應用于軌道交通的濾波及無功補償技術研究

詹占嵐

(廣州地鐵設計研究院有限公司，廣州 510010)

1 城市軌道交通配電系統電能質量現狀

衡量電能質量的主要指標有頻率、電壓和波形。從普遍意義上講是指優質供電，包括電壓質量、電流質量等［1］。具體可以定義為導致用電設備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率的偏差，包括頻率偏差、電壓偏差、電壓波動與閃變、三相不平衡、諧波等。軌道交通系統用電量需求大，目前國內軌道交通的電源均引自城市電網，不論軌道交通采用何種外電源供電方式，都與城市電網存在接口。因此軌道交通內部電能質量的好壞也直接影響到城市電網電能質量。影響城市軌道交通配電系統電能質量的因素如下。

1.1 低壓諧波

為軌道交通列車提供牽引電能的直流牽引機組是軌道交通系統中最大的諧波源。近年來，隨著國家節能減排政策的深入實踐，越來越多的非線性設備應用于軌道交通的用電系統中，如變頻風機、變頻空調、變頻扶梯、整流器、逆變器、氣體放電光源等，這些都是諧波源［3］。

諧波使電網中的用電設備產生諧波損耗，降低用電設備的效率。還能使電動機過度發熱而導致壽命縮短;能使電容器、電纜等過熱、絕緣老化而損壞;此外諧波還能引起電網中的諧振而使諧波放大導致諧波的危害放大;還會導致保護和自動裝置的誤動作等［4］。

1.2 無功補償

無功功率在供電網絡的傳輸中不僅要產生有功功率損耗，而且還會產生電壓損失，影響電能質量。為提高網絡傳輸能力，降低網絡損耗，無功電力宜采用就地平衡的原則［5］，即根據用電負荷的實際需要，采取分散、集中無功補償。從而保證電源側電費計量處的平均功率因數在一個合理的范圍內，避免欠補或過補情況的發生。

影響城市軌道交通配電系統功率因數的因素有以下方面。

(1)牽引負荷

軌道交通的牽引負荷約占所有負荷的30%～40%，因此牽引負荷的功率因數對整個軌道交通電網功率因數影響較大。目前軌道交通系統牽引整流機組均采用24脈波整流方式［2］，正常工作時其功率因數可達0.95，但牽引機組的工作具備潮夕特性，正常運營時間內，總功率因數較高，一旦進入非運營時間，整流機組停止工作，整個電網功率因數則會下降很多。

(2)變壓器和電纜

城市軌道交通車站0.4 kV變電所及牽引變電所中的變壓器消耗感性無功，35 kV中壓環網電纜和各回路的低壓電纜都能提供一定的容性無功。由于城市軌道交通線路的車站數量眾多，變壓器數量亦相當大，另外35 kV中壓供電網絡采用環網供電，采用大量的電纜。

(3)動力及照明負荷

城市軌道交通動力及照明負荷種類多，如通風空調系統、通信信號等弱電系統、給排水、電扶梯、照明等，每個用電系統功率因數均不同，一般為0.5～0.8。其本身功率因數的高低將直接關系到城市軌道交通整個供電系統平均功率因數的高低。

2 濾波及無功補償方式選擇

隨著大量電力電子裝置在電網的投入運行，諧波已被公認為電力系統的“污染”和“公害”，諧波問題以及諧波的治理問題隨著電力系統的發展愈來愈引起廣泛的關注［7］。目前諧波治理的方法主要有無源濾波技術和有源濾波技術兩種。

無源濾波裝置是按照希望抑制的諧波次數專門量身制造的，采用電感、電容的調諧原理，將諧波陷落在濾波器中，以減少對電網的損害。無源濾波裝置結構簡單，成本較低，但是存在著難以克服的缺陷。

濾波特性受系統參數的影響較大，極易與系統或者其他濾波支路發生串并聯諧振［8］。

只能消除特定的幾次諧波，而對其他的某次諧波則會產生放大作用。

濾波、無功補償、調壓等要求之間有時難以協調。

諧波電流增大時，濾波器負擔隨之加重，可能造成濾波器過載，甚至損壞設備。

有效材料消耗多，體積大。

有源濾波技術作為一種新型的諧波治理技術，是消除諧波污染、提高電能質量的有效工具［9］，與無源濾波技術相比，有著無可比擬的優勢，主要表現在:

