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摘要：本文基于感应滤波技术构建了新型地铁牵引供电系统，并对系统的结构和抑波原理进行了介绍，然后，通过仿真分析对系统进行了研究，分析证明系统具有良好的无功补偿效果和谐波抑制效果，具有比较广阔的应用前景。
关键词：地铁牵引供电；配电网；谐波；感应过滤波技术
1地铁牵引供电系统
我国地铁供电系统的供电制式主要采用集中式供电，其各个部分的组成关系如图1所示。发电厂通常设在距离电力用户很远的地方，能够产生电能。针对城市轨道交通系统来说，通常将主变电所以上的部分称为外部公用电网，主变电所及以下的部分称作内部牵引供电系统，而内部系统与外部电网的接口设在主变电所处。牵引供电系统是内部系统重要组成部分，其主要作用是为地铁机车提供电能，主要由牵引变电所、馈电线、接触网、回流线和走行轨道构成；而降压变电所则是为各车站、隧道、车辆段等的动力照明负荷提供电能。
2谐波对配电网的危害
谐波给配电网造成的损害不容小觑，比如谐波电流在配电网的电路上会产生有功功率损耗，这在线路损耗上占了一定比重，而且因为谐波电流的频率是基波频率的整数倍，当高频电流流过导体时，会引起导线的集肤效应使得谐波电阻大于基波电阻，从而增加了附加线路的损耗，带来了大量的能量损失。不仅如此，谐波也会使得配电网的架空线路产生电晕损耗，因为谐波会使电压峰值超过允许值继而产生电晕，给架空线路造成威胁。
此外电缆输电系统也会因为谐波大大的缩减了使用寿命，因为谐波会使电压波形出现尖峰，从而加快电缆的老化速度。而且谐波对电缆的危害程度会随着电缆额定电压的增高而愈发恶劣。与此同时，电缆的分布电容也会加重谐波对配电网的危害程度，因为分布电容会对谐波电流产生放大作用。
谐波带来的危害还有很多，诸如增大测量仪表的测量误差；增大旋转电机、变压器的附加损耗；对通信设备产生大量的干扰；影响继电保护等自动控制设备的可靠运行等，以及谐波给配电网造成的污染会大大降低供电质量，影响其它用电设备的正常运行。
3新型整流变压器的结构系统
3.1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。
3.2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。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。
4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。
4.1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。
4.2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。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%。
5两者仿真结果比较
图2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2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2是新型整流变压器网侧、阀侧的仿真电流波形图。由图3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。
通过对比图2b、图3b，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2a、图3a，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。
结束语
在地铁供电系统运行过程中普遍存在电能损耗大、功率因素偏低、谐波污染等问题，而感应滤波技术的应用，可以有效解决上述问题。通过在供电系统中应用感应滤波技术，可以使阀侧谐波无法流入到高压网侧，有良好的无功补偿效果和谐波抑制效果。
参考文献
[1]黄开,张栋梁,刘娟,谢业华.地铁牵引供电系统中有源滤波器谐波控制研究[J].电测与仪表,2016,5324:87-93.
[2]马俊杰,吴畏.地铁供电系统无功补偿设计及应用[J].低碳世界,2016,10:17-18.
[3]陈程,彭华厦,曾进辉.感应滤波技术在地铁牵引供电系统中的应用[J].新型工业化,2016,607:9-16.
[4]龚代海.浅析地铁牵引供电系统对配电网的谐波影响[J].科技创新与应用,2016,30:192.