感應(yīng)濾波技術(shù)在地鐵牽引供電系統(tǒng)中的應(yīng)用

陳程，彭華廈，曾進(jìn)輝（湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

感應(yīng)濾波技術(shù)在地鐵牽引供電系統(tǒng)中的應(yīng)用

陳程，彭華廈，曾進(jìn)輝
（湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

地鐵供電系統(tǒng)存在諧波污染和功率因素偏低，損耗大等問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種基于感應(yīng)濾波技術(shù)的新型地鐵供電系統(tǒng)方案。新系統(tǒng)可以使得閥側(cè)諧波無(wú)法通過(guò)整流變壓器流入高壓網(wǎng)側(cè)，具有良好的諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償效果。仿真結(jié)果驗(yàn)證了方案的有效性。

地鐵；牽引供電；感應(yīng)濾波；諧波

本文引用格式：陳程，彭華廈，曾進(jìn)輝.感應(yīng)濾波技術(shù)在地鐵牽引供電系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.新型工業(yè)化，2016，6（7）：9-16.

0　引言

目前，我國(guó)地鐵的供電制式主要為1500V和750V的直流牽引供電系統(tǒng)。牽引供電系統(tǒng)的組成部分主要有整流機(jī)組，直流開關(guān)柜和750V/1500V直流供電電纜及一些保護(hù)裝置，其中整流機(jī)組是牽引供電系統(tǒng)的核心設(shè)備，其作用是將環(huán)網(wǎng)35kV高壓交流電經(jīng)降壓整流后輸出750V/1500V直流電供給地鐵牽引供電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)直流牽引。

對(duì)于地鐵供電系統(tǒng)的濾波方案，通常是在交流網(wǎng)側(cè)安裝濾波及無(wú)功補(bǔ)償裝置或者采用多脈波技術(shù)。由傳統(tǒng)牽引變電站所產(chǎn)生的諧波和消耗的無(wú)功皆通過(guò)牽引整流變壓器的原副邊繞組注入交流網(wǎng)側(cè)，一方面增加了變壓器的繞組設(shè)計(jì)容量和額外損耗，還加重了變壓器的電磁干擾和絕緣難度，由此帶來(lái)變壓器制造成本增加，另一方面由于濾波器安裝在交流網(wǎng)側(cè)，使得濾波的效果受到電網(wǎng)阻抗的影響而收效欠佳［1］。后者采用24脈波整流技術(shù)，諧波含量大大減小，在通常情況下滿足電網(wǎng)對(duì)諧波含量的允許值，但由此又帶來(lái)變壓器制造成本難度大大增加，結(jié)構(gòu)復(fù)雜［2-3］。

感應(yīng)濾波技術(shù)利用耦合繞組的安匝平衡實(shí)現(xiàn)諧波電流隔離在整流變壓器閥側(cè)繞組，避開交流網(wǎng)側(cè)的系統(tǒng)阻抗影響，并可達(dá)到諧波電流就近抑制的目的，有效的減輕諧波磁勢(shì)對(duì)換流變壓器造成的損害［4］。文獻(xiàn)［5］綜述了感應(yīng)濾波理論的發(fā)展歷程、實(shí)用意義與應(yīng)用前景；文獻(xiàn)［6-7］研究了一種用于高壓直流輸電系統(tǒng)的基于感應(yīng)濾波技術(shù)的新型換流變壓器；文獻(xiàn)［8-11］對(duì)感應(yīng)濾波技術(shù)的濾波和無(wú)功補(bǔ)償機(jī)理、關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)、諧波分布和運(yùn)行特性進(jìn)行了研究。感應(yīng)濾波技術(shù)在高壓直流輸電系統(tǒng)和工業(yè)整流方面具有很好的諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償效果，這一點(diǎn)經(jīng)多年的理論研究和工程實(shí)踐已經(jīng)得到證明，但是對(duì)于感應(yīng)濾波技術(shù)在地鐵供電系統(tǒng)中的應(yīng)用卻研究甚少，文獻(xiàn)［12］提出了一種由感應(yīng)濾波原理構(gòu)建的新型換流變壓器在地鐵供電系統(tǒng)中的應(yīng)用，研究了其阻抗約束條件、諧波抑制及無(wú)功補(bǔ)償機(jī)理，分析了其諧波特性。本文提出一種基于感應(yīng)濾波技術(shù)的新型地鐵牽引供電系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)的諧波抑制機(jī)理及其關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)出全套的濾波方案，通過(guò)仿真驗(yàn)證該系統(tǒng)的諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償效果。

