淺析地鐵牽引供電系統(tǒng)對配電網(wǎng)的諧波影響

摘 要：大規(guī)模的城市軌道交通供電系統(tǒng)經(jīng)由電力電子元件接入城市配電網(wǎng)，給城市電力系統(tǒng)的分析研究帶來了一些新的諧波問題。針對城市軌道交通供電系統(tǒng)中最具代表性的地鐵牽引供電系統(tǒng)，準確分析系統(tǒng)結構特點，掌握其諧波分布情況，并采取相應的諧波措施抑制，為城市配電網(wǎng)的穩(wěn)定運行提供了理論參考。

關鍵詞：地鐵牽引供電系統(tǒng)；配電網(wǎng)；諧波；抑制

引言

地鐵作為目前世界上最為便捷高效的一種城市交通工具，一般直接由城市配電網(wǎng)為其提供電能。由于我國地鐵采用直流750V或1500V的供電制式，而城市配電網(wǎng)提供的是交流電源，因此需要安裝整流裝置，用以實現(xiàn)交、直流電源的可靠轉換。不僅如此，地鐵機車上的逆變器還需要將直流電轉換成交流電以供給照明、空調等輔助供電系統(tǒng)。所以在地鐵與配電網(wǎng)的交互過程中，以及地鐵牽引網(wǎng)與機車進行能量轉換的過程中，由于大量電力電子元器件之間的耦合作用，產(chǎn)生的諧波給城市配電網(wǎng)帶來了嚴重的諧波污染，很容易造成配電網(wǎng)發(fā)生事故并危及整個城市的供電穩(wěn)定和社會秩序[1-3]。在2006年的報道中就有學者指出在上海地鐵交通體系中，嚴重的諧波失真會嚴重威脅上海配電網(wǎng)的穩(wěn)定運行[4]。鑒于此，本文就地鐵牽引供電系統(tǒng)對配電網(wǎng)的諧波污染問題進行了初步探討。

1 地鐵牽引供電系統(tǒng)

我國地鐵供電系統(tǒng)的供電制式主要采用集中式供電，其各個部分的組成關系如圖1所示。發(fā)電廠通常設在距離電力用戶很遠的地方，能夠產(chǎn)生電能。針對城市軌道交通系統(tǒng)來說，通常將主變電所以上的部分稱為外部公用電網(wǎng)，主變電所及以下的部分稱作內部牽引供電系統(tǒng)，而內部系統(tǒng)與外部電網(wǎng)的接口設在主變電所處。牽引供電系統(tǒng)是內部系統(tǒng)重要組成部分，其主要作用是為地鐵機車提供電能，主要由牽引變電所、饋電線、接觸網(wǎng)、回流線和走行軌道構成；而降壓變電所則是為各車站、隧道、車輛段等的動力照明負荷提供電能。

2 公共連接點諧波電流允許值的分配原則

為了抑制諧波污染的對配電網(wǎng)的危害，國標GB/T 14549-1993《電能質量 公共電網(wǎng)諧波》對諧波電流限制給出了明確規(guī)定。當同一公共連接點連接多個用戶且公共連接點處的最小短路容量和基準短路容量不相同時，每個用戶向電網(wǎng)注入的諧波電流允許值需要根據(jù)每個用戶在公共連接點的協(xié)議容量和其供電設備容量之比進行分配。第i個用戶的第n次諧波電流允許值Ini，需按下式確定：

3 諧波對配電網(wǎng)的危害

諧波給配電網(wǎng)造成的損害不容小覷，比如諧波電流在配電網(wǎng)的電路上會產(chǎn)生有功功率損耗，這在線路損耗上占了一定比重，而且因為諧波電流的頻率是基波頻率的整數(shù)倍，當高頻電流流過導體時，會引起導線的集膚效應使得諧波電阻大于基波電阻，從而增加了附加線路的損耗，帶來了大量的能量損失。

不僅如此，諧波也會使得配電網(wǎng)的架空線路產(chǎn)生電暈損耗，因為諧波會使電壓峰值超過允許值繼而產(chǎn)生電暈，給架空線路造成威脅。此外電纜輸電系統(tǒng)也會因為諧波大大的縮減了使用壽命，因為諧波會使電壓波形出現(xiàn)尖峰，從而加快電纜的老化速度。而且諧波對電纜的危害程度會隨著電纜額定電壓的增高而愈發(fā)惡劣。與此同時，電纜的分布電容也會加重諧波對配電網(wǎng)的危害程度，因為分布電容會對諧波電流產(chǎn)生放大作用。

