提高城市軌道交通電能質量的分析與研究

孫晨光

摘 要：隨著城市人口與汽車保有量的不斷上升，嚴重的道路擁堵和空氣污染令城市居民嚙雪餐氈。城市軌道交通作為服務于城市交通的核心，肩負著緩解城市交通壓力，提升城市品牌形象的艱巨使命。地鐵供電系統為城市軌道交通運營供給所需電能，節能降耗是現在地鐵供電系統運行中必須考慮的關鍵。由于地鐵供電系統中存在大量的感性設備，其產生的無功功率使得電力系統的電能質量下降，能耗降低。本文提出了提高地鐵變電所功率因數的主要方法和途徑，并進行了比較分析，從而得出節能降耗方法。

關鍵詞：城市軌道交通;地鐵;電能質量;無功功率;功率因數;諧波畸變

軌道交通是現代城市最有效的客運方式。地鐵和輕軌交通的運輸工作規模巨大，遠遠超過了其他類型城市客運的價值。上述觀點使我們得出結論，目前地下電力運輸在承載能力方面沒有真正的替代方案，是未來幾十年最有發展前景的[1-2]。

為了既有地鐵線路的節能運行，同時考慮到地鐵發展的前景，有必要保證高質量的用電。而在供電系統中，功率因數（cos）和諧波畸變（THD）是描述用電效率的主要指標[3-4]。在電能質量分析中，平均質量指數和消耗電流的主要諧波成分可以確定地鐵供電系統的發展方向。提高電能質量的主要途徑之一是采用無功補償和諧波畸變補償。

提高供電系統質量是城市電力運輸的重要問題[5-6]。隨著工藝技術的發展，出現了無功補償和非線性高頻諧波畸變校正的新方法。本文對現有提高電能質量的方法進行了比較分析比較，從而確定了最佳方案。

1 提高地鐵電能質量的措施

1.1 同步電機

同步電機是補償無功功率的一種方法。這類機器既可以是耗電設備，也可以是無功能量的來源，這取決于其工作模式。主要的可調參數是轉子中的勵磁電流，在無勵磁情況下，電機為電網的有源感性負載，在過勵磁模式下，負載具有有源電容特性，即產生無功能量。由于長期運行模式下轉子過熱，同步電機只能在短時運行模式下產生最大無功功率。因此，為了保證容性電能的穩定產生，有必要減小有源負載。在這種情況下，發動機不會產生最大無功功率。因此在每種特定情況下，使用同步電機作為無功功率補償應該是經濟合理的。這種補償可以被認為是有功功率產生無功功率的消耗。實踐表明在大功率工業電網中使用這種補償裝置是可取的。

1.2 電容電池

電容電池（BC）也是具有電容負載的網絡的無源無功元件。電容器單元根據網絡要求將一個或多個電容器連接到網絡。電容器裝置由微處理器根據從電流傳感器獲得的信息進行自動控制。該調節器通過連接或移除電容器組來避免欠補償或過補償效應。

電容電池的主要優點是：（1）最小有功功率損耗;（2）結構簡單，安裝方便;（3）在無功用電設備附近安裝BC的可能性，減少了無功回路，減少了加熱導體的損耗;（4）增加裝機功率的可能性;（5）低成本。

電容電池的缺點包括：（1）無功發電與電網電壓直接相關;（2）負調節效應，即當電網電壓下降時，BC降低輸出無功功率，使電壓下降更大;（3）運行速度極低。

1.3 靜態晶閘管補償器

20世紀下半葉電力電子技術的發展使人們有可能從通過接觸器與電網相連的BC向靜態晶閘管補償器（STC）過渡。這類裝置通過一對晶閘管將電容器組連接到網絡上，從而可以逐步調節無功功率。根據從電流和電壓傳感器接收到的信息，微控制器監控網絡總功率的無功分量的變化。如果超過某一水平，則電容器組被連接或斷開。

隨著全控功率開關（如GTO晶閘管和IGBT晶體管）的出現，無功補償技術得到了進一步的發展。新裝置被稱為STATCOM，它允許補償無功功率，提供更大的動態穩定性，調節電壓，甚至可以對抗更高的諧波。

1.4 有源濾波器

有源濾波器（APF）是一種能夠執行多個并行任務的多功能設備。除了補償基波中的無功功率和校正高次諧波外，有源電力濾波器還可以進行相間負荷分配（消除相位不平衡），這可以顯著降低四線制系統中中性線與接地之間的電壓。APF對網絡中從主電源切換到發電機電源時可能發生的大阻抗變化不敏感。數字控制器的使用確保了功率校正系統的可靠性、通用性和準確性。

APF的主要技術優勢：（1）運行速度快，高頻諧波畸變校正達50次諧波;（2）抑制電壓閃變;（3）補償問題的復雜解決方案（無功功率、高次諧波、負序電流、相位不平衡）;（4）抑制高次諧波時的多功能性。

1.5 混合濾波器

H.Akagi首先提出了混合電力濾波器在無功補償領域的概念。他提出將混合動力稱為無源和有源濾波器與單一控制系統的組合。并分配以下類型的混合濾波器：串聯有源濾波器，并聯無源濾波器;并聯網絡，串聯有源和無源濾波器等。

2 比較分析

通過對功率因數校正方法信息的比較分析，可以對某些方法的有效性進行評價。任務的復雜性在于供電系統的效率取決于許多因素，而改善系統工作的手段和方法只影響其中一個因素，而且往往對其余因素產生不利影響。解決這一問題的辦法是綜合、合理和優化地應用提高電網功率因數的方法和手段。

提高供電效率的組織方法，主要是由于其效率和成本效益，在某些情況下會將功率因數提高到3%～5%。此外，直流電用戶的整改方案也應現代化。例如，將6脈沖電路替換為12脈沖電路，可以減少3%～4%的網絡電流諧波分量。無功補償和高次諧波校正的使用取決于特定用戶負載的性質。

3 結論

提高地鐵供電系統功率因數的技術方法明顯超過了簡單方法。最通用的設備和最佳的電源質量是有源濾波器。它能夠補償無功功率，消除高頻諧波畸變。根據能量效率和成本標準，最理想的方案是由有源濾波器和電容電池組成的混合濾波器。在這種情況下，電容電池補償無功功率，有源濾波器校正高頻失真，均衡相位負載，并在峰值模式下工作，可以明顯提升電能質量。

參考文獻：

[1]吳龍恩，林欣燕，劉智勇，陳健.城市軌道交通對我國城市空間的影響研究[J].建設科技，2019（21）：27-30.

[2]王傳福，劉連連.中國城市軌道交通的發展趨勢分析[J].城市軌道交通研究，2019，22（10）：22-24.

[3]劉福寧.地鐵牽引供電系統諧波抑制和無功補償的綜合治理研究[D].青島大學，2018.

[4]黃煥隆.靜止型動態無功補償裝置（SVG）在城市軌道交通供電系統中的應用[J].科技創新與應用，2017（18）：10-11.

[5]廖鈞.城市軌道供電系統無功補償方案研究[D].西南交通大學，2017.

[6]李揚.軌道交通對城市配電網的電能質量影響研究[D].華北電力大學，2014.