陳　隆，周士瓊，夏焰坤

(1.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都　610031；2.西華大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都　610039)

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一種基于晶閘管整流器的直流牽引供電系統(tǒng)

陳隆1，周士瓊1，夏焰坤2

(1.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都610031；2.西華大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都610039)

直流母線短路故障時，直流側(cè)進線短路電流劇增，加大了直流側(cè)進線斷路器的開斷難度，再由于中國城市軌道交通的故障率上升，導(dǎo)致直流側(cè)進線斷路器易損壞、壽命低。鑒于這個問題，提出一種基于晶閘管整流器的直流牽引供電系統(tǒng)，以晶閘管整流器完成整流和分合電路的功能，可省卻直流側(cè)進線斷路器以及縮短故障切除時間，同時分析了其整流質(zhì)量、諧波問題、進線短路電流和市場經(jīng)濟性問題。最后在Matlab/Simulink搭建仿真模型驗證了該方案的可行性，為提高直流牽引供電系統(tǒng)的整體性能提供參考。

直流牽引供電系統(tǒng)；晶閘管整流器；直流側(cè)進線短路電流；仿真模型

0　引　言

與交流斷路器相比，直流斷路器在切斷故障時，由于沒有電流過零點，因此，熄滅電弧、耗散電弧能量以及抑制開斷過電壓等成為需要解決的難題。而這些問題也成為了直流斷路器制造難度大、造價高、可靠性低的原因[1]。文獻表明，中國城市軌道交通領(lǐng)域使用的直流斷路器依然依賴進口，由于需要開斷短路大電流電路，中國城市軌道交通領(lǐng)域使用的直流斷路器易損壞、壽命低，這也大大增加了運營和維護的費用[2-3]。新型地鐵直流斷路器在中國多次被提出，以電流轉(zhuǎn)移法強迫電流過零使直流斷路器開斷的方法較為普遍，但此方法始終沒有解決斷路器由于頻繁分合故障電路而導(dǎo)致易損壞、壽命短的問題[4-8]?？紤]到直流母線短路故障時，直流側(cè)進線短路電流劇增，加大了直流側(cè)進線斷路器的開斷難度，以及中國城市軌道交通的故障率上升，提出了一種基于晶閘管整流器的直流牽引供電系統(tǒng)，把交流進線斷路器的分合電路功能與二極管整流器的整流功能等效改進成晶閘管整流器的功能，以克服機械開關(guān)的機械和電氣壽命短的問題，可省卻直流側(cè)進線斷路器并快速切除直流母線短路故障，從而進一步提高牽引供電系統(tǒng)的整體性能。

1　一種基于晶閘管整流器的直流牽引供電系統(tǒng)

1.1直流牽引供電系統(tǒng)的介紹

如今城市軌道交通一般都采用24脈波整流，其供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，2臺變壓器原邊采用d接法，次邊采用y接法和d接法，保證閾值線電壓形成30°相差；變壓器網(wǎng)側(cè)采用三角形延邊接法，分別移相±7.5°，保證其閾值線電壓相差15°[11]，4臺三相全波整流機組分別整流后在直流側(cè)進行并聯(lián)運行，構(gòu)成24脈波整流機組。其閾值電壓向量圖如圖2所示。

圖1　直流牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2　閾值電壓向量圖

即有直流牽引供電系統(tǒng)系統(tǒng)正常運行時，牽引變電所由電力系統(tǒng)35 kV側(cè)取電流，經(jīng)降壓變壓器降壓、二極管整流器整流，最后獲得接觸網(wǎng)1 500 V的工作電壓。當直流側(cè)發(fā)生故障時，系統(tǒng)通過直流側(cè)的直流斷路器開斷電路，當故障切除時，斷路器合閘，系統(tǒng)繼續(xù)運行。

1.2方案提出

由于城市軌道交通故障頻繁，二極管整流器直流側(cè)的直流斷路器頻繁分合故障電路；特別是直流母線發(fā)生短路故障時，直流進線短路電流劇增，增大了直流進線斷路器的開斷難度，導(dǎo)致故障切除時間長且直流進線斷路器易損壞、壽命低；加之直流斷路器開斷電路時，沒有電流過零點，熄弧成本高，偶爾會出現(xiàn)誤開斷。基于此類問題，提出了一種基于晶閘管整流器的直流牽引供電系統(tǒng)?；诰чl管整流器的直流牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。系統(tǒng)正常運行時，晶閘管整流器跟二極管整流器相同，完成整流功能，獲得接觸網(wǎng)1 500 V的工作電壓。當系統(tǒng)發(fā)生母線短路故障時，關(guān)斷信號經(jīng)觸發(fā)電路輸送至脈沖發(fā)生器；此時脈沖發(fā)生器停止產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，晶閘管封鎖，交流側(cè)線電壓過零，晶閘管承受反壓、電流下降至維持電流后晶閘管關(guān)斷，晶閘管整流器停止工作；且兩饋線斷路器開斷，待故障切除后，觸發(fā)信號輸送到晶閘管門極，晶閘管承受正向陽極電壓時晶閘管導(dǎo)通，晶閘管整流器恢復(fù)正常工作。

