地铁牵引供电系统中感应滤波技术的应用

地铁牵引供电系统中感应滤波技术的应用

李博浪

长沙市轨道交通运营有限公司，湖南 长沙 410000

摘要：地铁牵引供电系统中传统的滤波方法，可以在一定程度上减小谐波分量，但是由于传统方法会大大增加变压器的制造成本，且方法较为复杂不容易实现，针对这种问题如何寻求一种高效可靠的谐波治理方案来提高地铁牵引供电系统的电能质量就尤为重要。本文中应用的新型整流机组利用整流变压器的电磁感应，配合外接的无源滤波装置，对谐波电流与整流变压器的有效隔离，实现供电系统的谐波抑制与无功补偿，从而有效减少整流变压器中谐波磁势电能损耗，该方法在使用过程中使用简单和滤波效果好，同时解决了传统变压器匝比不满足的问题，因此具有较好的工程实用性和应用前景。

关键词：地铁牵引供电系统；感应滤波技术；应用

1 地铁供电系统的构成与研究

1.1 地铁供电系统构成

地铁供电系统主要完成对地铁列车和用电设备的稳定供电，按照功能可以分为外部电源系统、牵引供电系统、动力照明系统以及电力监控系统。其中，外部电源系统即为高压电源系统，供电方式可以为集中式、分散式以及混合式，其电能主要由各城市区域变电所提供。牵引供电系统主要包括牵引变电所以及直流供电网络两个部分，牵引变电所是地铁牵引供电系统的主要承担部分，其功能是将主变电所传送的高压交流电整流为地铁列车可以直接使用的低压直流电。动力照明系统部分的主要作用是为地铁站的各种动力照明设备提供电能，其主要由降压变电所和配线线路两部分组成，我国地铁站常用动力照明设备包括风机、水泵、照明、空调暖通系统、通信设备以及防灾报警设备等。电力监控系统主要负责地铁供电系统中各种设备运行状态的采集、跟踪及操纵，其主要由控制中心主服务器、终端变电所控制设备记忆数据传输网络组成。

1.2 感应滤波技术原理

感应滤波技术是通过耦合绕组的安匝平衡来实现将谐波电流隔离在整流变压其的阀侧绕组，以实现系统阻抗对于交流网侧的影响，从而可以就近实现对谐波电流进行抑制。地铁供电系统主要采用12脉冲整流，为了更好保证12脉冲整流部分的换相要求，在变压器选择上采用谐波屏蔽式自耦变压器，滤波原理主要是将11次及13次特征谐波滤波器接在阀侧公共绕组的抽头处，从而保证在相应的谐波频率下滤波器支路阻抗下降为零，完成对谐波电流的分流。当谐波电流流入到延边绕组之后，立即使滤波器支路短路，进而谐波电流产生的谐波磁势会在延边绕组与公共绕组之间达到平衡，使网侧绕组可以实现无谐波电流通过，完成网侧绕组与阀侧谐波的有效隔离，从而实现对地铁供电系统谐波分量的处理。

2 新型整流变压器的结构系统

2.1 新型整流变压器的组成架构

新型地铁牵引供电系统是在感应滤波的技术基础上，改变整流变压器两套阀侧接法，由原来的Y型/△型接法改变为延边三角形联结法。在延边三角形公共绕组抽头的位置连接滤波装置，改变公共绕组设计实现零阻抗绕组，借助滤波器给出的短路通路使得阀侧特定次谐波可直接通过，避开变压器铁心进入网侧这一环节，阻断谐波电流的传输和扩散。整流变压器的接法选用一次侧接Y型，二次侧两套绕组选用D联结，借助绕组方式改变产生电压相位差，两套绕组依次和整流器连接形成12脉波整流，使变压器铁心中谐波电流磁势倍数达到12（K±1）（K=1，2，3）次。新型整流变压器阀侧接线电压移相角为±15°，两组线电压差角为30°，形成12脉波换相整流变压器；两组阀侧绕组的匝数比一样，使制造更容易。

2.2 新型整流滤波器的谐波抑制原理

滤波方案主要是通过改变绕组连接方式，在阀侧公共绕组抽头位置连接5次、7次、11次和13次特征谐波滤波器，相应频次的谐波滤波器产生的支路阻抗是零，使得谐波电流通路短路^[1]。当谐波电流流经延边绕组时，不通过原边绕组直接经过滤波器支路短路，使得延边绕组和公共绕组上因谐波电流而产生的谐波磁势相均衡，有效地将阀侧谐波和网侧绕组阻隔。在进行变压器绕组设计时，只需合理布设公共绕组便可将绕组阻抗设计为零。在实际变压器设计过程中，精确的零阻抗设计一般难以实现，但只需合理设计公共绕组等效阻抗不超过网侧绕组等效阻抗的5%，便可满足工业设计需求。

