簡述地鐵供電系統(tǒng)諧波的分析及治理

白永輝

摘要：城市軌道交通供電系統(tǒng)的負(fù)荷變化很大，容易引發(fā)電壓問題及頻率問題，產(chǎn)生大量諧波，對供電系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性造成不良影響，所以對供電系統(tǒng)諧波抑制措施進(jìn)行詳細(xì)探究十分重要。本文采用仿真建模方法，對城市軌道交通供電系統(tǒng)諧波進(jìn)行分析，并對城市軌道交通供電系統(tǒng)諧波抑制方法進(jìn)行詳細(xì)探究，以期保障城市軌道交通供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

關(guān)鍵詞：軌道供電系統(tǒng)；電力諧波；分析及措施

一、軌道交通供電系統(tǒng)電力諧波分析

軌道交通車輛追求的目標(biāo)是安全、快捷、舒適，對牽引供電系統(tǒng)的發(fā)展方向是可靠、節(jié)能、環(huán)?！，F(xiàn)在城市交通供電系統(tǒng)網(wǎng)對軌道交通系統(tǒng)采用分散供電方式、集中供電方式和混合供電方式，由于我國的供電系統(tǒng)起步晚、供電方式不完善，出現(xiàn)了很多問題。軌道交通牽引供電系統(tǒng)采用整流設(shè)備向電動車組提供其所需直流電源，形成諧波源，由于牽引整流裝置、整流逆變裝置和照明裝置的廣泛應(yīng)用，導(dǎo)致軌道供電系統(tǒng)產(chǎn)生大量諧波。在軌道交通供電系統(tǒng)中，很大部分的非線性負(fù)荷投入使用，不僅吸收大量基波，將部分功率轉(zhuǎn)變?yōu)橹C波功率注入系統(tǒng)，成為系統(tǒng)的諧波源，成為產(chǎn)生諧波的根本原因。當(dāng)諧波超過一定范圍，會對電力供電系統(tǒng)、城市軌道交通的照明系統(tǒng)等供電系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重危害。

二、地鐵供電系統(tǒng)諧波電流和無功功率的危害

1. 在諧波電流方面

地鐵供電系統(tǒng)在運營時會產(chǎn)生諧波電流，通常情況下，供電系統(tǒng)中的牽引變電所的整流機組降壓整流方式主要為兩種，分別為12脈波整流與24脈波整流，在機組降壓整流后，出現(xiàn)的諧波電流有5、11、23與25次。在社會經(jīng)濟穩(wěn)定發(fā)展的背景下，地鐵供電系統(tǒng)中使用的用電設(shè)備多為低壓與高節(jié)能類型的，其中變頻裝置的應(yīng)用具有廣泛性與普遍性，在此基礎(chǔ)上，低壓配電系統(tǒng)中的諧波畸變更為嚴(yán)重。照明系統(tǒng)的運行形式為電子整流器，在此期間諧波出現(xiàn)的次數(shù)為3次；空調(diào)與電梯的運行，在此期間諧波出現(xiàn)的次數(shù)為5、7次。

諧波電流危害主要體現(xiàn)在影響著地鐵供電系統(tǒng)的電流，會使其出現(xiàn)疊加與流竄，在此基礎(chǔ)上，電流會逐漸放大，進(jìn)而直接影響著地鐵供電系統(tǒng)的安全性。同時，它也威脅著電力系統(tǒng)的安全，諧波污染會影響整個城市的電力系統(tǒng)。諧波電流的具體危害為：疊加與流竄的電流會使電容器持續(xù)加熱，在長時間后，電容器的熱度便會超過安全界線，此時電容器會出現(xiàn)老化的問題，其使用時間也將縮短，進(jìn)而電容器極易出現(xiàn)擊穿故障；在電流增大的基礎(chǔ)上，供電系統(tǒng)中的線路損耗會逐漸增加，其中的變壓器額定容量也會不斷降低；同時，諧波電流影響著系統(tǒng)的保護(hù)裝置，局部停電的情況將更為普遍，它也影響著系統(tǒng)的電機，振動與噪音的問題將更加嚴(yán)重，電機的使用時間將大幅度的縮短。

2. 在無功功率方面

地鐵供電系統(tǒng)在運營時，用電設(shè)備的用電負(fù)荷為感性負(fù)荷，此時用電負(fù)荷的性質(zhì)與功率因數(shù)均存在差異，地鐵供電系統(tǒng)極易出現(xiàn)無功功率，無功效應(yīng)也隨之出現(xiàn)。無功功率的危害主要是提高了地鐵運營的成本，制約著節(jié)能環(huán)保目標(biāo)的實現(xiàn)。

三、城市軌道交通供電系統(tǒng)諧波抑制方法

1.電力系統(tǒng)諧波抑制措施

在進(jìn)行城市軌道交通供電系統(tǒng)諧波抑制過程中，可以采用以下三種方法：①受端治理措施：這一治理措施指的是在進(jìn)行諧波抑制時，選擇科學(xué)合理的供電方式，提升供電系統(tǒng)設(shè)備抵御諧波的能力，盡量避免電容對諧波放大，提升諧波保護(hù)水平。在受端治理措施的實際應(yīng)用中，通過應(yīng)用各種諧波抑制措施，有利于改善供電系統(tǒng)設(shè)備使用性能。②主動治理措施。這一諧波抑制措施指的是通過增加變流裝置的相數(shù)、改變諧波源工作方式或者采用PWM技術(shù)等措施，雖然主動治理能抑制諧波的產(chǎn)生，但是由于非線性元件種類繁多復(fù)雜，單獨依靠主動治理不可能完全消除諧波。③被動治理措施。被動治理措施指的是在軌道交通諧波抑制過程中，采用外加設(shè)備的方式，具體而言，可以采用有源濾波器或在諧波源并聯(lián)無功補償裝置聯(lián)合運行。

