基于PSCAD_EMTDC的24脉波整流器模型研究

Dec.2010High Voltage ApparatusVol.46No.12 第 46 卷第 12 期 2010 年12 月 High Voltage Apparatus Vol.46No.12 Dec.2010 收稿日期：2010-06-30； 修回日期：2010-08-03 作者简介：韩 俊（ 1985），男，硕士研究生，研究方向为交直流电力系统分析。 0引言 为解决大中城市日益突出的交通拥挤和环境 污染问题， 大力发展大容量城市轨道交通成为必 然。 从减少网侧谐波电流这一角度考虑，目前中国 用于轨道交通牵引整流站的换流器主要采用24脉 波整流方式1-3。 另外，在化工和冶金等行业，也大量 采用24脉波整流器。 笔者从24脉波整流器基本原理、 基本结构出 发， 研究了基于PSCAD/EMTDC软件的24脉波整 流器模型。 提出了利用自耦变压器、三绕组变压器 接线方式实现移相， 建立了不同接线方式下24脉 波整流器的实用模型。 124脉波整流器基本原理 24脉波整流器通常由2个12脉波整流器并联 而成， 而每个12脉波整流器又由2个6脉波整流 器并联而成4。 要实现12脉波整流，其整流变压器 的接线可以连接成Dd0/Dy11或者Dd0/Dy5，整流变 压器的理想结构为轴向双分裂结构。 这样可使得阀 侧d和y接线绕组对网侧的换相阻抗容易做到一 致，便于满足12脉波整流的要求。24脉波整流需要 将2个12脉波整流器网侧绕组分别移相+7.5和 -7.5，使其导通角相差15，这样并联工作时，才能 形成等效24脉波整流5。 为实现移相，整流变压器原边通常采用延边三 角形接法。 图1、2分别给出了变压器原边绕组采用 延边三角形接法接线图与相应相量图。 图1网侧+7.5移相接线图与相量图 为实现特定角度的移相，需要确定延边三角形 接法中绕组d接线位置6。 由网侧电压相量及三角 函数关系可得到 基于PSCAD/EMTDC的24脉波整流器模型研究 韩俊1，徐政1，李侠2 （1.浙江大学电机系， 浙江 杭州310027；2.西安西电电力整流器有限公司，陕西 西安710077） 摘要： 研究了24脉波整流器的基本原理和基本结构，基于电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC，提出利用自耦变压器和三绕组变 压器接线方式实现移相，并建立不同结构下24脉波整流器的模型。仿真结果显示整流波形与谐波与理论一致，模型具有实用价值。 关键词：24脉波；PSCAD/EMTDC； 整流； 移相； 谐波 中图分类号：TM461 文献标志码：A 文章编号：1001-1609（ 2010） 12-0018-04 Research on 24-pulse Rectifier Model Based on PSCAD/EMTDC HANJun1， XUZheng1， LI Xia2 （ 1. Department of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China； 2. Xian XD Power Rectifier Co., Ltd., xian 710077, china） Abstract:The basic principle and structure of the 24-pulse rectifier are studied in this paper. Two methods for realizing the 24-pulse rectifier model in PSCAC/EMTDC are proposed,include three single phase auto-transformer method and three-winding transformer method. A test system is used to verify the validity of the model, and the simulation results show that the rectified waveform and the harmonic components are in consistent with the theoretical results. Key words: 24-pulse； PSCAD/EMTDC； rectifier； phase-shifted； harmonics 18 2010年 12 月 第 46 卷第 12 期 图2网侧-7.5移相接线图与相量图 Uy UI = sin7.5 sin120 =0.150 7（1） Ud+Uy UI = sin（60-7.5） sin120 =0.916 1（2） 则 Ud UI = sin（60-7.5）-sin7.5 sin120 =0.765 4（3） 如设计时取匝电势为e1，则三角段线圈匝数为 NdUd/e1（4） NyUy/et（5） 224脉波整流器基本结构 2个6脉波整流器并联构成12脉波整流器时， 为了防止2个三相桥的输出端交替出现钳位现象， 可加上一平衡电抗器，使两桥同时工作，减小开关 器件的电流负担。