1　新型整流變壓器及其濾波系統(tǒng)

本文研究一種基于感應(yīng)濾波技術(shù)的新型地鐵牽引供電系統(tǒng)，將整流變壓器的兩套閥側(cè)繞組Y/△接法改為延邊三角形聯(lián)結(jié)，并將濾波裝置接到閥側(cè)延邊三角形公共繞組抽頭處，通過(guò)對(duì)公共繞組的零阻抗繞組設(shè)計(jì)，將閥側(cè)特定次諧波引入濾波器提供的短路通道，不再經(jīng)過(guò)變壓器鐵心流入網(wǎng)側(cè)，隔絕了諧波電流的傳播和擴(kuò)散。圖1所示為新型地鐵牽引供電系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)圖，其中整流變壓器一次側(cè)采用Y接，二次側(cè)兩套繞組為延邊D聯(lián)結(jié)，通過(guò)繞組方式的改變使線電壓相位差，兩套繞組分別連接整流器構(gòu)成12脈波整流，變壓器鐵心中諧波電流磁勢(shì)主要為12K±1（K=1，2，3…）次。閥側(cè)接入5、7、11、13次特征諧波濾波器，將諧波抑制在二次側(cè)，達(dá)到無(wú)功補(bǔ)償和諧波抑制的效果。

圖1　新型12脈波牽引供電系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)Fig.1　The main circuit structure of the new 12-pulse traction power supply system

1.1新型整流變壓器的原理和結(jié)構(gòu)

新型整流變壓器的接線方案和電壓向量如圖2，設(shè)整流變壓器一次側(cè)三相電壓對(duì)稱：

式中：1Uφ為網(wǎng)側(cè)母線相電壓的有效值；γ為A相電壓初始相位。

圖2　新型整流變壓器接線方案和電壓相量圖Fig.2　The connection scheme of new rectifier transformer and its phase diagram of voltages

設(shè)新型整流變壓器一二次線電壓之比為1：1；W1、Wc和Wp分別網(wǎng)側(cè)繞組、閥側(cè)公共繞組和閥側(cè)延邊繞組的匝數(shù)。參照新型整流變壓器的電壓相量圖如圖2，求得閥側(cè)兩套繞組的線電壓方程為：

式中為相對(duì)傳統(tǒng)整流變壓器的移相角。

12脈波整流要求閥側(cè)兩組線電壓相差30°，因此可求得φ=15°。設(shè)延邊繞組和公共繞組電壓有效值分別為Up和Uc，根據(jù)正弦定理得

可解得kc=W1Wc=U1φUc=1.1153，kp=W1Wp=U1φUp=1.9320，其中kc、kp分別為閥側(cè)公共繞組、閥側(cè)延邊繞組與網(wǎng)側(cè)繞組之間的匝比。若一二次側(cè)線電壓之比U1L/U2L=k，則可得

可知新型整流變壓器閥側(cè)兩組線電壓分別移相±15°，這樣兩組線電壓互差30°，構(gòu)成12脈波換相整流變壓器。由于閥側(cè)兩套繞組匝數(shù)比相同，降低了制造難度。

1.2諧波抑制原理

圖3　新型整流變壓器及其濾波裝置和繞組布置Fig.3　The filtering devices and the distribution of windings

本文提出的濾波方案是在閥側(cè)公共繞組抽頭處接入5、7、11和13次特征諧波濾波器，在相應(yīng)的諧波頻率下濾波器支路阻抗為零，給諧波電流提供短路通道。當(dāng)諧波電流流入延邊繞組后立即從濾波器支路短路，諧波電流產(chǎn)生的諧波磁勢(shì)在延邊繞組和公共繞組之間平衡，使得原邊繞組無(wú)諧波電流通過(guò)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)繞組與閥側(cè)諧波隔離。在變壓器設(shè)計(jì)時(shí)，只要公共繞組布置合理就可以使得繞組阻抗接近為零，新型整流變壓器及其濾波支路的結(jié)構(gòu)和繞組布置如圖3。雖然在變壓器設(shè)計(jì)中，很難達(dá)到準(zhǔn)確的零阻抗設(shè)計(jì)，只要將公共繞組的等效阻抗控制在網(wǎng)側(cè)繞組等效阻抗的5％以下，就可達(dá)到工程化的要求［13］。

