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【摘要】：直流牵引变电所是地铁牵引供电系统的重要组成部分。本文以郑州地铁2号线为例，建立了文化路牵引变电所带4辆地铁列车同时运行的仿真模型，预测了牵引变电所的谐波分布状况，并加装了滤波装置。结果表明，加装滤波装置后，变电所牵引供电网络的谐波含量大大减少，能基本满足地铁牵引供电系统的要求。
【关键词】：牵引变电所 地铁 整流机组 逆变器 谐波
0、 引言
在采用直流供电的城市轨道交通系统中，牵引变电所的任务是将三相交流电压整流成所要求的直流电压，然后通过接触网或第三轨，向动车组中的牵引逆变器供电，最后将逆变产生的三相交流电压供给三相异步牵引电机。由于整流器和逆变器都是谐波源，所以牵引变电所输出的直流电压中均含有交流成分（简称谐波）。谐波的含量与整流机组的脉波数和所带的牵引逆变器的数量有关。由于整流器的脉波数越大，所含的谐波次数越少，谐波的有效值也越小，所以目前地铁系统采用的整流机组都由12脉波变向24脉波发展，并成为主流整流方式。
本文在分析牵引变电所整流机组引起的谐波的基础上引入了地铁车辆的逆变器，通过分析牵引变电所整个供电区间内运行的地铁列车的数量，利用 MATLAB-SIMULINK工具箱建立牵引变电所和地铁列车的仿真模型，进而研究它的运行工况，并分析24脉波整流机组的网侧谐波电流、直流侧谐波电压以及牵引逆变器交流侧的谐波电压。算例以郑州地铁2号线为例，预测了文化路站牵引变电所的谐波情况，并根据需要采取相应的治理和防护措施。
1、 牵引整流机组
直流牵引变电所由交流受配电系统和直流受馈电系统组成。其中，牵引整流机组是连接两个系统的桥梁。牵引整流机组主要是由整流变压器和整流器组两部分组成。整流机组的工作流程如下：整流变压器首先将城轨中压供电网的高压三相交流电移相降压，然后输送给整流器组，整流器组再将移相降压后的交流电整流变换成直流电输送到牵引网中，最后经过逆变，驱动城轨机车的牵引电动机。2台整流变压器网侧绕组分别采用±7.5°外延三角形接线方式，阀侧绕组采用dy接法，分别经桥式整流后，在直流侧进行并联，构成24脉波的整流系统。24脉波整流器由2台12脉波整流机组并联组成。每台整流机组由1台三相三绕组变压器和2台三相全波不可控整流器构成。
2、 地铁车辆
以郑州地铁2号线为例，该线路列车为B型车，采用DC1500V架空接触网供电，列车编组采用四动二拖的列车编组形式。列车采用变压变频牵引逆变器对牵引电机实施控制，该牵引电机为三相交流异步电动机。每辆动车装备4台牵引电机，采用一台逆变器控制同一辆车上的四个牵引电机的控制模式。所以当地铁列车正常匀速运行时，每辆动车都可以看做是一个牵引逆变器带四个牵引电机运行。
3、 算例分析
郑州地铁2号线分为六个供电分区，每个供电分区有两个或三个牵引变电所。本文以文化路站牵引变电所为例，进行谐波分布研究。列车在相邻两个车站的运行时间大约为2.5min，设2号线高峰时间列车的发车间隔为3min，则在文化路站牵引变电所供电区间内同时运行的列车最多可达4辆，即上行和下行各2辆。建立文化路站牵引变电所和地铁列车的仿真模型，通过仿真可以得到直流侧和逆变侧的电压波形，如下图所示。
4、结论
仿真结果显示该变电所直流侧电压波形有很大畸变，电压纹波因数较大，地铁车辆逆变侧电压总畸变率为212.23%，因此两侧电压都含有大量的谐波，导致波形严重畸变，这样会降低牵引变电所的供电质量，缩短电气设备的使用寿命，甚至会引起保护误动作，严重影响地铁列车的正常运行。因此， 我们要在牵引变电所和地铁车辆上装设滤波装置。加装滤波装置后，所建模型的仿真结果如下图所示。
通过波形对比我们可以看到，加装滤波装置后，两侧电压波形变得更加平滑，逆变侧输出电压总畸变率降为95.4%.谐波含量大大减少，这对于提高牵引变电所的供电质量和保障地铁列车的正常运行有重大意义。