24脉波整流器采用2个12脉波 整流器并联，因此也存在这个问题。2个12脉波整 流器之间也可加入平衡电抗器，使2个整流器同时 工作，减小器件电流负担7。 因此，常见的24脉波整 流器有4种结构，电路图见图3。 图3中12脉波整 流和三相整流均不带平衡器电抗为类型1；12脉波 整流并联平衡电抗器而三相整流不带平衡电抗器 为类型2；12脉波整流不带平衡电抗器而三相整流 带平衡电抗器为类型3；12脉波整流和三相整流都 带平衡电抗器为类型4。 1）对于类型1，24脉波整流器每一时刻仅有一 组三相桥工作，有2只二极管同时工作，整流电压 均值U 軍d为 U 軍d=24 2姨 UIsin 24 =1.41UI（6） 其整流电压谐波分量可由Fourier分解式确定， Ud为 Ud=1.41UI1+ 2 2325 cos24t- 2 4749 cos48t+（7） 2）对于类型2，24脉波整流器的2个12脉波整 流器同时工作，每一时刻12脉冲整流器均有一组三 相整流单元工作，有4只二极管同时工作，整流电压 均值U 軍d为 U 軍d=12 2姨 UIsin 12 =1.398UI（8） 其整流电压谐波分量可由Fourier分解式确定， Ud为 Ud=1.398UI1- 2 2325 cos24t+ 2 4749 cos48t+（9） 3）对于类型3，尽管12脉波整流器不并接平衡 电抗器，但由于三相整流单元带平衡电抗器，每一时 刻4个并联三相整流单元同时运行，有8只二极管 同时工作，整流电压均值U 軍d为 U 軍d=6 2姨 UIsin 6 =1.35UI（10） 其整流电压谐波分量由Fourier分解式确定，Ud为 Ud=1.35UI1- 2 2325 cos24t+ 2 4749 cos48t+（11） 4）对于类型4，由于平衡电抗器作用，24脉波整 流器每个三相整流单元相当于独立运行，有8只二 极管同时工作，输出电压为4个三相整流单元平均 值，整流电压均值U 軍d为 U 軍d=6 2姨 UIsin 6 =1.35UI（12） 其整流电压谐波分量可由Fourier分解式确定， Ud为 Ud=1.35UI1- 2 2325 cos24t+ 2 4749 cos48t+（13） 图324脉波整流器基本结构 19 Dec.2010High Voltage ApparatusVol.46No.12 3PSCAD建模与仿真 PSCAD/EMTDC软件是当前国际上普遍流行的 一种电磁暂态分析软件，其在电力系统暂态分析、故 障分析以及谐波分析等领域发挥了重要作用。 由于 PSCAD/EMTDC软件元件库中没有24脉波整流器 模块，因此需要自定义设计搭建仿真模型8-14。 24脉波整流器软件仿真模型采用2个12脉波 整流器并联结构，关键需要实现2个12脉波整流器 网 侧 绕 组 分 别 移 相+7.5和-7.5。 利 用PSCAD/ EMTDC模型库中自耦变压器和三绕组变压器接线 可以实现移相要求。 图4、5分别为自耦变压器移相 接线图和三绕组变压器移相接线。 图4自耦变压器接线移相7.5接线图 采用自耦变压器接线实现移相， 由相量图可 得， 自耦变压器串联绕组匝数Ns和公共绕组匝数 Nc比值为 Ns Nc = Ny Nd =0.196（14） 采用三绕组变压器接线实现移相，由相量图可 得， 变压器3次侧绕组匝数N3和2次侧绕组匝数 N2比值为 N3 N2 = Ny Nd+Ny =0.164（15） 网侧电压实现电压移相7.5仿真结果见图6。 图6整流器网侧电压移相7.5仿真结果 由图6可见，图4自耦变压器接线和图5三绕 组变压器接线均可实现对整流器网侧电压移相，同 时按照式（14）设置自耦变压器绕组参数和式（15） 设置三绕组变压器绕组参数可实现整流器网侧电 压移相7.5。 为模拟城市轨道交通常用24脉波牵引整流方 式， 笔者搭建采用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， 整流器将35 kV交流电压整流为1 500 V直 流电压。24脉波整流器采用自耦变压器接线实现网 侧电压移相7.5，自耦变压器绕组参数可由式（14） 确定。