摘要：近些年，在我国快速发展下，带动了我国各个行业领域的进步。牵引供电整流机组是城市轨道交通牵引供电系统的重要组成部分，但其产生的谐波可能会对电网电能质量产生影响。为分析此问题，使用Matlab/Simulink分别搭建24脉波整流机组和48脉波整流机组的仿真模型，通过基于FFT的电力系统谐波分析方法，分析牵引供电整流机组阀侧和网侧的谐波电压，并对结果进行对比分析，得到了48脉波整流机组较24脉波整流整流机组可以进一步有效减少谐波产生的结论。
关键词：牵引供电；整流机组；谐波
引言
随着我国城镇化的加快发展，未来城镇规模也不断扩大，轨道交通是解决交通拥堵问题的必然选择。近年来，我国城市轨道交通建设高速发展，城市轨道交通作为城市交通基础设施建设，具有运量大、速度快、稳定、零污染的优势。地铁牵引供电系统是城市轨道交通至关重要的组成部分，其担负着为电动机车和各种用电设备提供电能的重要任务。
1地铁的供电系统
地铁供电系统的作用是向地铁列车和用电设备提供电能，是地铁的重要组成部分和动力来源。地铁的供电系统可以分为外部供电系统和内部供电系统。外部供电系统即地铁的一次高压电源系统，通过主变电所连接城市电网，可采用集中式、分散式和混合式三种方式供电。地铁的内部供电系统则包含牵引供电系统和动力照明系统。其中，牵引供电系统是地铁供电系统的核心，由牵引变电所和接触网组成，用于牵引地铁机车;动力照明系统负责给区间、车站内的各类照明设施和动力设备、通信设备及自动化设备提供电能。地铁供电系统的结构如图1所示。
图1地铁供电系统结构图
当前，国内城市地铁大多采用110/35kV的两级电压集中供电方式。这种供电方式主要由外部电源、主变电所、中压环网、牵引变电所和降压变电所构成。每个主变电所从城市电网引入2路110kV电源互为备用，降压至地铁所需的35kV中压系统，然后通过中压环网向牵引变电所和降压变电所供电。中压环网采用分区供电，几个相邻的牵引变电所通过串接的方式构成一个供电分区。主变电所向每个供电分区的一个变电所供电，分区的其他变电所则通过串接的方式获得电源。各个牵引变电所之间通过交流电缆连接，这样就构成了地铁的集中供电系统，如图2所示。
图2地铁的集中供电系统
2整流机组工作原理分析
城市轨道交通系统中牵引变电所的接线包括连接电网的交流和输出直流两个部分，其中整流机的作用是实现交流到直流的转变。输出直流电压通常含有高次谐波，为了减少谐波，提高脉动数，整流方式由6脉波，12脉波和24脉波等。目前，在我国地铁中使用的最广泛的整流方式是24脉波整流。
24脉波整流机组的工作原理如图3所示。由两组三相绕组变压器和四个三相不控整流桥构成，从整体结构上可以发现就是两个12脉波整流电路并联而成，其整流桥直流侧所有正极相连，所有负极相连，分别作为直流侧负载的两端。变压器的原副边通过不同的联结方式，能实现的相位差最小为30°，即至多可产生12脉波的输出电压，但为了实现24脉波的输出特性，必须实现15°的相位差。因此，其两台变压器的三相绕组原边本质上依旧是三角形联结但加入了延边，两原边分别移动+7.5°和－7.5°的相位，使二者总共相差15°。这进而保证输送到整流桥交流侧的线电压有15°的相位差，从而经整流后每周期能够输出24脉波的输出电压，从而实现24脉波整流的输出特性。
结合平衡电抗器的不同设置方式，目前24脉波整流机组主要有四种结构：一是完全不设置平衡电抗器，四个整流桥直接并联，如图4所示；二是只在两6脉波整流桥之间设置电抗器，即将两个传统的带平衡电抗器的12脉波整流电路直接并联；三是在两个12脉波整流桥间装设电抗器，其整流桥内部不设置；四是无论6脉波整流桥还是12脉波整流桥之间都设置平衡电抗器。虽然平衡电抗器能够起到减小电压纹波和提高整流器利用率的功能，但也会出现许多上文所述的危害，同时考虑到能用变压器漏感进行替代，因此当前主要还是采用第一种结构，省去所有的平衡电抗器，以提升系统经济性和安全性。
图4?延边三角形示意图
3仿真结果分析
3.1阀侧谐波分析
基于Matlab/Simulink搭建24脉波整流机组和48脉波整流机组的仿真模型，并对测得的阀侧直流电压进行FFT频谱分析。谐波分析的上限设为100次谐波，即基波频率50Hz的100倍。24脉波整流机组的阀侧电压谐波含量如图5所示，其谐波总畸变率THD为2.52%。它的主要谐波次数为24次、48次、72次和96次，谐波含量分别为0.4%、0.17%、0.12%和0.09%。图6为48脉波整流机组的阀侧电压谐波含量，其谐波总畸变率THD为0.06%。由图6可以看出，主要谐波次数为48次和96次，谐波含量分别为0.05%和0.03%。经过对比可以得到结论：整流机组阀侧电压的谐波次数主要集中在单周期脉波数的整数倍，且谐波含量会随着谐波次数的升高而降低。48脉波整流机组与24脉波整流机组相比可以显著降低阀侧直流电压中谐波总畸变率和各个谐波次数的谐波含量。
图6 48脉波整流机组阀侧谐波电压含量图
3.2网侧谐波分析
图7为24脉波整流机组的网侧谐波电压含量，谐波总畸变率THD为0.30%。由图7可以看出，主要谐波次数以及它们的谐波含量如表1所示。图8为48脉波整流机组的网侧谐波电压含量，谐波总畸变率THD为0.03%。由图8可以看出，主要谐波次数为47次、49次、95次和97次，它们的谐波含量分别为0.02%、0.02%、0.01%和0.01%。由仿真结果可知，24脉波整流机组的特征谐波次数是24n±1次，n=1,2,3…，与理论分析的24脉波整流机组的网侧特征谐波次数相符，验证了仿真模型搭建的有效性和正确性。其中，23次和25次谐波的谐波含量最高，且谐波含量会随着谐波次数的升高逐渐降低。与24脉波整流机组相比，48脉波整流机组可以进一步减少谐波含量，但是会增加牵引变电所建设的投资。现阶段，24脉波整流机组在有源滤波器的辅助下的谐波畸变率，基本可以满足国家标准对电能质量影响的要求。但是，随着城市轨道交通的发展和人们对电网电能质量要求的不断提高，未来48脉波整流机组会成为一种针对谐波抑制的有效措施。
表1 24脉波整流机组的网侧主要谐波电压含量表
结语
本文通过搭建24脉波整流机组和48脉波整流机组的仿真模型，对比分析两种整流方式的阀侧和网侧的谐波特性，通过数学分析和仿真结果得到牵引整流机组的特征谐波次数为mk±1（m为单周期整流机组脉冲数）的结果。通过对比可以发现，48脉波整流机组注入电网的谐波电压均远小于24脉波整流机组，减轻了对电网造成的谐波污染，谐波含量更低，波形更加平稳，有利于提高电能质量。
参考文献
[1]葛红娟，杨 光，姜 帆，等.无平衡电抗器24脉自耦变压整流技术研究[J].北京理工大学学报，2019，39（2）：209-214，220.
[2]肖 华.新型24脉波树脂浇注干式整流变压器[J].变压器，2019，56（4）：14-17.