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💥第一部分——内容介绍

摘要

直流牵引供电系统中，整流机组是连接城市电网与列车直流母线的核心能量转换环节。24脉波整流技术通过移相变压器与多重化整流桥的协同设计，将网侧电流谐波特征次从12k±1提升至24k±1，同时将直流侧电压脉动频率倍增至工频的24倍，显著改善了电能质量。本文系统梳理了24脉波整流的拓扑原理与移相实现机制，分析了其在网侧谐波抑制和直流侧纹波降低两方面的技术优势，并结合MATLAB/Simulink仿真研究，讨论了该技术在稳态运行和负载扰动工况下的运行特性。研究表明，24脉波整流机组已成为国内新建地铁线路牵引变电所的主流配置，其综合电能质量指标较12脉波方案具有显著提升。

关键词：城市轨道交通；直流牵引供电；24脉波整流；谐波抑制；电压纹波

1 引言

城市轨道交通的牵引供电系统承担着为列车提供安全可靠直流电能的任务。在这一系统中，整流机组将城市电网的中压交流电转换为列车牵引所需的直流电（通常为DC 1500V或DC 750V）。整流环节的电能质量直接关系到列车的运行品质、牵引电机的使用寿命以及城市电网的电能质量。

整流装置在交直流变换过程中不可避免地产生谐波。在早期的城市轨道交通建设中，12脉波整流机组是主流选择。然而，12脉波整流网侧电流中残留的11次、13次谐波幅值较大，对城市电网的污染不容忽视；直流侧电压的12脉动纹波也对牵引电机的平稳运行造成一定影响。随着城市轨道交通网络规模的扩大和供电容量需求的提升，12脉波方案的技术局限日益凸显。

24脉波整流技术正是在这一背景下发展成熟的。其核心思想是通过移相变压器构造多组相位错开的交流电压，驱动多组整流桥在直流侧协同工作，从而在网侧和直流侧同时实现谐波性能的跃升。国内新建地铁线路的牵引变电所已普遍采用24脉波整流机组。本文将从拓扑结构、谐波特性、仿真验证和运行工况等维度，对地铁牵引供电24脉波整流技术进行系统论述。

2 24脉波整流的拓扑结构与移相原理

2.1 从12脉波到24脉波的基本思路

24脉波整流机组在结构上由两套12脉波整流单元组合而成。每套12脉波单元包含一台整流变压器和两组三相全波整流桥，变压器阀侧分别采用星形（Y）和三角形（D）接法，使两组阀侧线电压相位错开30°，经整流后在直流侧并联，形成12脉波输出。

在此基础上，24脉波方案对两台整流变压器的网侧绕组施加相反的移相。一台变压器网侧采用+7.5°移相，另一台采用−7.5°移相。这一设计使得两台变压器阀侧的电压矢量整体错开15°。每台变压器的阀侧星形绕组和三角形绕组之间本已存在30°相位差，经过网侧移相的叠加后，四组阀侧绕组的线电压相位依次相差15°，为四组整流桥提供相位均匀错开的交流电源。

四组整流桥在直流侧并联运行。由于每组整流桥在一个工频周期内输出6个脉动波头，四组桥的脉动波头在时间上均匀错开15°，叠加后在直流侧形成一个周期内24个波头的等效整流效果。

2.2 移相变压器的实现方式

实现±7.5°移相的关键在于整流变压器网侧绕组的特殊接线。工程上普遍采用延边三角形（又称外延三角形）接线方式。以一台变压器为例，网侧绕组由主绕组和移相绕组（延边绕组）组合而成，通过调整移相绕组与主绕组的匝比关系，使网侧电压矢量相对于电网电压偏移预设角度。

具体而言，+7.5°移相变压器采用左延接法，−7.5°移相变压器采用右延接法。延边绕组的引入使变压器网侧绕组的相电压产生相位偏移，而阀侧绕组的星/三角接法则在移相后的电压基础上再提供30°的相位差，最终形成四组互差15°的阀侧电压。

值得指出的是，延边三角形移相的一个附带优势在于：网侧的三次谐波电流可以在延边绕组形成的闭合回路中流通，不会因移相而加剧电压波形畸变。同时，移相所增加的变压器容量相对有限，这使得该接线方式在经济性和技术性上均具有合理性。

2.3 直流侧并联运行方式

四组整流桥的直流输出在负载侧并联汇合。在理想对称工况下，四组桥的输出电压瞬时值相同，并联运行不存在环流问题。但在实际运行中，由于变压器参数微小差异或电网电压不平衡，桥间可能出现环流。工程实践中通常通过合理设计变压器阀侧绕组参数和采用轴向双分裂结构来抑制桥间干扰。

并联运行方式与串联方式各有适用场景。并联方式适用于大电流输出的牵引供电场合，串联方式则在需要更高直流电压时具有优势。地铁牵引供电系统通常采用并联方式，以满足列车牵引所需的大电流需求。

3 谐波特性与运行性能

3.1 网侧电流谐波特征

多重化整流电路的一个基本规律是：随着整流脉波数的增加，网侧电流中特征谐波的次数相应提高，幅值显著下降。12脉波整流的网侧电流仅含有12k±1次谐波（即11、13、23、25次等），而24脉波整流将这一特征次数提升至24k±1次（即23、25、47、49次等）。

这一变化的意义在于：低次谐波（如11、13次）的幅值通常远高于高次谐波，对电网的影响也更为显著。24脉波整流直接“跳过”了这些低次特征谐波，使网侧电流的谐波总畸变率大幅降低。仿真研究表明，在理想工况下，24脉波整流网侧电流的总谐波畸变率可低至1.7%左右，其中幅值较明显的谐波仅为23次和25次。这意味着24脉波整流机组对城市电网的谐波污染极小，通常无需额外装设无源滤波装置即可满足并网要求。