圖3　基于晶閘管整流器的直流牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3所示的晶閘管整流器相當于二極管整流器和交流電子開關(guān)，其可以完成整流和分合電路的功能。與城市軌道交通使用的直流進線斷路器相比，晶閘管整流器是一種無觸點開關(guān)，可快速開斷大電流電路，解決了直流斷路器開斷時產(chǎn)生電弧的問題，理論上開關(guān)損耗為零，其壽命長且與關(guān)斷、導(dǎo)通的次數(shù)無關(guān)，同時可避免使用斷路器開斷直流進線大短路電流并縮短了故障切除的時間。

2　方案可行性分析

該方案中的晶閘管整流器可完成整流與分合電路的功能。整流則需考慮整流質(zhì)量與其對電網(wǎng)的影響，直流側(cè)電壓質(zhì)量和諧波是其考慮的指標。系統(tǒng)發(fā)生故障時，開斷電路必須考慮其故障電流，特別是直流進線短路電流?；诖藢ζ渲绷髂妇€進線短路電流以及電網(wǎng)側(cè)與直流側(cè)的諧波進行分析，此外，還對其市場經(jīng)濟性進行分析。

2.1直流側(cè)進線短路電流分析

系統(tǒng)直流母線發(fā)生短路故障時，其危害最大。假設(shè)直流母線發(fā)生短路故障，關(guān)斷信號送至晶閘管脈沖發(fā)生器的時間一般為十幾毫秒，晶閘管未能及時關(guān)斷，此時短路電路圖如圖4所示。

系統(tǒng)的電路方程為

(1)

式中:R、L為換算至直流側(cè)的電阻和電感；I為直流進線短路電流；E為系統(tǒng)直流側(cè)電源1 500 V。若發(fā)生短路故障時直流母線進線電流為0 A，則直流進線短路電流為

(2)

代入?yún)?shù)計算可知，進線短路電流會在極短的時間內(nèi)上升到極大的值，這對直流牽引供電系統(tǒng)和配電設(shè)備危害極大。

圖4　短路電路圖

當關(guān)斷信號送至晶閘管脈沖發(fā)生器時，由于流過晶閘管的電流并未小于晶閘管的維持電流，晶閘管并未立即關(guān)斷，電感通過晶閘管放電，其放電電路圖如圖5所示。

圖5　放電電路圖

此時系統(tǒng)的電路方程為

(3)

假設(shè)晶閘管接收到關(guān)斷信號的時間為t1，電感電流初值為

此時直流側(cè)進線電流為

(4)

將參數(shù)代入式(4)，經(jīng)過幾毫秒，直流側(cè)進線電流將會下降至晶閘管的維持電流，晶閘管關(guān)斷，此時直流側(cè)進線電路得以切除。如果進線短路電流無法在2/3周期內(nèi)下降至0 A，則直流側(cè)進線電流無法降至晶閘管維持電流，此時，晶閘管承受正壓，繼續(xù)導(dǎo)通，直流側(cè)進線電流以式(2)的方式回升，經(jīng)過半個周期，直流側(cè)進線電流以式(2)的方式開始跌落。具體分析方式如下：假設(shè)晶閘管再次導(dǎo)通的時間為t2，電路方程如式(3)，此時電感的初始電流為

則直流側(cè)進線電流為

(5)

經(jīng)過半個周期后，直流側(cè)進線電流開始下跌，電路方程如式(4)，此時電感的初始電流為

則直流側(cè)進線電流為

(6)

由式(2)、(4)、(5)、(6)可以看出，在系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，如果晶閘管封鎖不及時，直流側(cè)進線短路電流降為0 A的時間將延遲，導(dǎo)致開斷直流進線電路的時間延長，將數(shù)據(jù)代入式(2)、(4)、(5)、(6)計算，此時間約為30 ms，與直流斷路器的分閘時間持平。在系統(tǒng)R/L合理的情況下，如無特殊情況，不會出現(xiàn)短路電流振蕩的情況。待故障修復(fù)后，晶閘管整流器再次工作，保障了系統(tǒng)的安全運行。從系統(tǒng)發(fā)生故障到晶閘管開斷進線短路電路共花時間十余毫秒，比直流斷路器關(guān)斷速度快，且晶閘管為交流開關(guān)，不存在電流不能過零的問題，從這兩方面考慮，所提出的方案可行。