2　仿真建模

為了對(duì)比分析新型地鐵牽引供電系統(tǒng)與傳統(tǒng)24脈波牽引供電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性。本文利用MATLAB-SIMULINK的電力系統(tǒng)仿真模塊分別建立了傳統(tǒng)24脈波牽引供電系統(tǒng)和新型地鐵牽引供電系統(tǒng)的仿真模型。

2.1傳統(tǒng)24脈波整流機(jī)組仿真

目前牽引整流機(jī)組廣泛使用24脈波整流，整流機(jī)組由兩臺(tái)12脈波軸向雙分裂牽引整流變壓器和4套3相橋式整流器組成。兩臺(tái)變壓器閥側(cè)二套繞組分別按星型接法和三角形接法，使得線電壓相差30°。兩臺(tái)變壓器網(wǎng)側(cè)采用外延邊三角形接線方式移相±7.5°，使得兩臺(tái)變壓器的4套閥側(cè)繞組線電壓相位互差15°，經(jīng)全波整流后在直流側(cè)并聯(lián)運(yùn)行，組成24脈波整流機(jī)組［14］。24脈波整流機(jī)組主電路原理圖如圖4。值得注意的是，由于變壓器采用了軸向雙分裂式結(jié)構(gòu)，閥側(cè)繞組間具有較大的短路阻抗（分裂阻抗），因此一般都不設(shè)橋間平衡電抗器［15］。根據(jù)廣州地鐵6號(hào)線24脈波整流機(jī)組的系統(tǒng)參數(shù)，整流變壓器（單臺(tái)12脈波）額定容量為2500kVA，變壓器變比33kV/1180V，空載電壓1650V，直流側(cè)額定電壓1500V，設(shè)置模型參數(shù)［16］。

圖4　傳統(tǒng)24脈波整流機(jī)組主電路仿真模型Fig.4　The main circuit model of the traditional 24-pulse rectifier unit

2.2新型地鐵牽引供電系統(tǒng)仿真

應(yīng)用MATLAB-SIMULINK建立了如圖5所示的新型地鐵牽引供電系統(tǒng)，網(wǎng)側(cè)額定電壓33kV，頻率為50Hz。帶有濾波器的新型整流變壓器模塊如圖6，其中新型整流變壓器閥側(cè)兩套繞組通過(guò)延邊三角形接法分別移相±15°，使得兩套繞組線電壓相差30°，經(jīng)三相不可控整流橋整流后，在直流側(cè)并聯(lián)，構(gòu)成12脈波整流電路，DT5/7，DT11/13次雙調(diào)諧濾波器接在變壓器閥側(cè)抽頭處。

仿真中采用恒功率負(fù)載代替牽引負(fù)荷，仿真算法為變步長(zhǎng)的4階/5階龍格-庫(kù)塔積分算法ode45，仿真時(shí)間0.1s。系統(tǒng)的基本參數(shù)如下：

（1）直流側(cè)額定電壓1500V，額定功率2200kW（為了與傳統(tǒng)24脈波整流系統(tǒng)對(duì)比，額定功率取24脈波的二分之一）。

（2）整流側(cè)新型整流變壓器單臺(tái)額定容量為S=383.53kVA，額定電壓比為19052.56V/610.83V/352.63V；公共繞組等值阻抗采用零阻抗設(shè)計(jì)為網(wǎng)側(cè)等效阻抗的5％。

圖5　新型12脈波牽引供電系統(tǒng)仿真模型Fig.5　The model of new 12-pulse traction power supply system

圖6　帶有濾波器的新型整流變壓器模塊Fig.6　The model of new rectifier transformer with filter

3　仿真結(jié)果對(duì)比分析

圖7為傳統(tǒng)24脈波整流系統(tǒng)下網(wǎng)側(cè)和閥側(cè)電流波形和頻譜圖，可知閥側(cè)電流主要含有6K±1（K=1，2，3…）次特征諧波，其中5、7次諧波含量較大。注入電網(wǎng)的諧波主要是24K±1次諧波，主要為23、25次。

