探討城市軌道交通低壓配電系統諧波治理方案

摘要：在電力系統中，當工頻電壓或電流作用于非線性負載時，會產生不同于工頻的非正弦電壓或電流。這些非正弦電壓或電流，用傅里葉級數展開，就是人們所說的電力諧波。電力諧波反饋到電網，導致供電系統電壓、電流波形畸變，使電能質量降低。本文結合城市軌道交通低壓配電系統的特點以及有源濾波技術的發展，分析了無功補償與諧波的關系。從系統設計的角度，提出了軌道交通低壓配電系統諧波治理的措施。

關鍵詞：城市軌道交通;低壓配電系統;諧波治理

近年來，電力電子技術高速發展，并廣泛應用于工業、交通、供電系統等各個領域。計算機、電機設備、變頻空調等電氣設備的廣泛應用，造成了供電系統中的諧波量不斷攀升，諧波污染已經成為威脅電網安全、穩定、經濟運行的主要因素。在諸多公共服務領域，特別是城市軌道交通供電系統中，做好諧波治理是供電系統中一件非常重要的工作。

一、城市軌道交通供電系統中的諧波源及有源濾波裝置特點

1、諧波，我們通常也稱之為高次諧波：主要是指在運行中的電壓、電流發生了波形畸變。在城市軌道交通供電系統運行中，存在大量非線性負荷，因此容易造成諧波污染。一般來說，城市軌道交通供電系統中，除牽引整流機組外，低壓配電系統也存在很多非線性負荷。比較典型的諧波源有：變頻調速裝置如風機、中央空調、水泵用變頻控制器和軟啟動器;LED廣告牌;熒光燈;變電所直流屏、UPS電源屏;弱電系統電源，如信號系統、打印機等現代電子類設備等。

2、有源電力濾波器特點

有源電力濾波器，其應用可克服無源濾波器（LC濾波器）等傳統的諧波抑制和無功補償方法的缺點（傳統的只能固定補償），實現了動態跟蹤補償，而且可以既抑制諧波又補償無功。三相電路瞬時無功功率理論是有源電力濾波器發展的主要基礎理論，且有并聯型和串聯型兩種，前者用的多;并聯有源濾波裝置主要是治理電流諧波，串聯有源濾波裝置主要是治理電壓諧波等引起的問題。有源濾波裝置同無源濾波裝置比較，治理效果好，主要可以同時濾除多次及高次諧波，不會引起諧振。

二、城市軌道交通供電系統的諧波危害

城市軌道交通供電系統的諧波危害，總的可以概括為電力危害和信號干擾兩大方面。具體表現為：

（1）造成變壓器過熱，降低其帶負載能力。運行中的變壓器會因為諧波電流的存在而導致溫度的增加，造成變壓器過熱，并進一步加速變壓器絕緣的老化，損耗的增加，降低變壓器的帶負荷能力。

（2）干擾運行中的繼電保護和自動控制裝置，容易造成誤動或拒動。

（3）對無功補償電容器組引起諧波電流的放大，損壞無功補償裝置的投切開關，使內部電容器過流發熱，嚴重時造成鼓脹甚至爆炸。

（4）對供電線路的影響。諧波的存在會導致供電線路運行損耗的增加，而且過大的諧波電流容易造成運行中的電力電纜產生過負荷或者過電壓，造成電力電纜的擊穿。

（5）造成運行設備的損毀。額外的諧波電流可能導致電網內器件過熱甚至燒毀;導致中性線電流過大引發故障，造成中性線發熱甚至火災;影響電機效率和正常運行，產生震動和噪音，縮短電機壽命。

（6）敏感設備工作異常。諧波會使得精密儀器和敏感設備不能正常工作。比如計量設備，電能計量儀表通常是按工頻正弦波設計的，當有諧波時將會產生測量誤差。又如通信系統中的通信設備，會因為諧波的干擾產生噪聲，造成通話清晰度的降低，甚至會導致信號的丟失，干擾保護與自動化設備的正常工作。

（7）電壓畸變對照明設備等的壽命有一定的影響。

三、城市軌道交通低壓配電系統諧波治理的措施

目前對諧波進行治理主要有以下兩種方式：

1、無源方式為避免單體電容器放大諧波，一般采取的措施是改變與電容串聯的限流電抗器。電抗率按照5 次諧波及以上呈現感性的原則確定。無功補償裝置采用串聯電抗器的無功補償裝置（即電容器串聯電抗器的方式）后，通過參數選取使裝置在諧波頻率下為一低阻抗回路以吸收諧波，在基波頻率下提供容性無功。其工作原理如圖1所示。本方式具有投資少、效率高、結構簡單、運行可靠及維護方便等優點。但由于其濾波特性是由系統和濾波器的阻抗比所決定的，因而無源濾波裝置存在以下缺點：①濾波特性受系統參數的影響較大;②只能消除特定的幾次諧波;③諧波電流增大時，濾波器負擔隨之加重，可能造成裝置過載;④有效材料消耗多，體積大。

2、有源方式由于無源方式具有以上缺點，隨著電力電子技術的不斷發展，人們將濾波研究方向逐步轉向有源電力濾波器。與無源方式相比，有源方式具有高度可控性和快速響應性，不僅能補償各次諧波，還可抑制閃變、補償無功，有一機多能的特點，其具體特點如下：①濾波特性不受系統阻抗的影響，可消除與系統阻抗發生諧振的危險;②具有自適應功能，可自動跟蹤補償變化著的諧波;③通過適當的控制可以有效的抑制系統諧振。有源電力濾波器工作原理如圖2所示，通過檢測被補償對象的電流瞬時值，經指令電流運算電路得出諧波補償電流的指令信號，控制變流器產生所需要的補償電流。補償電流與負載電流中要補償的諧波成份及無功電流相抵消，最終獲得所期望的電源電流。隨著0.4kV有源濾波裝置的批量生產，該產品的價格已大幅降低，可以替代傳統的無功補償裝置。該裝置可跟隨進線側電流變化，輸出反方向電流，既可以起到濾波作用，又可起到無功補償功能，具有響應速度快，濾波頻譜范圍大的特點，滿足地鐵諧波治理需求。

四、結論

本文結合城市軌道交通低壓系統的特點以及有源濾波技術的發展，從系統設計的角度，提出了城市軌道交通低壓配電系統諧波治理的措施，避免無功補償裝置對諧波的放大，同時提高系統濾波的效率。

參考文獻：

[1]李建民，徐堅.基于SVG 的城市軌道交通供電系統功率因數補償研究[J].變壓器，2008，2.

[2]李健民，徐彥.城市軌道交通牽引供電系統整流器機組功率因數分析[J].鄭州鐵路職業技術學院學報，2007，12.

[3]楊興山.分析中壓網絡和牽引機組對功率因數的影響[J].都市快軌交通，2007，6.