實現了動態補償，可對頻率和大小均在變化的無功功率進行補償，對補償對象的變化有極快的響應速度。

有源濾波裝置是一個高阻抗電流源，它的接入對系統阻抗不會產生影響。

當電網結構發生變化時裝置受電網阻抗的影響不大，不存在與電網阻抗發生諧振的危險，同時能抑制串并聯諧振。

補償無功功率時不需要儲能元件，補償諧波時所需要的儲能元件不大。

用同一臺裝置可同時補償多次諧波電流和非整數倍次的諧波電流，既可以對一個諧波和無功源進行單獨補償，也可對多個諧波和無功源進行集中補償。

當線路中的諧波電流突然增大時有源濾波器不會發生過載，并且能正常發揮作用，不需要與系統斷開。

裝置可以僅輸出所需要補償的高次諧波電流，不輸出基波無功功率，不但減小了有源濾波器的總容量，還可以避免輕負荷時發生無功倒送現象。

而無功補償的意義主要體現在以下4個方面［10］:降低供配電系統的損耗;提高供配電系統的利用率(增容);可以通過對功率因數的調整實現對供配電系統網絡電壓幅值的控制，從而穩定供配電系統的網絡電壓，可以降低諧波電流對供電系統的破壞作用。

無功補償技術經歷了三代:第一代為機械式投切的無源補償裝置，屬于慢速無功補償裝置，在電力系統中應用較早;第二代為晶閘管投切的靜止無功補償裝置(SVC)，屬無源、快速動態無功補償裝置;第三代為基于電壓源換流器的靜止同步補償器，亦稱SVG，屬有源、快速的動態無功補償裝置。

SVC采用的電力電子器件是可控硅，系統的響應時間較SVG長，響應速度慢且投入過程中會產生大量諧波。而SVG采用的電力電子器件是IGBT，響應時間迅速且投入過程中不會產生諧波，是以后無功補償裝置的發展方向。

3 有源濾波及動態無功補償裝置對電能質量改善及節能分析

電能質量分析選取廣州地鐵公園前站某降壓變電所Ⅱ段母線，測試儀器為日本HIOKI公司的3196電力質量分析儀。通過該儀器分析得出諧波電壓及諧波電流數據如表1、表2所示，功率統計見表3。

表2 諧波電流統計 A

表3 功率統計

通過對廣州地鐵公園前B所低壓Ⅱ段母線的測試分析，發現如下電能質量問題。

0.4 kV供配電系統各項電能質量指標基本合格。但諧波電壓總畸變率最大值超出國家標準，主導諧波電流為 3、5、7、11、13、17 次，其中 11、13、23、25 次主要由上級系統造成。

0.4 kV負荷基本穩定，但平均功率因數偏低，不符合無功經濟運行要求。

平均負載率偏低，隨著列車運行密度的不斷增加，電能質量狀況會更加惡化。

針對廣州地鐵公園前站B所Ⅱ段母線的電能質量情況，在該變電所Ⅱ段母線上安裝國內某廠家生產的動態濾波補償系統，投入該裝置后測得數據見表4～表6。

表4 諧波電壓(相電壓)統計 %

通過對設備投入使用后的測試情況分析得出，在廣州地鐵公園前站B所Ⅱ段母線上投入動態濾波補償系統后，該段母線上的3、5、7次諧波電壓有明顯的改善，3、5、7次諧波電流也有明顯的削弱，同時對高次諧波如13、17次等也有一定程度削弱。

從電量統計報表來看，在負荷基本穩定的情況下，投入該設備后能使系統的無功電量明顯降低，具有一定的節能效果。

表5 諧波電流統計 A

表6 6 d電量統計

4 結論

在城市軌道交通配電系統中使用有源濾波及動態無功補償裝置能夠有效解決配電系統內的諧波影響、降低系統損耗，降低運營成本，使地鐵配電系統安全、高效運行。同時還能避免設備因為諧波的危害，延長其使用壽命，減少維護成本［6］。

電能質量治理不僅對已運行的城市軌道交通線路具有重要意義，在新建設計過程中便加入電能治理的設計理念，還可以優化系統配置容量，節省初期建設投資。

［1］楊興山，張俊明.城市軌道交通低壓系統電能質量技術現狀分析［Z］.低壓行業商鑒，2010～2011:190-191，196.

［2］穆志光，李漢卿.軌道交通供電系統無功補償的研究［J］.電氣化鐵道，2006(4):30-31.

［3］唐立春.動態無功補償技術探討［J］.農村電氣化，2007(4):44-45.

［4］陸然.城市軌道交通變電站中的無功補償分析［J］.天津電力技術，2011(2):12，33-34.

［5］陳宇飛.靜止無功補償裝置動態無功補償技術探討［J］.供用電，2007(3):63-65.

［6］廣州地鐵設計研究院有限公司.廣州地鐵電能質量治理研究成果報告［R］.廣州:廣州地鐵設計研究院有限公司，2009.

［7］張坤.有源濾波器在諧波抑制中的應用［J］.科技廣場，2008(7):225-227.

［8］顧競梅.有源電力濾波器在諧波治理中的應用［J］.電工技術，2008(3):43-46.

［9］李戰鷹，任震，楊澤明.有源濾波裝置及其應用研究綜述［J］.電網技術，2004(22):44-47.

［10］荊鍇.電力系統諧波檢測與治理問題研究［D］.濟南:山東大學，2009.