城市轨道交通牵引供电系统整流器应用研究

城市轨道交通牵引供电系统整流器应用研究

作者姓名：徐朝辉，

单位名称：合肥市轨道交通集团建设有限公司，省份城市：安徽省合肥市，邮编：230000，

摘 要：随着城市轨道交通网络的迅猛扩张，作为其稳定运行的关键基石——牵引供电系统对于确保列车安全、高效运行起着不可或缺的作用。整流器作为牵引供电系统中的关键组件，其性能优劣直接关系到供电的稳定性和列车的运行效率。本文详细研究了城市轨道交通牵引供电系统中整流器的应用，梳理了当前常用的整流机组类型，并深入分析了整流器在轨道交通中应用的优势，旨在为城市轨道交通的发展提供有价值的参考和借鉴。

关键词：城市轨道交通；牵引供电系统；整流器；应用研究

前言：城市轨道交通作为城市公共交通的关键一环，凭借其显著的优势如高运量、快速、高准点率以及环保节能特性，已成为现代城市交通发展的主流方向。在这一系统中牵引供电系统占据着核心地位，为列车提供稳定可靠的电能，确保列车的顺畅运行。而作为牵引供电系统的核心组件，整流器的作用不容忽视。整流器主要负责将电网中的交流电高效地转换为直流电，为列车提供稳定、可靠的直流电源，保障列车在城市轨道上安全、高效地行驶。本文旨在通过深入研究城市轨道交通牵引供电系统整流器的应用，为整流器的选型、设计、运行和维护提供理论支持和实践指导。

一、城市轨道交通牵引供电系统概述

城市轨道交通牵引供电系统主要由牵引变电所、接触网、集电装置、牵引变流器和辅助电源等组成。牵引变电所将电网高压电转换为低压电，通过接触网传递给列车。集电装置在列车上收集电能，并经由牵引变流器转换为适合车辆使用的电流和电压[1]。辅助电源为车辆上的辅助设备提供电力。该系统具有高效、可靠和环保的特点。高效的电能转换确保了列车稳定运行，而先进的设备和技术则提高了系统的可靠性，使用电能作为动力源减少了环境污染。牵引供电系统还具备智能性，通过现代化的监控和控制技术，车站及控制中心可以实时监控电能消耗和设备运行状态，实现智能化管理。

二、常用的城市轨道交通整流机组类别

（一）12脉波整流机组

12脉波整流机组通常由三相三绕组或三相四绕组整流变压器T和两组并联三相全波桥式整流电路（通常记作RCT1、RCT2）组成。两组整流桥阀侧供电的整流变压器次边两个绕组为三角型(D)和星型(Y)接线，其线电压力在阀侧形成30°相位差，使两组整流桥在构成十二相12脉波整流电路的同时能够并联工作[2]。在实际应用中，12脉波整流机组具有制造简单、易于维护、成本低效率高等特点。因此广泛应用与城市轨道交通系统中，为城市轨道交通提供稳定可靠的电能供应。

（二）等效24脉波整流机组

等效24脉波整流机组由两套相同容量的12脉波整流机组组成，两套机组的整流变压器阀侧绕组分别移相+7.5°和-7.5°，主要作用是将35kV的交流电经降压整流，输出1500V的直流电，供给地铁接触网以实现直流牵引[3]。等效24脉波整流技术可以减少谐波功率的损耗，提高输电效率，经过优化设计的整流变压器和整流器还能抑制谐波产生，减少电磁波干扰。等效24脉波整流机组不仅广泛应用在城市轨道交通中，其在高压直流输电系统、电动汽车充电桩、工业电源等领域均有重要应用。

（三）电压型PWM整流机组

电压型PWM整流机组采用先进的PWM控制技术能够精确调节整流器的输出电压和电流，实现高效、稳定的电能转换。这种整流机组不仅具有接近100%的功率因数，减少无功功率损耗，提高系统效率，还能有效抑制谐波对电网的污染，改善电能质量。电压型PWM整流机组还支持接入可再生能源如太阳能、风能等清洁能源，有助于实现绿色、低碳的供电方式。电压型PWM整流机组凭借其卓越的性能和环保特性，可以为电动列车的稳定运行提供了可靠的电力保障，在轨道交通供电系统中有着广阔的应用前景。

