效的方法是在三相桥式整流电路基础上增加整流相数。为此，用三 相桥式整流电路构成十二相脉动整流或等效二十四相整流的接线方式，目 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 前获得了广泛应用。一个脉动数为p 的整流器，在其直流侧将主要产生n = k p 次的谐波，而在其交流侧将主要产生n = k p + 1 ( k = l ，2 ，3 l ) 次谐波。因此脉波 数越大，可减小整流电路低次谐波含量，提高功率因数p j 。 整流桥直流侧脉波数越多，整流元件导通电角度间隔越小，直流成分 也就越纯净。为尽量减小交流输入电流波形里所含谐波成分，提高交流电 流正弦度，并降低输出电压脉动振幅，减小滤波电感的电感量( 通过提高脉 动频率) ，可以通过并联或者串联多个整流机组来实现，而各机组的变压器 结线需采用不同的组别，以获得需要的相位移。 各种等效多相联接，分为不可控、半控、全控。各单元换流组串联运 行时，单元之间控制方式不同并不带来什么问题。而当多个换流组并联运 行时，不仅要求控制方式一致，而且为了平衡各自输出电压瞬时值的差异， 必须配备额定电压和工作频率都符合电路要求的平衡电抗器。这种用以保 证由不同相供电的多个换相组并联工作的电抗器，通常也称相间变压器。 但相数过多，安装费用增加，技术上得到精确的相移角不易，要从技术、 经济指标全面衡量，最后作出抉择。 随着我国城市轨道交通建设的快速发展，为了减少网侧谐波电流的影 响，轨道交通用牵引整流站所采用的整流方式己经从过去的6 脉波向1 2 脉波，乃至2 4 脉波过渡。等效2 4 脉波整流系统在抑制谐波方面可取得良 好效果，对电网造成的电流谐波含量比1 2 脉波整流下降大约5 0 。1 2 或 者2 4 脉波整流器通常都是有并联的次边绕组并联供电，通常为了防止2 相桥的输出端交替钳位现象，要在两个二相桥整流器直流侧之间联接一个 换相变压器( i p t ) ，来吸收两桥间的电势差，起到平衡电抗器的作用，使得 几个整流桥可以同时工作，减小开关器件的电流负担，但在实际应用中， 为了经济方面的考虑( 场地、损耗等) ，i p t 常常被从整流器中剥离弃用，而 采用二相桥直接并联运行的方式。城轨交通中所采用变压器为轴向双分裂 式结构曲折形联接整流变压器，阀侧绕组间具有较大的短路阻抗( 分裂阻 抗) ，因此一般都不采用桥间平衡电抗器【2 4 | 。 2 4 本章小结 介绍了城市轨道交通牵引供电系统的组成及其设计原则，城市轨道交通 牵引供电系统中的谐波及其危害，传统的谐波抑制措施，给出了常规1 2 脉 波整流机组和2 4 脉波整流机组的工作原理及其特点。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 第3 章 12 脉波与2 4 脉波不控整流器计算与仿真 目前，我国各大城市大力发展的城市轨道交通设施，其牵引整流电力系 统大都采用轴向双分裂结构变压器的1 2 脉波( 或2 4 脉波) 双桥并联不带桥 间平衡电抗器整流电路，其目的是提高直流供电质量，降低电压脉动，减少 注入电网谐波含量，提高整流变压器效率心引。目前为止，国内整流机组设备 还基本依赖于引进国外技术。本章中主要完成对1 2 脉波与2 4 脉波电路的仿 真、计算与研究工作。 3 1 不含桥间平衡电抗器的12 脉波整流机组 1 2 相脉动整流机组采用三绕组或四绕组的特种结构变压器，利用次边 或原、次边星形与三角形两绕组间各相间电压依次形成3 0 0 相移，从而构 成1 2 相脉动整流接线方式 2 6 , 2 7 。整流变压器绕组以。y 接线方式为例， 1 2 相整流电路接线方式如图3 1 ，对应的电压相量关系如图3 2 所示。 吃： i ，i 儿c o l n似v b ； j 、吃， 心v j i x 7 如2 e 。 r ， v 如1 rr 6 c 2 图3 11 2 脉波整流电路接线图图3 2 整流电路线电压向量图 1 2 脉波整流电路由整流变压器和两个三相桥式整流电路组成：整流变 压器二次绕组分别采用星形和三角形接法构成相位差3 0 0 、幅值大小相等 的两组电压，从而使输出整流电压u d 在每个交流电源周期中脉动1 2 次， 接到相互并联的两组整流桥，阀侧各线电压的表达式如表3 1 所示。 表3 1 阀侧各线电压的表达式 星形绕组 = 厩c 。s ( 臼一詈)肾以c o s ( 口一詈)肾厩c 。n 訇 三角形绕 = 厩c o s ( 口一詈) k 2 = 地c o s ( o 一7 , e ) = 厩c o s ( 臼+ 了7 ) 组 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 3 1 1 十二脉波整流机组仿真模型建立与仿真 根据上述原理及1 2 脉波整流电路接线图，在m a t l a b s i m u l i n k 环境下 建立1 2 脉波整流电路真模型，如图3 3 所示。三相电压源通过三相三绕组 一y 变压器，副边一y 绕组变比为3 ：l ，可得到幅值相等、相角相 差3 0 0 线电压。副边输出到两并列连接整流器，整流器输出再并联连接后 接到负载端，构成1 2 脉波整流电路仿真模型。 为简化模型，做如下假设：( 1 ) 交流侧三相电压平衡，忽略交流侧谐波 电压畸变对整流机组运行模式的影响；( 2 ) 忽略整流机组换向电阻，其换向 电抗三相平衡；( 3 ) 桥l 、桥2 两台变压器间无耦合连接；( 4 ) 忽略二级管电 压降；( 5 ) 整流机组运行在正常模式下。 一库写桫r 俐幢 ：裂卜 y 吐 高再福；蟊爿 a c c 3 图3 - 3s i m u l i n k 下1 2 脉波仿真模型 城市轨道交通中实际1 2 脉波整流机组的一组典型数据如下：一次侧电 源的短路容量为i o o m v a ，采用轴向双分裂式三绕组整流变压器，额定容 量3 4 5 0 k v a ，一次侧额定电压3 5 k v ，二次侧额定电压1 1 8 0 v 。仿真中取负 载r = 1 0 f 2 ，为了与网侧相电压进行对比，给网侧电流输出一个增益值k ， 仿真结果如图3 4 一图3 7 。 从仿真结果可看出，直流侧输出电压在1 个周期o 0 2 s 有1 2 次脉动， 如图3 4 ，网侧a 相电压、电流波形如图3 5 ，直流电压频谱图较明显谐波 出现在第12 次谐波，如图3 - 6 ，而网侧电流较明显谐波出现在第11 次、 1 3 次，如图3 7 。仿真结果一方面验证了仿真模型正确性，也说明1 2 脉波 整流电路对于消除3 次、5 次、7 次等低次谐波非常有效，性能较6 脉波电 路有较大改善。同时，从图3 5 可看出，网侧a 相电流波形正弦度不高， 而且电流和电压波形存在较大相位差，因此功率因数不高。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 翟霹麓鞠翰黼 图3 4 直流侧输出电压波形图3 5 网侧a 相电压、电流波形 d cc o m p o n e n t21 5 8