2.2諧波分析

所提出的基于晶閘管整流器的直流牽引供電系統(tǒng)只用到了晶閘管整流器的封鎖功能，其余的性能跟二極管整流器無異，因此其諧波分析與二極管整流器相同。n脈波整流會在直流側(cè)產(chǎn)生k×n次諧波，而在電網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生k×n±1次諧波，在地鐵普遍使用24脈波整流中，假設(shè)輸出負載為阻性，其直流側(cè)電流的傅里葉級數(shù)為

(7)

式中:n=24×k(k=1,2,3……);Idm為整流器交流側(cè)線電壓峰值,V;當k取奇數(shù)時，式(7)取正號，反之，式(7)取負號。由式(7)可以算出直流側(cè)電流的諧波THD=0.26%。

電網(wǎng)側(cè)電流的傅里葉級數(shù)為

(8)

由式(8)可以看出，注入電網(wǎng)的諧波主要有k×24±1次。代入?yún)?shù)計算，電網(wǎng)側(cè)諧波電流THD約為4.3%，超出了國家的諧波標準3%，需要治理。而在現(xiàn)階段，諧波治理技術(shù)在地鐵上已經(jīng)相當成熟，可以極大程度地削減諧波分量。

晶閘管整流器采用移相控制，因此，晶閘管整流器較二極管整流器的穩(wěn)流精度高，與此同時，晶閘管整流器注入電網(wǎng)的諧波電流較大，需要諧波治理裝置，而所提出的方案只需采用晶閘管整流器中晶閘管的封鎖功能，即收到關(guān)斷信號時停止晶閘管的脈沖觸發(fā)，整流質(zhì)量及諧波情況與二極管整流器無差別，因此，考慮整流質(zhì)量及諧波問題，所提出的方案可行。

2.3市場經(jīng)濟性分析

以ABB元器件為例，單臺整流機組采用晶閘管比二極管造價增加60～70萬元，但采用二極管整流器必須配飽和電抗器，飽和電抗器的參考報價為150萬元/臺，加之考慮斷路器高昂報價以及其易損壞和壽命低的特點，顯然所提出的方案較經(jīng)濟。此外，晶閘管整流技術(shù)在國內(nèi)已較為成熟，其可在大電壓、大電流中工作，因此，考慮市場經(jīng)濟性，所提出的方案可行。

3　仿真驗證

在Matlab/Simulink搭建按如圖1和圖3的系統(tǒng)模型，圖1的系統(tǒng)采用的是24二極管24脈波整流器，原理如章節(jié)1.1介紹，圖3的系統(tǒng)采用的是24脈波晶閘管整流器，由兩組12脈波的晶閘管整流器并聯(lián)[9-10]，仿真時間為0.2 s，0.1 s時系統(tǒng)直流母線發(fā)生短路故障，如果直流進線斷路器不動作，則直流母線電壓和進線電流波形圖如圖6所示。

圖6　直流斷路器不動作時直流母線電壓和進線電流波形圖

由圖6可以看出，直流母線進線電流在短時間內(nèi)迅速增大到7 0 000 A，而直流母線電壓在直流母線發(fā)生短路后隨電流變化而變化，由于短路的過渡電阻為0.000 1 Ω，因此電壓變化幅度是電流的0.000 1倍。

如果直流進線斷路器為理想開關(guān)，在30 ms后完成開斷，則直流母線電壓和進線電流如圖7所示。

圖7　30 ms直流進線斷路器斷開時直流母線電壓和進線電流波形圖

由圖7可以看出，經(jīng)過一個周期后，短路電流已經(jīng)上升至70 000 A，這對直流牽引供電系統(tǒng)的危害極大，同時也加大了直流進線斷路器開斷的難度。

由于晶閘管的動作時間極快，為微秒級別，因此忽略其動作時間。當晶閘管整流器在0.11 s接收封鎖信號時，直流母線進線電流波形如圖8所示。

圖8　0.11 s接收封鎖信號時直流母線進線電流波形圖

由圖8可以看出，直流側(cè)電流波形在0.1 s時有明顯的上升趨勢，其增長趨勢與式(2)描述的趨勢相同。在0.11 s時，電流開始下降，在0.12 s時，電流下降為0 A，與式(4)描述的趨勢相同；從晶閘管接收封鎖信號至直流側(cè)電流下降為0 A，總耗時10 ms。

