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(tǒng)電能質量現(xiàn)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(yōu)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(tǒng)用電量需求大，目前國內軌道交通的電源均引自城市電網(wǎng)，不論軌道交通采用何種外電源供電方式，都與城市電網(wǎng)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(wǎng)電能質量。影響城市軌道交通配電系統(tǒng)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(tǒng)中最大的諧波源。近年來，隨著國家節(jié)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(tǒng)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(wǎng)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(fā)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡傳輸能力，降低網(wǎng)絡損耗，無功電力宜采用就地平衡的原則［5］，即根據(jù)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(shù)在一個合理的范圍內，避免欠補或過補情況的發(fā)生。

影響城市軌道交通配電系統(tǒng)功率因數(shù)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(shù)對整個軌道交通電網(wǎng)功率因數(shù)影響較大。目前軌道交通系統(tǒng)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(shù)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(shù)較高，一旦進入非運營時間，整流機組停止工作，整個電網(wǎng)功率因數(shù)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(huán)網(wǎng)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(shù)量眾多，變壓器數(shù)量亦相當大，另外35 kV中壓供電網(wǎng)絡采用環(huán)網(wǎng)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(tǒng)、通信信號等弱電系統(tǒng)、給排水、電扶梯、照明等，每個用電系統(tǒng)功率因數(shù)均不同，一般為0.5～0.8。其本身功率因數(shù)的高低將直接關系到城市軌道交通整個供電系統(tǒng)平均功率因數(shù)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(wǎng)的投入運行，諧波已被公認為電力系統(tǒng)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(tǒng)的發(fā)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(shù)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(wǎng)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(tǒng)參數(shù)的影響較大，極易與系統(tǒng)或者其他濾波支路發(fā)生串并聯(lián)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(xié)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(yōu)勢，主要表現(xiàn)在:

實現(xiàn)了動態(tài)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(tǒng)阻抗不會產生影響。

當電網(wǎng)結構發(fā)生變化時裝置受電網(wǎng)阻抗的影響不大，不存在與電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振的危險，同時能抑制串并聯(lián)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(shù)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(fā)生過載，并且能正常發(fā)揮作用，不需要與系統(tǒng)斷開。

裝置可以僅輸出所需要補償?shù)母叽沃C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(fā)生無功倒送現(xiàn)象。

而無功補償?shù)囊饬x主要體現(xiàn)在以下4個方面［10］:降低供配電系統(tǒng)的損耗;提高供配電系統(tǒng)的利用率(增容);可以通過對功率因數(shù)的調整實現(xiàn)對供配電系統(tǒng)網(wǎng)絡電壓幅值的控制，從而穩(wěn)定供配電系統(tǒng)的網(wǎng)絡電壓，可以降低諧波電流對供電系統(tǒng)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(tǒng)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(tài)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(tài)無功補償裝置。

SVC采用的電力電子器件是可控硅，系統(tǒng)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(fā)展方向。

3 有源濾波及動態(tài)無功補償裝置對電能質量改善及節(jié)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(shù)據(jù)如表1、表2所示，功率統(tǒng)計見表3。

表2 諧波電流統(tǒng)計 A

表3 功率統(tǒng)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(fā)現(xiàn)如下電能質量問題。

0.4 kV供配電系統(tǒng)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(tǒng)造成。

0.4 kV負荷基本穩(wěn)定，但平均功率因數(shù)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(tài)濾波補償系統(tǒng)，投入該裝置后測得數(shù)據(jù)見表4～表6。

表4 諧波電壓(相電壓)統(tǒng)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(tài)濾波補償系統(tǒng)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(tǒng)計報表來看，在負荷基本穩(wěn)定的情況下，投入該設備后能使系統(tǒng)的無功電量明顯降低，具有一定的節(jié)能效果。

表5 諧波電流統(tǒng)計 A

表6 6 d電量統(tǒng)計

4 結論

在城市軌道交通配電系統(tǒng)中使用有源濾波及動態(tài)無功補償裝置能夠有效解決配電系統(tǒng)內的諧波影響、降低系統(tǒng)損耗，降低運營成本，使地鐵配電系統(tǒng)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(yōu)化系統(tǒng)配置容量，節(jié)省初期建設投資。

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

［2］穆志光，李漢卿.軌道交通供電系統(tǒng)無功補償?shù)难芯浚跩］.電氣化鐵道，2006(4):30-31.

［3］唐立春.動態(tài)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(tài)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(zhàn)鷹，任震，楊澤明.有源濾波裝置及其應用研究綜述［J］.電網(wǎng)技術，2004(22):44-47.

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