城市軌道交通供電多脈波整流機(jī)組分段外特性分析

傅曉鋒，康積濤，劉　文，劉東霖

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都　610031)

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城市軌道交通供電多脈波整流機(jī)組分段外特性分析

傅曉鋒，康積濤，劉文，劉東霖

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都610031)

摘要：基于Matlab/Simulink仿真和計(jì)算分析得到多脈波整流機(jī)組的分段外特性曲線，用得到的分段外特性曲線詳細(xì)計(jì)算得到其戴維寧等效電路，再用得到的等效電路進(jìn)行城市軌道電路的仿真，并將結(jié)果和原仿真模型得到的結(jié)果進(jìn)行比較，表明其分析是有效的。

關(guān)鍵詞：多脈波整流機(jī)組；戴維寧等效電路；分段外特性

Abstract：The segmented external characteristic curve of multi-pulse rectifier unit is obtained by the simulation and calculation analysis based on Matlab/Simulink. With a detailed calculation of the obtained curve, Thevenin′s equivalent circuit is constructed, and then the equivalent circuit is used for the simulation of urban track circuit. The results are compared with the results of original model, which shows that the analysis is valid.

Key words：multi-pulse rectifier unit; Thevenin′s equivalent circuit; segmented external characteristics

0前言

地鐵等城市軌道交通(以下簡稱城軌)供電系統(tǒng)的整流機(jī)組是其最關(guān)鍵的設(shè)備。其中多脈波整流機(jī)組(主要有12脈波整流和24脈波整流)不但實(shí)現(xiàn)了交流電源的整流，還使得得到的電能質(zhì)量能滿足于供電系統(tǒng)并減少注入電網(wǎng)的諧波。

然而，多脈波整流機(jī)組的詳細(xì)分析十分復(fù)雜，而一般工程計(jì)算需要簡化分析計(jì)算[1]?；贛atlab/Simulink仿真，詳細(xì)計(jì)算分析得到其外特性的分段模型，并進(jìn)一步得到相應(yīng)的戴維寧等效模型用于城軌供電仿真，將其與原仿真模型得到的結(jié)果進(jìn)行比較。

112脈波整流機(jī)組

1.1機(jī)組構(gòu)成

12脈波整流機(jī)組由三相橋式整流電路和整流變壓器等組成。兩個三相橋式整流電路并聯(lián)構(gòu)成12脈波整流器。整流變壓器一般采用軸向雙分列式三繞組變壓器，其簡化結(jié)構(gòu)圖如圖1所示[2]。

1.2機(jī)組輸出電壓特性

12脈波整流機(jī)組有如下輸出電壓調(diào)整特性[3]：

圖1　三相雙繞組雙分裂變壓器簡化圖

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：RF為電抗系數(shù);Ud0為理想空載直流電壓;Id為直流輸出電流;xc為換相電抗，由交流系統(tǒng)阻抗和變壓器阻抗組成。上述區(qū)段的電壓調(diào)整特性因耦合系數(shù)k的不同而出現(xiàn)不同區(qū)段?？梢钥闯觯?dāng)k一定時，輸出電壓Ud1、Ud3、Ud5.1和Ud5.2的外特性可表示為直線；Ud2、Ud4則表現(xiàn)為曲線。此外，Ud1→Ud2的臨界條件為[4]

(8)

Ud2→Ud3的臨界條件為

(9)

Ud3→Ud4的臨界條件為

(10)

Ud4→Ud5.1的臨界條件為

(11)

Ud5.1→Ud5.2的臨界條件為

(12)

由上述公式可知外特性曲線比較復(fù)雜，因此工程中應(yīng)用時常將其用分段線性化簡化，即將各段曲線/直線的起點(diǎn)和終點(diǎn)連起來，得到的各段直線表達(dá)式的截距即是戴維寧等效電路的理想電壓源值比上理想空載直流電壓Ud0的值；斜率的絕對值乘以換相電抗xc即得到戴維寧等效電路的內(nèi)阻。下面將以實(shí)例計(jì)算分析其計(jì)算過程。

1.3實(shí)例計(jì)算

若分裂變壓器的額定容量Sk為3 450 kVA，系統(tǒng)一次側(cè)短路容量ST為100 MVA，網(wǎng)側(cè)、閥側(cè)電壓U1、U2分別為35 kV、1 180 V，分裂變壓器穿越、半穿越阻抗百分比Uk%、Ub%分別為8.0%、6.0%，額定直流電壓UdN為1 500 V，額定空載直流電壓UdN0為1 640 V，理想空載直流電壓；Ud0=1.398×U2=1.398×1 180=1 649.64 V，則有：

穿越阻抗為

=0.032 287 5 Ω；

半穿越阻抗為

=0.048 431 3 Ω

交流系統(tǒng)阻抗為

換相電抗為

xc=xs+xb=0.062 355 3 Ω

雙分裂變壓器的耦合系數(shù)k為

Id2=3 711.65 A，Id3=7 834.11 A，Id4=14 548.9 A，Id5=19 123.9 A(注：設(shè)Ud1→Ud2的臨界電流標(biāo)號為Id2)，另起點(diǎn)為空載時，所以Id1=0；

RF2=0.140 298，RF3=0.296 124，RF4=0.549 94，RF5=0.722 87(注：設(shè)Ud1→Ud2的臨界電抗系數(shù)標(biāo)號為RF2)，RF1=0。

將得到的Id2、Id3、Id4、Id5分別帶入式(2)～式(5)編程計(jì)算，依次求得

Ud2=1 539.14 V，Ud3=1 334.66 V，Ud4=848.048 V，Ud5=261.641 V，另Ud1=UdN0=1 640 V?？傻?/p>