當晶閘管整流器在0.12 s接收封鎖信號時，直流母線進線電流波形如圖9所示。

由圖9可以看出，晶閘管整流器在0.12 s接收封鎖信號時，直流母線進線電流曲線的趨勢與晶閘管整流器在0.11 s接收封鎖信號時相似，但由于延遲了10 ms，導(dǎo)致直流母線進線短路電流上升了10 000 A。從晶閘管封鎖至直流側(cè)電流下降為0 A，總耗時為10 ms。

圖9　0.12 s接收封鎖信號時直流母線進線電流波形圖

當晶閘管整流器在0.13 s接收封鎖信號時，直流母線進線電流如圖10所示。

圖10　0.13 s接收封鎖信號時直流母線進線電流波形圖

由圖10可以看出，晶閘管在0.13 s接收封鎖信號時，直流母線進線電流上升到了穩(wěn)態(tài)值70 000 A，在0.13 s時，電流開始下降直至0.14 s變?yōu)? A，從晶閘管接收封鎖信號至直流側(cè)電流下降為0 A，總耗時為10 ms。

由上述分析可知，由晶閘管整流器接收封鎖信號至短路電流下降為0 A只需10 ms，而直流斷路器的分閘時間為25～30 ms[1]，即有線所使用的直流斷路器斷開故障電路的時間為50 ms左右[12]，該方案大大縮短了開斷母線短路故障的時間，同時，也可以省卻直流進線斷路器，因此，該方案可使用于城市軌道交通領(lǐng)域。

當系統(tǒng)沒有發(fā)生故障時，晶閘管整流器與二極管整流器相似，完成整流功能，圖11為晶閘管整流器和二極管整流器35 kV側(cè)電流波形圖、直流側(cè)電壓波形圖。表1為晶閘管整流器和二極管整流器35 kV側(cè)、直流側(cè)諧波含量表。

35kV側(cè)諧波THD/%直流側(cè)諧波THD/%直流側(cè)電壓分量/V二極管整流器3.850.491577晶閘管整流器3.860.501576

由圖11和表1可以看出，晶閘管整流與二極管整流的整流質(zhì)量與諧波相同。根據(jù)式(6)計算，直流側(cè)電壓的直流分量為1 580 A，由表1可以得出其整流誤差為1.33%。晶閘管的整流效果較好。晶閘管整流器注入35 kV側(cè)的諧波過大，超過了國家的諧波標準3%，需要安裝諧波治理裝置。仿真驗證與理論相符。通過仿真驗證，該方案可以較好地完成整流以及快速開斷故障電路的功能。

4　結(jié)　語

所提出的一種基于晶閘管整流器的直流牽引供電系統(tǒng)，以晶閘管整流器完成整流和分合電路的功能，可省卻直流進線斷路器以及縮短故障切除時間。與城市軌道交通即有線使用的直流斷路器相比，晶閘管整流器壽命更長，更加經(jīng)濟，開斷故障電路的時

間更短。經(jīng)仿真驗證，晶閘管整流器大大縮短了開斷進線短路電路的時間，且較好地完成了整流的功能；但35 kV側(cè)電流諧波偏大，需要安裝諧波治理裝置，而諧波治理技術(shù)在中國城市軌道交通領(lǐng)域的使用中已經(jīng)相當成熟：因此，所提出的基于晶閘管整流器的直流牽引供電系統(tǒng)可為新建城軌線路提供參考。

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陳隆(1991)，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)分析；

周士瓊(1992)，碩士研究生，研究方向為電力電子控制；

夏焰坤(1986)，博士、講師，研究方向為電力系統(tǒng)控制。

The short-circuit current of DC side line surges when DC bus has short-circuit fault, which increases the difficulty of breaking DC side line breakers. And because the fault rate of urban rail transit in China increases, the breakers of DC side line are easily damaged and have a short life. A DC traction power supply system based on thyristor rectifier is put forward according to the above-mentioned problems. The thyristor rectifier is used to complete the functions of rectification and switching the circuit. And the circuit-breakers of DC side line and the time to remove the faults can be saved. Then its quality of rectification, harmonic problems, line short-circuit current and the economic issues are analyzed. Finally, the simulation model is established in Matlab/Simulink to verify the feasibility of the proposed scheme, which can provide a reference for improving the overall performance of DC traction power supply system.

DC traction power supply system; thyristor rectifier; short-circuit current of DC side line; simulation model

TM721.1

A

1003-6954(2016)02-0054-05

2016-01-10)