圖7　傳統(tǒng)模型下網(wǎng)側(cè)和閥側(cè)電流波形和頻譜圖Fig.7　The network side and the valve side current waveform and spectrum of the traditional model

圖8為新型整流變壓器的網(wǎng)側(cè)和閥側(cè)的電流波形，表1為傳統(tǒng)24脈波整流變壓器和新型整流變壓器的閥側(cè)和網(wǎng)側(cè)的基波和諧波電流的大小及含量，對(duì)比兩種模型閥側(cè)諧波電流、圖7（b）和圖8（b）可知新系統(tǒng)閥側(cè)的11、13次和23、25次特征諧波雖然有所增大，但閥側(cè)的5、7次諧波含量遠(yuǎn)比傳統(tǒng)24脈波整流系統(tǒng)低，說(shuō)明系統(tǒng)中含量較大的5、7次諧波在通過(guò)閥側(cè)之前就已經(jīng)得到了抑制，大大減小了5、7次諧波對(duì)變壓器的損耗。

圖8　新系統(tǒng)模型下閥側(cè)和網(wǎng)側(cè)電流波形和頻譜圖Fig.8　The network side and the valve side current waveform and spectrum of the new system model

表1　兩種模型下閥側(cè)和網(wǎng)側(cè)基波和諧波電流Tab.1　The valve side and the network side of the fundamental wave and harmonic currents of the Two models

表2為地鐵供電系統(tǒng)交流網(wǎng)側(cè)滿足《電能質(zhì)量、公用電網(wǎng)諧波》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14549-1993，注入公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值。對(duì)比表1和表2，可知新型整流變壓器及其濾波系統(tǒng)可將5、7、11、13次主要特征諧波抑制于閥側(cè)，網(wǎng)側(cè)的電流波形畸變率極大的降低，諧波含量遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，并且主要特征次諧波電流在流經(jīng)整理變壓器之前已經(jīng)得到抑制，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)繞組和閥側(cè)繞組的諧波隔離。對(duì)比表1兩種模型網(wǎng)側(cè)的諧波電流、圖7（a）和圖8（a），可知新系統(tǒng)交流網(wǎng)側(cè)的諧波含量已接近24脈波整流效果，大大節(jié)約了生產(chǎn)制造成本。表3為兩種仿真模型交流網(wǎng)側(cè)繞組電壓電流相位差，可知基于新型整流變壓器及其濾波系統(tǒng)的地鐵供電系統(tǒng)的功率因數(shù)高于傳統(tǒng)24脈波整流，說(shuō)明新系統(tǒng)無(wú)功功率在閥側(cè)得到了補(bǔ)償，有效的降低了通過(guò)整流變壓器的無(wú)功容量，減少了整流變壓器的設(shè)計(jì)容量，新型整流變壓器設(shè)計(jì)容量為383.53kVA×6=2301.2kVA，對(duì)比傳統(tǒng)24脈波整流系統(tǒng)單臺(tái)整流變壓器2500kVA設(shè)計(jì)容量較小。

表2　地鐵供電系統(tǒng)的國(guó)家公用電網(wǎng)諧波限制標(biāo)準(zhǔn)Tab.2　Public power grid harmonic limit standard for DCtraction Power Supply System for Subway

表3　兩種模型下網(wǎng)側(cè)繞組電壓與電流的相位差Tab.3　The phase difference between voltage and current in the network side of the two model

4　結(jié)論

應(yīng)用感應(yīng)濾波技術(shù)構(gòu)建了一種新型地鐵牽引供電系統(tǒng)，介紹了新系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和諧波抑制原理，通過(guò)仿真分析，驗(yàn)證了新系統(tǒng)具有很好的諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償效果。此外由于新系統(tǒng)中整流變壓器二次側(cè)繞組采用延邊三角形結(jié)構(gòu)，閥側(cè)兩套繞組結(jié)構(gòu)類似，匝比相同，解決了傳統(tǒng)24整流變壓器匝比不可能完全滿足1的問(wèn)題，具有很好的工程實(shí)用性和應(yīng)用前景。