由上面得到的數(shù)據(jù)繪制得到如圖2所示的12脈波整流機(jī)組分段外特性曲線圖。

進(jìn)一步可以得到各段戴維寧等效的內(nèi)阻：

×0.062 355 3=0.027 1752 Ω

×0.062 355 3=0.049 601 2 Ω

×0.062 355 3=0.072 467 8 Ω

×0.062 355 3=0.128 178 Ω

式中,k1、k2、k3、k4為圖2中各段直線斜率的絕對值，求得k2=0.795 46,k3=1.162 18。

圖2　12脈波整流機(jī)組分段外特性曲線

當(dāng)上述12脈波整流機(jī)組工作在第一區(qū)時，其戴維寧等效電路的理想電壓源電壓Us1=Ud0=1 649.64 V，其內(nèi)阻為Req1=0.027 175 2 Ω。

當(dāng)工作在第二區(qū)時，如圖3所示黑色線段即為其工作區(qū)段，兩端點(diǎn)坐標(biāo)已在前面求出，延長線段兩端交至坐標(biāo)軸上如圖細(xì)線所示，可求得與縱軸的交點(diǎn)坐標(biāo)為(0，1.044 614)，即得截距為1.044 614，所以得Us2=截距×1 649.64=1.044 614×1 649.64=1 723.24 V，內(nèi)阻Req2=0.049 601 2 Ω。

當(dāng)工作在第三區(qū)時，如圖4所示黑色線段即為其工作區(qū)段，兩端點(diǎn)坐標(biāo)已在前面求出，延長線段兩端交至坐標(biāo)軸上如圖細(xì)線所示，可求得與縱軸的交點(diǎn)坐標(biāo)為(0，1.153 208)，即得截距為1.153 208，所以得Us3=截距×1 649.64=1.153 208×1 649.64=1 902.38 V，內(nèi)阻Req3=0.072 467 8 Ω。

224脈波整流機(jī)組

2.1機(jī)組構(gòu)成

城軌用24脈波整流機(jī)組一般由兩個相差15°的12脈波整流機(jī)組并聯(lián)而成，仿真模型如圖5所示。工程計(jì)算上使用時可認(rèn)為其由2個12脈波整流電路并聯(lián)獨(dú)立工作。

圖3　12脈波整流機(jī)組分段第二區(qū)曲線

圖4　12脈波整流機(jī)組分段第三區(qū)曲線

2.2仿真分析

2.2.1原24脈波整流電路仿真分析

圖5所示仿真電路中，變壓器額定容量Sk為3 450 kVA，系統(tǒng)一次側(cè)短路容量ST為100 MVA，網(wǎng)側(cè)、閥側(cè)電壓U1、U2分別為35 kV、1 180 V，整流器參數(shù)采用默認(rèn)設(shè)置，連接的RLC-Load負(fù)載設(shè)置為純R負(fù)載，其額定電壓為1 500 V，功率為1.5 MW。

在Matlab/Simulink中仿真，結(jié)果如圖6所示，負(fù)載電壓有效值約為1 546 V，負(fù)載電流有效值約為1 031 A。

2.2.224脈波整流戴維寧等效電路仿真分析

圖5　24脈波整流電路仿真模型

圖6　24脈波整流機(jī)組負(fù)載輸出曲線

下面再用1.3節(jié)中得到的戴維寧等效電路來仿真，以整流器工作在第一個工作區(qū)間為例。此時的，戴維寧等效電壓源和內(nèi)阻為Us1=1 649.64 V，Req1=0.027 175 2 Ω，根據(jù)等效24脈波并聯(lián)疊加的等效原理將兩個12脈波整流戴維寧等效電路并聯(lián)，從而可以得到如圖7所示的仿真電路，連接的負(fù)載參數(shù)同上。仿真結(jié)果如圖8所示，負(fù)載電壓有效值約為1 635 V，負(fù)載電流有效值約為1 090 A。比較兩組數(shù)據(jù)(1 546 V，1 031 A)和(1 635 V，1 090 A)可以發(fā)現(xiàn)簡化的24脈波整流機(jī)組等效模型基本符合預(yù)期要求。

圖7　24脈波整流電路戴維寧等效電路模型

3結(jié)論

多脈波整流機(jī)組外特性分析是城軌供電系統(tǒng)的基礎(chǔ)分析。從整流機(jī)組輸出電壓公式和各工作區(qū)間臨界條件出發(fā)，詳細(xì)推導(dǎo)計(jì)算了各工作區(qū)間對應(yīng)的戴維寧等效電壓源和內(nèi)阻，并將等效電路應(yīng)用在仿真模型中(圖7)，進(jìn)一步仿真其工作在第一區(qū)間時負(fù)載的電壓和電流。同時運(yùn)用原(非戴維寧等效的)24脈波整流電路在相同的負(fù)載條件下進(jìn)行仿真(圖5)，通過比較兩組模型中負(fù)載電壓和電流的接近性，表明分段外特性的簡化應(yīng)用是符合要求的。

圖8　戴維寧等效電路負(fù)載輸出曲線

參考文獻(xiàn)

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傅曉鋒(1989)，碩士研究生，研究方向?yàn)槌鞘熊壍澜煌ü╇娤到y(tǒng)；

康積濤(1961)，博士、教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)無功與電壓穩(wěn)定性、電力變壓器原理、軌道交通牽引供電系統(tǒng)仿真計(jì)算等；

劉文(1990)，碩士研究生，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電與并網(wǎng)；

劉東霖(1990)，碩士研究生，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電與并網(wǎng)。

中圖分類號：TM76

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1003-6954(2016)02-0074-04

作者簡介：

(收稿日期：2015-09-07)