諧波帶來的危害還有很多，諸如增大測量儀表的測量誤差；增大旋轉電機、變壓器的附加損耗；對通信設備產(chǎn)生大量的干擾；影響繼電保護等自動控制設備的可靠運行等，以及諧波給配電網(wǎng)造成的污染會大大降低供電質量，影響其它用電設備的正常運行。

4 諧波的抑制

地鐵牽引供電系統(tǒng)的諧波源主要來自于地鐵牽引傳動系統(tǒng)的諧波和動力照明系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波。動力照明系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波通?？梢酝ㄟ^在降壓變電所出口處安裝濾波器加以濾除，而常用的濾波裝置通常分為有源濾波器和無源濾波器兩種類型。其中無緣濾波器可分為高通濾波器、單調諧濾波器及雙調諧濾波器等，在實際應用中我們通常采用一級高通濾波器和幾組單調諧濾波器組成混合濾波裝置。有源濾波裝置是近幾年的諧波抑制研究重點，主要由指令電流運算電路和補償電流發(fā)生電路組成。有源濾波器克服了無源濾波器等方法的缺點，不容易受電網(wǎng)阻抗的影響，減小了和電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振的可能。此外有源濾波裝置的優(yōu)點還有很多，例如能同時補償頻率和大小都會發(fā)生變化的諧波以及變化的無功功率，即使補償?shù)碾娏鞒^一定范圍，有源濾波器也不會過載，還能同時正常補償。從經(jīng)濟節(jié)能的角度出發(fā)，往往采用有源濾波器和無源濾波器混合使用的方案，以提高系統(tǒng)的性價比。

目前地鐵牽引供電系統(tǒng)對配電網(wǎng)的諧波污染主要通過改進換流裝置來達到抑制的效果。因為高次諧波電流和整流裝置的脈波數(shù)n有密切的聯(lián)系，所以地鐵中通常采用24脈波整流電路，其注入電網(wǎng)的主要是24k±1（k=1，2，3…）次諧波，最底次為23、25次，可以在極大程度上限制諧波的產(chǎn)生，減小了對城市配電網(wǎng)的諧波污染。但是地鐵實際運行的過程中，還會由于動力照明系統(tǒng)產(chǎn)生一些低次諧波，一般為5次、7次諧波，并且含有11、13、23、25次的高次諧波。所以在實際的濾波過程中需要考慮多個濾波器結合使用，并與動力照明系統(tǒng)的參數(shù)相匹配。關于換流裝置的分析文獻[5-6]已給出詳細說明，本文不再贅述。文獻[2]分析了鄭州地鐵1號線列車在運行時，采用等值24脈動整流系統(tǒng)會減小向城市配電網(wǎng)（110kV主變電所）注入的諧波含量，符合國家標準《電能質量 公共電網(wǎng)諧波》的要求。但實時監(jiān)測表明當?shù)罔F牽引供電系統(tǒng)內部出現(xiàn)故障或者遇到雷擊等自然災害甚至發(fā)生諧振時，地鐵牽引供電系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波會同原有的諧波相疊加，給配電網(wǎng)造成極大的危害。

參考文獻

[1]姚猛.鄭州城市軌道交通供電模式及諧波分析[D].鄭州大學，2012.

[2]金照盈.城市軌道交通供電系統(tǒng)諧波分析及對配網(wǎng)的影響研究[D].鄭州大學，2014.

[3]Monem O A. Power Quality Improvement for Egypt Subway Electrical Network[J]. 2015.

[4]Pan Y， Gui Q， Tian Y. Study of the effect on harmonics in shanghai grid caused by subway transportation connecting into the grid[C]// China International Conference on Electricity Distribution. 2006：CP0590-CP0590.

[5]艾兵.地鐵牽引供電系統(tǒng)建模及其對公共電網(wǎng)影響的研究[D].西南交通大學，2010.

[6]王乃永，官瀾，李靜，等.地鐵牽引供電系統(tǒng)對公網(wǎng)諧波影響仿真研究[J].陜西電力，2010，38（4）：30-33.

作者簡介：龔代海（1987-），男，重慶人，工程師，本科，主要從事城市軌道交通供電系統(tǒng)、鐵道供電系統(tǒng)施工管理工作。