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《新型工業(yè)化》雜志征稿啟事

為貫徹落實(shí)黨的十七大提出的“大力推進(jìn)信息化與工業(yè)化融合”精神和《國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十二個(gè)五年規(guī)劃綱要》提出的“全面提高信息化水平，推動(dòng)信息化和工業(yè)化深度融合”發(fā)展戰(zhàn)略。真正的新型工業(yè)是在信息工業(yè)基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的智能工業(yè)，一種以人腦智慧、電腦網(wǎng)絡(luò)和物理設(shè)備為基本要素的新型經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、增長(zhǎng)方式和社會(huì)形態(tài)?！缎滦凸I(yè)化》雜志是由中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部主管、工信部電子科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所主辦的中央國(guó)家級(jí)專業(yè)期刊（國(guó)家出版總署批準(zhǔn)國(guó)內(nèi)統(tǒng)一連續(xù)出版物序號(hào)CN11-5947/TB 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)刊號(hào)ISSN2095-6649郵發(fā)代號(hào)：82-254 國(guó)際發(fā)行代號(hào)M9070）。欄目：國(guó)內(nèi)外工業(yè)和信息化領(lǐng)域綜述、設(shè)計(jì)與研究、前沿動(dòng)態(tài)、科研通訊、評(píng)論與應(yīng)用。中國(guó)知網(wǎng)和萬(wàn)方等數(shù)據(jù)庫(kù)收錄。

征稿范圍包括（但不限于）：

1.機(jī)械制造及其自動(dòng)化、機(jī)械電子工程、機(jī)械設(shè)計(jì)及理論、車輛工程；

2.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)軟件與理論、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)；

3.控制理論與控制工程、檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置、系統(tǒng)工程、模式識(shí)別與智能系統(tǒng)、導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制；

4.通信與信息系統(tǒng)、信號(hào)與信息處理；物理電子學(xué)、電路與系統(tǒng)、微電子學(xué)與固體電子學(xué)、電磁場(chǎng)與微波技術(shù)；

5.電機(jī)與電器、電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化、高電壓與絕緣技術(shù)、電力電子與電力傳動(dòng)、電工理論與新技術(shù)。

投稿要求：文章應(yīng)具有先進(jìn)性、科學(xué)性、實(shí)用性和邏輯性，稿件務(wù)求論點(diǎn)明確、資料翔實(shí)、數(shù)據(jù)真實(shí)、結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)、文理通順、文字準(zhǔn)確精練、規(guī)范。

E-mail：chinaxxgyh@163.com

或 新型工業(yè)化雜志官網(wǎng)在線投稿：

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本文引用格式：何麗華，謝金森，劉紫靜，等.PWR堆芯動(dòng)態(tài)特性的SIMULINK仿真計(jì)算及界面設(shè)計(jì)［J］.新型工業(yè)化，2016，6（7）：17-21.

DOI：10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.07.003

Application of Inductive Filtering Technology in Traction Power System for Metro

CHEN Cheng， PENG Hua-xia ， ZENG Jin-hui
（College of Electrial and Information Engineering， Hunan University of Technology， Hunan Zhuzhou 412007， China）

There are many problems in the traction power supply system for metro， such as harmonic pollution， low power factor and great power loss. Thus， this paper designs a new traction power supply system based on inductive fltering technology for metro. The new system prevents harmonic currents from injecting into the primary winding through rectifer transformer. Simulation results prove the effectiveness of the proposed design.

Metro； Traction power supply； Inductive fltering； Harmonic

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.07.002

CHEN Cheng， PENG Hua-xia ， ZENG Jin-hui. Application of Inductive Filtering Technology in Traction Power System for Metro［J］. The Journal of New Industrialization， 2016， 6（7）： 9-16.

湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2016JJ5038）

陳程（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向：現(xiàn)代電力電子技術(shù)及系統(tǒng)；彭華廈（1974-），女，博士研究生，教授，主要研究方向：智能電網(wǎng)和微波通信；曾進(jìn)輝（1981-），男，博士，講師，主要研究方向：交直流電能變換系統(tǒng)與裝備，多流制電力牽引機(jī)車及其對(duì)牽引供電系統(tǒng)影響研究，高壓直流輸電新技術(shù)研究