24脉波整流器模型电路图见图7。 图724脉波整流器电路图 24脉波整流器整流输出直流电压波形见图8。 图8整流输出直流电压波形 仿真结果显示24脉波整流器整流波形正确， 在0.02 s的单位周期内， 整流电压波形具有24波 头。 利用PSCAD/EMTDC软件自带FFT分析模块， 对整流波形进行傅式分解，研究其频谱特性。 整流 图5三绕组变压器接线移相7.5接线图 20 2010年 12 月 第 46 卷第 12 期 10 BOUNDAM M K, SAOUDI B, MOISAN M, et al. Characterization of the Flowing Afterglows of an N2-O2Reducedpressure Discharge:SettingtheoperatingconditionstoAchievea Dominant late Afterglow and Correlating the NOBUV Intensity variation with the N and O Atom densitiesJ. Journal of Physics J：Applied Physics, 2007, 40（6）:1694-1697. 11杨丽,董丽芳,张彦召,等.介质阻挡放电的光谱研究J.河北 大学学报（自然科学版）, 2007（10）: 208-211. 12马家良.低温等离子体发射光谱学研究D.大连：大连理工大 学, 2002. 13苏长兵,李应红,安治永,等.等离子体气动激励系统电特性的 实验研究J.高压电器，2009, 45（1）: 156-159. 14 GUERRA V, SA P A, LOUREIRO J. Role Played by the N2（A3） Metastable in Stationary N2and N2-O2DischargesJ.J.Phys.D: Appl. Phys., 2001（34）:1745-1755. 15 CAPITELLI, FERREIRA C M, GORDIETS B F, et al. Plasma Kinetics in Atmosphere GasesM. Springer-Verlag, 2000. 16 GUERRA V, SA P A, LOUREIRO J. Electron and Metastable Kinetics in the Nitrogen AfterlowJ. Plasma Sources Sci. Technol., 2003（12）:8-15. 17 MRUTHUNJAYA UDDIMS. Non -Equilibrium Kinetic Studies of Repetitively Pulsed Nanosecond Discharge Plasma Assisted CombustionD. USA: the Ohio State University, dissertation, 2008. 18肖重发,徐勇,王文春,等.氮气大气压介质阻挡放电发射光谱诊 断J.大连理工大学学报，2004, 44（5）:624-629. 19 MASSNES F, GOUDA G. A Comparison of Polypropylene-Surface Treatment by Filamentary,Homogeneous and Glow Discharges in Helium at Atmospheric Pressure J. J Phys. D: Appl Phys, 1998 （31）: 3411-3420. 20徐学基,揭亚雄.气体放电物理M.上海:复旦大学出版社, 1996. 输出电压FFT计算结果见图9。 图9整流输出电压FFT计算结果 由图9电压FFT计算结果可见，整流输出电压 畸变率较低，谐波电压含量较小，其主要谐波频率 为1 200 Hz、2 400 Hz， 分别对应24次、48次谐波 分量，谐波电压幅值与谐波电压次数均与理论分析 结果一致，可证明该模型实用有效。 4结语 建立了基于PSCAD/EMTDC软件的24脉波整 流器模型，提出了利用自耦变压器和三绕组变压器 接线方式实现网侧绕组移相方案，整流波形和谐波 计算结果与理论分析一致，具有应用价值。 参考文献： 1湘潭电机厂牵引电气设备研究所，译可控硅整流元件及其应用 M.北京：科学出版社，1970. 2黄俊，王兆安.电力电子变流技术M.北京：机械工业出版社， 1995. 3许加柱，罗隆福，李季，等.基于新型整流变压器的多重化整 流系统J.电气应用，2008，27（2）:73-77. 4王念同，魏