2.建立新型整流變壓器架構(gòu)

新型地鐵牽引供電系統(tǒng)是在感應(yīng)濾波的技術(shù)基礎(chǔ)上，改變整流變壓器兩套閥側(cè)接法，由原來的Y型/△型接法改變?yōu)檠舆吶切温?lián)結(jié)法。在延邊三角形公共繞組抽頭的位置連接濾波裝置，改變公共繞組設(shè)計實現(xiàn)零阻抗繞組，借助濾波器給出的短路通路使得閥側(cè)特定次諧波可直接通過，避開變壓器鐵芯進(jìn)入網(wǎng)側(cè)這一環(huán)節(jié)，阻斷諧波電流的傳輸和擴散。整流變壓器的接法選用一次側(cè)接Y型，二次側(cè)兩套繞組選用D聯(lián)結(jié)，借助繞組方式改變產(chǎn)生電壓相位差，兩套繞組依次和整流器連接形成12脈波整流，使變壓器鐵芯中諧波電流磁勢倍數(shù)達(dá)到12（K±1）（K=1，2，3）次。新型整流變壓器閥側(cè)接線電壓移相角為±15°，兩組線電壓差角為30°，形成12脈波換相整流變壓器；兩組閥側(cè)繞組的匝數(shù)比一樣，使制造更容易。

3.新型整流濾波器諧波抑制方法

濾波方案主要是通過改變繞組連接方式，在閥側(cè)公共繞組抽頭位置連接5次、7次、11次和13次特征諧波濾波器，相應(yīng)頻次的諧波濾波器產(chǎn)生的支路阻抗是零，使得諧波電流通路短路。在供電系統(tǒng)實際運行過程中，如果諧波電流流經(jīng)延邊繞組，不通過原邊繞組，并且直接經(jīng)過濾波器支路短路，則會使得延邊繞組和公共繞組上因諧波電流而產(chǎn)生的諧波磁勢相均衡，有效地將閥側(cè)諧波和網(wǎng)側(cè)繞組阻隔。在進(jìn)行變壓器繞組設(shè)計時，只需合理布設(shè)公共繞組便可將繞組阻抗設(shè)計為零。在實際變壓器設(shè)計過程中，精確的零阻抗設(shè)計一般難以實現(xiàn)，但只需合理設(shè)計公共繞組等效阻抗不超過網(wǎng)側(cè)繞組等效阻抗的5%，便可滿足工業(yè)設(shè)計需求。

4.電氣化軌道交通諧波抑制措施

現(xiàn)如今，科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，在城市軌道交通建設(shè)中，電氣化軌道交通發(fā)展迅速，同時對于電氣化軌道交通供電系統(tǒng)電能質(zhì)量的要求也越來越高?，F(xiàn)如今，對于電氣化軌道交通諧波抑制，可以采用以下方法：①采用新型的交-直-交型電力機車，更換既有的交-直型電力機車。交-直-交型電力機車所采用的是四象限脈沖變流器，而逆變器采用的是PWM控制方式，因此諧波含量比交-直型電力機車諧波含量有了明顯的減少。②主變壓器的牽引繞組上直接安裝無功補償裝置，在補償裝置實際安裝過程中，對于電容器以及電抗器，采用串聯(lián)的連接方式，其中，電容器能夠有效提供容性超前無功功率補償感性負(fù)載消耗的滯后無功功率，從而促進(jìn)功率因數(shù)的提高。③嚴(yán)格執(zhí)行諧波國家標(biāo)準(zhǔn)，加強對諧波源的監(jiān)測分析?？稍谧冸娝鶅?nèi)設(shè)置電能質(zhì)量監(jiān)測分析裝置，及時關(guān)注牽引變電所內(nèi)電能質(zhì)量的各項指標(biāo)。

5.利用動態(tài)無功補償技術(shù)

在科學(xué)技術(shù)水平不斷提升的背景下，地鐵供電系統(tǒng)的無功功率問題得到了廣泛的關(guān)注，為了實現(xiàn)對此問題的有效解決，相應(yīng)的技術(shù)得到了研究，并將技術(shù)進(jìn)行了應(yīng)用，以此保證了供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性與可靠性。動態(tài)無功補償技術(shù)的作用是顯著的，通過動態(tài)無功補償裝置的運用，促進(jìn)了相應(yīng)技術(shù)作用的發(fā)揮，并使該技術(shù)得到了發(fā)展。

動態(tài)無功補償技術(shù)主要是借助大功率的電子器件，促進(jìn)了無功能力的轉(zhuǎn)變，通過高頻開關(guān)功能，實現(xiàn)了無功功率的補償，進(jìn)而有效解決了地鐵供電系統(tǒng)的無功功率問題。此項技術(shù)的特點是顯著的，如：較小的占地面積、對母線電壓的影響較少，同時耗能偏低、效率較高。

結(jié)語

對地鐵供電系統(tǒng)的諧波研究，分析諧波的產(chǎn)生原因及諧波給供電設(shè)備帶來的危害，并提出合理的治理方案。采取必要的濾波治理措施后，地鐵供電系統(tǒng)的電能指標(biāo)滿足國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，保證電力系統(tǒng)安全和經(jīng)濟運行，保證城市地鐵的安全運行。

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