XIE Fang，FENG Xiao-yun, CHEN Shi-hao, Zhao xiaohao
School of Electrical Engineering Southwest Jiaotong University, Chendu Sichuan 610031, China
谢 方，冯晓云，陈世浩 赵小皓
西南交通大学电气工程学院，四川 成都 610031；
ABSTRACT: In this paper, the phase- shift principle of the 24-pulse rectifiers in urban‘s power supply is analysed and modeled.considering SVPWM three-level inverter vector controlled traction system as the load, The running states are simulated in the two cases of supplying with ideally power supply and 24-pulse rectifiers .At the same time, harmonic of the AC side analysed in different running states of the train as well as DC side voltage. Results shows that the 24-pulse supply has good performance,the combination simulation plat could effectively analyse the influence among AC, DC side and operation state of the train.
KEY WORDS: 24-pulse vector control harmonic
摘要：文章对城轨24脉波供电整流机组移相原理进行分析和建模，将基于SVPWM三电平逆变器供电的矢量控制牵引传动系统作为负载，模拟仿真了在理想电源供电和24脉波供电时电机的运行情况。同时，对列车各种运行状态下电网的谐波和直流侧电压进行了分析。仿真结果表明，24脉波供电性能良好，联合仿真平台能有效地分析交、直流侧及列车运行之间的相互影响。
关键词：24脉波 矢量控制 谐波
1 引言
地铁牵引供电系统是一个时变的、交直流混合的系统，其网络结构受列车运行方式、运行时间的影响而成为一种动态的网络，很难周全地考虑各个动态过程的供电系统性能，也难以把握整个供电系统的特点。包含了交流网络、直流侧网络和列车三大部分。建立一个能够反映交流侧电路、直流侧电路、机车功率等相互影响的动态、实时的仿真软件势必要求将供电系统和列车牵引传动系统进行联合仿真，而通常供电和列车属于两个研究方向。很多关于供电系统仿真的软件都是将机车等效为一个电流源，通过不同方式的取流模式来模拟机车惰行、加速运行、再生制动等多种工况[1]。很难全面、实时地反映城市轨道交通供电系统的特性。
本文通过对24脉波整流电路及城轨列车牵引传动系统进行分析与建模，建立了24脉波直流牵引供电系统联合仿真平台，对交直流侧及列车之间的相互影响进行了仿真，对于供电系统的仿真软件开发具有一定的借鉴意义。
2 等效24脉波整流基本原理及建模分析
为了改善整流装置的高次谐波对电网、通讯等设备的影响，目前城市轨道交通牵引供电系统中的整流机组广泛采用等效24脉波整流电路。24脉波整流机组产生的谐波电流较12脉波整流谐波含量少, 尤其是12脉波整流谐波含量最大的11、13次谐波可减少80 %以上，是目前比较理想的供电方式[2]。
等效24脉波整流机组由两套12脉波整流机组构成，12脉波整流由两个6脉波3相整流桥并联组成。其中一个3相整流桥接向整流变压器二次侧星形绕组，另一个3相整流桥接向整流变压器的二次侧三角形绕组。因为每台整流变压器二次侧星形绕组和三角形绕组相对应的线电压相位错开π/6，于是可以得到两个三相桥并联组成的12脉波整流电路。当供给两个12脉波整流器的整流变压器高压网侧并联的绕组分别采用±7.5°外延三角形联接时，两套整流器并联运行即可构成等效24脉波整流器[2]。
图1 移相变压器原理图与向量图
Fig.1 The diagram of phase-shift principle and vector
图1为移相变压器的移相原理图与向量图，图中上面组变压器高压侧采用左延接法，如向量图左图所示，加入延边绕组之后，A相电压较加入延边绕组之前移相+7.5º；下面组变压器采用右延接法，如向量图右图所示，同样可以看出加入延边绕组之后移相-7.5º。两组变压器阀侧绕组均采用星-三角接法，三角接绕组与星接绕组的匝数比为 ，这样阀侧绕组线电压幅值相等，只是相差一定的相位。阀侧绕组分别接到3相整流桥，采用并联连接，就形成了24脉波电路，每个脉波相差15º的相角。根据以上移相变压器的原理基于MATLAB/SIMULINK建立了如下的仿真模型：
图2 24脉波整流电路仿真模型
Fig.1 The simulation model of 24 pulse rectifier
图2中三相电源选取与牵引变电所同样的电压等级AC 33KV交流电，子系统模块为24脉波整流变压器模型，通过变压、整流，可以得到城轨供电所用的DC1500V或DC750V电压（文中所采用为DC750V电压制式）。空载时，输出端一个周期内的电压波形及频谱分析如图3所示，可以看出一个周期有24个波头，电压脉动比较小，比较平稳。最大谐波次数出现在第24次，直流分量为781.5V。
图3 24脉波整流电路直流侧输出波形及频谱
Fig.3 The DC side output wave of 24-pulse rectifier
图4为加入阻性负载后24脉波整流电路网侧电流波形和谐波分析，从图中可以看出，网侧电流接近正弦波，谐波非常小，较明显的谐波为第23次和25次，总畸变率仅为1.71%。
图4 24脉波整流电路网侧电流波形和频谱图
Fig.4 The AC side current wave and spectrum
3 基于SVPWM三电平逆变器供电的矢量控制策略分析和仿真模型建立