参考文献：
[1]姚猛.城市轨道交通供电模式及谐波分析[D].郑州大学硕士学位论文，2012
[2] 李维波.MATLAB在电气工程中的应用[M].北京：中国电力出版社，2007
【关键词】：牵引变电所 地铁 整流机组 逆变器 谐波
0、 引言
在采用直流供电的城市轨道交通系统中，牵引变电所的任务是将三相交流电压整流成所要求的直流电压，然后通过接触网或第三轨，向动车组中的牵引逆变器供电，最后将逆变产生的三相交流电压供给三相异步牵引电机。由于整流器和逆变器都是谐波源，所以牵引变电所输出的直流电压中均含有交流成分（简称谐波）。谐波的含量与整流机组的脉波数和所带的牵引逆变器的数量有关。由于整流器的脉波数越大，所含的谐波次数越少，谐波的有效值也越小，所以目前地铁系统采用的整流机组都由12脉波变向24脉波发展，并成为主流整流方式。
本文在分析牵引变电所整流机组引起的谐波的基础上引入了地铁车辆的逆变器，通过分析牵引变电所整个供电区间内运行的地铁列车的数量，利用 MATLAB-SIMULINK工具箱建立牵引变电所和地铁列车的仿真模型，进而研究它的运行工况，并分析24脉波整流机组的网侧谐波电流、直流侧谐波电压以及牵引逆变器交流侧的谐波电压。算例以郑州地铁2号线为例，预测了文化路站牵引变电所的谐波情况，并根据需要采取相应的治理和防护措施。
1、 牵引整流机组
直流牵引变电所由交流受配电系统和直流受馈电系统组成。其中，牵引整流机组是连接两个系统的桥梁。牵引整流机组主要是由整流变压器和整流器组两部分组成。整流机组的工作流程如下：整流变压器首先将城轨中压供电网的高压三相交流电移相降压，然后输送给整流器组，整流器组再将移相降压后的交流电整流变换成直流电输送到牵引网中，最后经过逆变，驱动城轨机车的牵引电动机。2台整流变压器网侧绕组分别采用±7.5°外延三角形接线方式，阀侧绕组采用dy接法，分别经桥式整流后，在直流侧进行并联，构成24脉波的整流系统。24脉波整流器由2台12脉波整流机组并联组成。每台整流机组由1台三相三绕组变压器和2台三相全波不可控整流器构成。
2、 地铁车辆
以郑州地铁2号线为例，该线路列车为B型车，采用DC1500V架空接触网供电，列车编组采用四动二拖的列车编组形式。列车采用变压变频牵引逆变器对牵引电机实施控制，该牵引电机为三相交流异步电动机。每辆动车装备4台牵引电机，采用一台逆变器控制同一辆车上的四个牵引电机的控制模式。所以当地铁列车正常匀速运行时，每辆动车都可以看做是一个牵引逆变器带四个牵引电机运行。
3、 算例分析
郑州地铁2号线分为六个供电分区，每个供电分区有两个或三个牵引变电所。本文以文化路站牵引变电所为例，进行谐波分布研究。列车在相邻两个车站的运行时间大约为2.5min，设2号线高峰时间列车的发车间隔为3min，则在文化路站牵引变电所供电区间内同时运行的列车最多可达4辆，即上行和下行各2辆。建立文化路站牵引变电所和地铁列车的仿真模型，通过仿真可以得到直流侧和逆变侧的电压波形，如下图所示。
4、结论
仿真结果显示该变电所直流侧电压波形有很大畸变，电压纹波因数较大，地铁车辆逆变侧电压总畸变率为212.23%，因此两侧电压都含有大量的谐波，导致波形严重畸变，这样会降低牵引变电所的供电质量，缩短电气设备的使用寿命，甚至会引起保护误动作，严重影响地铁列车的正常运行。因此， 我们要在牵引变电所和地铁车辆上装设滤波装置。加装滤波装置后，所建模型的仿真结果如下图所示。
通过波形对比我们可以看到，加装滤波装置后，两侧电压波形变得更加平滑，逆变侧输出电压总畸变率降为95.4%.谐波含量大大减少，这对于提高牵引变电所的供电质量和保障地铁列车的正常运行有重大意义。
参考文献：
[1]姚猛.城市轨道交通供电模式及谐波分析[D].郑州大学硕士学位论文，2012
[2] 李维波.MATLAB在电气工程中的应用[M].北京：中国电力出版社，2007