三、整流器在城市轨道交通中的应用优势

（一）直流牵引供电系统关键组成部分

整流器通过PWM技术实现高效能转换，降低能源损耗、提高系统效率，有效节约运营成本；整流器体积小、重量轻，便于在有限的空间内灵活布置，减少建设和维护成本；PWM整流器具有网侧电流为正弦波的特点，这可以减少甚至避免谐波污染，提高电网的电能质量；PWM整流器还可以实现电能的双向传输，既可以将电网输入的交流电压经PWM整流器整流为列车使用的直流电压，也可以将直流电逆变为交流回馈到电网中去。在列车制动时可以回馈再利用制动能量，进一步提高能源利用效率[4]；整流器具有快速响应和稳定性强的特点，可以使得到的直流电压更加趋于稳定，为城市轨道交通持续提供可靠的电力供应。这些优势共同确保了整流器在城市轨道交通中的重要地位，为轨道交通的安全、高效运营提供了坚实保障。

（二）提高供电系统效率和稳定性

正因为整流器负责将交流电转换为直流电为列车提供稳定的电力支持，所以整流器已经成为城市轨道交通供电系统的核心设备。而电压型PWM整流机组的应用使得整流过程更加高效。PWM控制技术可以精确调节整流器的输出电压和电流，减少能量损失、提高转换效率。与传统整流器相比，PWM整流器能够降低能源浪费，减少运营成本，从而显著提升供电系统的整体效率。

城市轨道交通列车在运行过程中，需要频繁地进行快速起动和制动，这对供电系统的稳定性提出了较高要求。电压型PWM整流机组通过PWM控制技术，可以实现直流电压的稳定输出，满足列车对电能的需求。同时PWM整流器还具有高功率因数、低谐波含量的特点，可以减少对电网的谐波污染，保证电网的稳定运行。PWM整流器还具有快速响应能力，可以迅速适应列车运行过程中电能需求的变化，保证供电系统的稳定性。

（三）适应城市轨道交通特殊需求

作为电力转换的核心设备，整流器能够将交流电高效转换为直流电，为城市轨道交通系统提供稳定的直流电源。通过PWM技术整流器能够实现高精度的电压和电流控制，满足电动列车对电源质量的高要求；城市轨道交通系统对电能质量的要求极高，整流器在转换过程中能有效抑制谐波的产生，降低对电网的污染，保证供电系统的稳定性和可靠性[5]；城市轨道交通系统具有复杂多变的运行工况，整流器能够适应各种工作条件和负载变化。例如PWM整流器可以实现电能的双向传输，在列车制动时回馈再利用制动能量，提高能源利用效率；整流器通常采用高可靠性设计，如二极管不控整流方式以保证在长时间、高负荷运行下仍能稳定工作；整流器支持可再生能源的接入，如太阳能、风能等绿色能源，能够实现更加环保的供电方式。这不仅能够降低对传统能源的依赖，更是符合现代城市轨道交通系统对可持续发展的要求。

结束语：

通过对城市轨道交通牵引供电系统整流器的应用研究，可以看出整流器在保障列车安全、高效运行方面发挥着重要作用。不同类型的整流器具有不同的技术特点和性能表现，在实际应用中需要根据具体情况进行选择和优化。未来，随着技术的不断进步和城市轨道交通的持续发展，整流器的性能将进一步提升，为城市轨道交通牵引供电系统的稳定运行提供更加坚实的保障。同时，也需要加强整流器的运行维护和故障诊断能力，确保整流器的长期稳定运行，为城市轨道交通的安全、高效运行提供有力支持。

参考文献：

[1]吴波.Vv三相平衡牵引供电系统及其工作原理[J].电工技术,2023,20(11):7-10.

[2]李彪.基于动模仿真平台的城轨供电节能优化控制[D].北京交通大学,2022.

[3]潘鹏宇.高速铁路车网系统宽频带阻抗测量方法研究[D].西南交通大学,2022.

[4]徐起阳.多功能复合型能馈装置应用研究[D].北京交通大学,2022.

[5]王伦月,王雄,陈洁莲,等.一种城市轨道交通牵引供电整流装置及其环流抑制方案[J].控制与信息技术,2022,16(02):49-54.