从傅里叶分析的角度看，24脉波整流的网侧电流中，特征谐波次数为24k±1，其余次数的谐波在理想对称条件下被完全抵消。谐波幅值随次数增加而快速衰减，23次和25次谐波的幅值已处于较低水平。

3.2 直流侧电压纹波

直流侧电压的脉动频率与整流脉波数直接相关。12脉波整流的直流电压在一个工频周期内有12个波头，其最低次谐波为12次（600Hz）；24脉波整流的波头数翻倍至24个，最低次谐波提升至24次（1200Hz）。

纹波因数是衡量直流电压脉动程度的关键指标。根据对24脉波整流电路直流侧电压的傅里叶分析，其纹波因数约为0.26%。这意味着直流电压的交流分量极小，输出电压接近理想直流。对于地铁牵引供电而言，较低的电压纹波有利于牵引电机的平稳运行，减少转矩脉动和附加损耗。

需要说明的是，理论纹波因数的计算基于理想条件和空载或纯阻性负载假设。在实际运行中，负载电流的脉动、变压器漏抗引起的换相过程以及电网电压的不平衡都会使实际纹波有所增大。但24脉波方案相对于12脉波方案的改善趋势是确定且显著的。

3.3 对电网电能质量的影响

24脉波整流技术的核心价值在于从源头上抑制了整流装置对电网的谐波注入。与12脉波方案相比，24脉波整流使网侧电流中原本幅值最大的11次和13次谐波被消除，从根本上改变了谐波频谱的分布。

这一特性对于城市轨道交通供电系统尤为重要。地铁牵引变电所通常接入城市中压电网（如10kV或35kV），其谐波水平直接影响着同一电网中其他用户的电能质量。24脉波整流机组的广泛应用，使得地铁牵引负荷对城市电网的谐波污染控制在较低水平，减少了滤波装置的投资和维护成本。

4 仿真研究与运行特性验证

4.1 MATLAB/Simulink仿真模型

MATLAB/Simulink中的Simscape Electrical工具箱为24脉波整流机组的仿真提供了完整的建模环境。典型的仿真模型包含以下核心模块：三相交流电源、移相变压器模型、四组六脉冲二极管整流桥、直流侧滤波回路以及负载模型。

移相变压器的建模需要准确反映网侧延边三角形接线的移相效果，以及阀侧星/三角绕组的电压变换关系。四组整流桥在直流侧以并联方式连接，其输出端可接入LC滤波回路以进一步平滑直流电压。

仿真参数设置需与工程实际相匹配。以DC 1500V地铁牵引供电系统为例，交流侧通常为33kV或10kV，变压器容量根据牵引负荷需求确定，直流侧滤波电抗器和支撑电容器参数需兼顾滤波效果和动态响应速度。

4.2 稳态运行特性

稳态仿真结果直观地验证了24脉波整流的技术优势。直流侧电压波形在一个工频周期内呈现24个均匀的波头，脉动幅度极小，波形接近平直。对直流电压进行频谱分析可以发现，最低次谐波出现在24次（1200Hz），且幅值远低于12脉波方案中的12次谐波。

网侧电流波形同样表现出优良的特性。电流波形接近正弦，谐波频谱中23次和25次谐波为主要残留分量，其幅值显著低于12脉波方案中的11次和13次谐波。网侧电流的总谐波畸变率在理想仿真条件下可控制在2%以内。

4.3 负载扰动工况下的表现

实际运行中，列车牵引负荷具有显著的波动性和冲击性。列车起动时牵引电流快速上升，再生制动时电流方向反转，这些工况对整流机组的动态响应提出了要求。

仿真研究表明，在负载突变工况下，24脉波整流系统的网侧电流谐波含量会有所增加，谐波频谱中除特征谐波外还会出现其他次数的谐波分量。再生制动工况下的谐波含量通常高于牵引工况，且以低次谐波为主。直流侧电压在负载突变时会出现短时波动，但得益于24脉波整流固有的低纹波特性以及直流侧滤波回路的作用，电压波动幅度和恢复时间均在可接受范围内。

直流侧滤波回路（线路电抗器与支撑电容器构成的LC回路）在抑制负载突变引起的电压波动方面发挥着重要作用。滤波参数的合理设计需要在滤波效果、动态响应速度和设备成本之间取得平衡。

5 结语

24脉波整流技术在城市轨道交通直流牵引供电中的应用，是多重化整流理论在工程实践中的成功范例。通过两台移相变压器构造四组相位互差15°的阀侧电压，驱动四组整流桥在直流侧协同工作，该技术实现了网侧谐波特征次数的倍增和直流侧纹波因数的显著降低。

从谐波抑制角度看，24脉波整流将网侧电流的特征谐波从12k±1提升至24k±1，消除了对电网影响最大的11次和13次谐波，网侧电流总谐波畸变率通常可控制在较低水平。从直流输出品质看，24脉波整流将直流电压脉动频率提升至1200Hz以上，纹波因数降至0.26%左右，为牵引电机提供了接近理想的直流电源。

仿真研究与工程实践均验证了上述技术特性。24脉波整流机组已成为国内新建地铁线路牵引变电所的主流配置，其技术成熟度和运行可靠性得到了充分检验。随着城市轨道交通网络的持续扩展，24脉波整流技术将在保障列车牵引供电品质和电网电能质量方面继续发挥关键作用。

📚第二部分——运行结果

城市轨道交通直流牵引供电系统-地铁牵引供电24脉波整流MATLAB仿真

🎉第三部分——参考文献

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