3 供电系统的仿真建模

本文基于电力系统的MATLAB-SIMULINK仿真模块，对传统24脉波牵引供电系统和新型地铁牵引供电系统进行仿真建模，进而对比分析2套供电系统的稳态运行特性。

3.1 传统24脉波供电系统的仿真建模

当下常用的牵引整流机组主要是24脉搏整流，采用两台12脉波轴向双分裂牵引整流变压器及4套3相桥式整流器实现。对于变压器阀侧2套绕组，分别采用了星型接法和三角形接法，将线电压相变为30°；对于变压器网侧绕组，选用外延边三角形接线法，移相为±7.5°，造成2台变压器的4套阀侧绕组电压相位差均为15°，经全波整流并联通过直流侧，形成24脉波整流机组。结合某地铁6号线24脉波整流供电系统产生的参数，发现12脉波整流变压器仿真建模参数可设计为2500kV·A的额定容量、1650V的空载电压、1500V的直流侧额定电压及33kV/1180V的变压器变比。

3.2 新型地铁牵引供电系统的仿真建模

新型整流变压器阀侧2套绕组由于采用延边三角形接法进行连接，使移相为±15°，构成2套绕组线电压相差达30°，通过三相不可控整流桥进行整流，使并联通过直流侧，形成12脉波整流电路，其中变压器阀侧抽头位置分别连接了DT5/7，DT11/13次双调谐滤波器^[2]。仿真过程中牵引负荷选用恒功率负载来替代，采用的仿真算法是变步长4阶/5阶龙格-库塔积分算法ode45，时间为0.1s。详细系统参数设置如下。

1）区别于传统24脉波整流系统，直流侧额定电压设置为1500V，额定功率设置为2200kW。

2）新型整流变压器整流侧单台变压器的额定容量为383.53kV·A，额定电压比值是19052.56：610.83：352.63；公共绕组选用零阻抗设计法，使其等值阻抗是网侧等效阻抗的5%。

4 两者仿真结果比较

图1为传统24脉波整流系统下网侧、阀侧的电流波形和频谱仿真图。由图1可知，阀侧电流主要含有6（K±1）（K=1，2，3…）次谐波，其中5次、7次谐波较大。电网注入谐波特征主要是24（K±1）次谐波，其中23次、25次谐波占主导。

图1 传统24脉波整流系统的仿真电流波形和频谱图

图2 是新型整流变压器网侧、阀侧的仿真电流波形图。由图2可知，新型整流变压器及其滤波系统可以抑制5次、7次、11次、13次特征谐波于阀侧，网侧电流正常率明显提升，网侧谐波含量大大小于国家标准。

图2 新系统模型的仿真电流波形和频谱图

通过对比图1b、图2b，可以发现：相比于传统24脉波整流系统，新型脉波整流系统的阀侧11次、13次、23次、25次特征谐波均呈现增加趋势，但阀侧5次、7次谐波含量却明显降低。由此可知，新型系统通过抑制进入阀侧前的5、7次谐波，提升了谐波利用率，降低了5次、7次谐波对变压器造成的损耗。

通过对比图1a、图2a，可以发现：新型脉波整流系统网侧谐波含量几乎达到24脉波整流特性，有效降低了生产制造的成本；同时，新型整流变压器和其滤波系统牵引的地铁供电系统，其功率因数远大于传统24脉波整流系统。由此可知，新型脉波整流系统有效地补偿了阀侧无功功率，大大减少了流经过整流变压器的无功容量和整流变压器的设计容量。

结语

在轨道交通发展的过程中,地铁为人们出行便利以及缓解城市交通压力带来了巨大的益处,而且轨道交通在电气化设备、技术的不断发展下,使得轨道工程建设中应用了大量的供电技术。地铁的牵引供电就是典型的代表,它利用感应滤波这种技术来提高用电的稳定性和安全性,使得地铁列车运行更为平稳和安全。

参考文献

[1]李海翔.浅探地铁直流牵引供电系统馈线的保护技术[J].科学技术创新,2021,第18期

[2]曾进辉,罗隆福,宁志毫.感应滤波型直流供电系统及其工程运行[J].新型工业化,2015(02):60～66.