以磁场定向矢量控制的交流传动系统能够提供最佳启动转矩，使列车快速、平稳地启动；系统有很高的速度精度和很宽的调整范围，能够保证列车在各级速度稳定运行；有理想的电气制动功能，使列车能够可靠地制动、准确地停车，同时向电网回馈电能，非常适合于城轨列车采用。系统控制框图如图５所示，牵引传动系统逆变器采用基于SVPWM三电平电压型逆变器（VSI）供电的矢量控制策略，与两电平VSI相比，前者输出波形好、脉冲频率低、对器件耐压要求低、输出谐波分量低。对电机运行及供电系统。主电路电流含有的脉动成分小,减少了牵引电机产生的电磁噪音[3]。对交流侧谐波有一定的改善作用。
图５ 基于转子磁场定向的异步电机矢量控制系统框图
Fig.5 Rotor Field Oriented vector control frame diagram of asynchronism motor
4 仿真结果与分析
使用Matlab/Simulink平台搭建基于转子磁场定向的异步电机矢量控制仿真系统如图5所示，使用空间电压矢量调制控制三电平逆变器对异步电机供电。理想直流电源供电时，系统在0.2秒时，将转速给定从40rad/s跳变为80rad/s，0.5秒时突减为50rad/s，0.7秒时再增为70rad/s，系统负载在0.8s由20N.m突增为50N.m，在0.9s由50N.m突减为20N.m。仿真结果如下：
图6 理想直流电源下定子电流的仿真波形
Fig.6 Stator current wave when ideal DC source supplied
图7 理想直流电源下转矩曲线
Fig.7 Torque curve when ideal DC source supplied
图8 理想直流电源下转速曲线
Fig. 8 Velocity curve when ideal DC source supplied
从图6、图7、图8可以看出，当转速给定变化时，系统能做出快速响应，负载转变时定子电流稳定性好转速无波动，转矩动态响应快，系统控制精度高。
将24脉波整流变压器输出端加两个均压电容，给逆变器供电，将24脉波供电系统和矢量控制的三电平逆变器主传动系统进行联合仿真。重复以上仿真过程，仿真结果如下：
图9 24脉波供电下定子电流仿真波形
Fig.9 Stator current wave when 24 pulse supplied
图10 24脉波供电下转矩曲线
Fig.10 Torque curve when 24 pulse supplied
图11 24脉波供电下转速曲线
Fig.11 Velocity curve when 24 pulse supplied
将理想直流电源供电下与24脉波供电下的仿真结果进行比较，可以发现仅仅定子电流和转矩曲线波动稍大，尤其是转矩脉动比理想直流电源供电时大，但是转速几乎无波动，而且在转速和转矩切换过程中也没有明显的毛刺出现，并且也没有影响系统的动态响应速度，说明24脉波供电的性能比较好，未给列车运行造成明显不良影响，能满足城轨供电的要求。同时，仿真还可以得到高压供电网侧电流的波形，这样可以对电流进行谐波分析，考察不同时段运行状态或是负载发生变化时，网侧波形的谐波含量的变化。网侧波形及其谐波分析如图12、13、14、15所示:
图12 24脉波供电网侧电流波形
Fig. 12 The AC side current wave of 24-pulse rectifier
图13 0.15s～0.17s网侧电流波形及频谱
Fig.13 0.15s～0.17s AC side current wave and spectrum
图14 0.3s～0.32s网侧电流波形及频谱
Fig.14 0.3s～0.32s AC side current wave and spectrum
图15 0.8s～0.82s网侧电流波形及频谱
Fig.15 0.8s～0.82s AC side current wave and spectrum
图16 直流侧电压波形
Fig.16 DC side voltage wave
由仿真结果可以看出，在0.15秒时，速度稳定运行在40rad/s，因此此时网侧电流波形好，无畸变，谐波几乎为零，而0.3秒时，系统给定速度刚增到80rad/s，对电网电流波动较大，23次和25次谐波快接近10%，整个电流畸变率达到11.22%，但是低次谐波均比较小。同样，在0.8秒时，负载发生变化，网侧电流又开始新一轮的波动，网侧电流波形和谐波情况与0.3秒时类似。说明在列车运行状态改变，甚至是突变时，网侧电流所受影响较大，谐波会随之增大，但是会在比较短的时间内转为稳定运行状态。对于直流侧电压，在系统加速、制动、加载情况下，直流侧电压有一定波动，尤其在0.4秒列车进行再生制动时，网压突然增加，在直流侧形成电压冲击。
4 结论
本文建立了24脉波供电系统模型和矢量控制的列车牵引传动系统联合仿真模型，可以衡量24脉波供电性能的优劣及其对列车运行状态的影响，比较准确地分析列车运行状态对网侧谐波及直流侧电压的影响。将列车牵引传动系统作为供电的负载，从而分析网侧电流的谐波，比较具有真实性与参考性。
仿真结果表明24脉波供电性能良好，大大降低了低次谐波，脉动比较小，对列车运行性能几乎没有太大影响，联合仿真系统能较真切的分析列车各种状态对交流侧谐波及直流侧电压脉动的影响。
参考文献
[1] 周福林，李群湛.城市轨道交通供电系统仿真软件开发研究. 城市轨道交通研究.2007,第5期:25～27.
[2] 林惠汉,凌文坚.24相轴向双分裂整流变压器.变压器.2002,第10期:9～10
[3] 王 巍,罗隆福. 地铁车辆三电平逆变器主传动系统仿真.科学技术与工程. 2007,第6期:1172～1176
[4] 张纯江等.空间矢量PWM波形的谐波仿真研究.燕山大学学报.2000，第2期：141～144
收稿日期：
作者简介：
谢 方（1980—），女，贵州金沙，在读硕士研究生，研究方向：电力电子与电力传动
冯晓云（1962-），女，河南夏邑，教授/博士生导师，研究方向：电力电子与交流传动，列车自动控制（ATC）和列车自动驾驶（ATO）
联系方式：手机：13982201059 E-mail：xieyuer2003@163.com.
