地鐵變電站諧波抑制和無(wú)功綜合補(bǔ)償技術(shù)研究

劉亮、周浩

（太原中鐵軌道交通建設(shè)運(yùn)營(yíng)有限公司，山西太原 030000）

0 引言

地鐵作為一種重要的城市交通工具，其供電系統(tǒng)中的變電站對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)起著關(guān)鍵的作用。然而，地鐵變電站在運(yùn)行過(guò)程中面臨著諧波問(wèn)題和無(wú)功功率不平衡的挑戰(zhàn)。諧波會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波動(dòng)、設(shè)備過(guò)熱、功率損耗增加，甚至?xí)?dǎo)致設(shè)備故障。此外，地鐵變電站的無(wú)功功率因其非線性負(fù)載和變化的負(fù)荷特性而存在不平衡的問(wèn)題，這會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性下降和能源損耗增加。因此，研究地鐵變電站諧波抑制和無(wú)功綜合補(bǔ)償技術(shù)有重要意義。

1 地鐵變電站諧波問(wèn)題分析

1.1 諧波產(chǎn)生機(jī)制與特點(diǎn)

1.1.1 地鐵列車對(duì)電網(wǎng)諧波的注入

在地鐵系統(tǒng)中，列車的牽引系統(tǒng)通常采用大功率電力電子裝置，如逆變器和牽引變壓器等。這些裝置在正常工作過(guò)程中會(huì)引入諧波電流，進(jìn)而產(chǎn)生電網(wǎng)諧波。地鐵列車的工作頻率通常為數(shù)十赫茲，而電網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)頻率為50Hz，因此列車的逆變器會(huì)產(chǎn)生高次諧波，如5 次、7 次、11 次諧波等。這些諧波電流注入電網(wǎng)中，會(huì)引起電網(wǎng)電壓和電流的畸變，并擴(kuò)散到變電站和周圍的用戶設(shè)備中。由于地鐵列車數(shù)量龐大、運(yùn)行頻繁，其對(duì)電網(wǎng)諧波的注入量較大，因此會(huì)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性和供電質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。

1.1.2 諧波的產(chǎn)生與傳播

在地鐵變電站中，各種電力設(shè)備如變壓器、斷路器、整流器等都可能產(chǎn)生諧波。這些設(shè)備中存在非線性元件，如整流器中的電子器件、變壓器中的飽和磁路等，這些非線性元件均會(huì)引起電流的非線性變化，導(dǎo)致諧波產(chǎn)生。諧波的傳播會(huì)導(dǎo)致電壓和電流的波形畸變，增加電網(wǎng)的功率損耗和設(shè)備的熱損耗，甚至對(duì)電力設(shè)備和用戶設(shè)備造成不利影響。

1.2 諧波對(duì)地鐵變電站的影響

1.2.1 影響電網(wǎng)穩(wěn)定性和可靠性

首先，諧波電流會(huì)導(dǎo)致變電設(shè)備內(nèi)部的溫升增加，進(jìn)而影響設(shè)備的壽命和可靠性。諧波電流通過(guò)變壓器和電纜等設(shè)備時(shí)，會(huì)引起設(shè)備內(nèi)部的附加損耗和熱損耗，導(dǎo)致設(shè)備的溫升增加。

其次，諧波電壓會(huì)導(dǎo)致變電站內(nèi)部的設(shè)備故障和運(yùn)行不穩(wěn)定。諧波電壓會(huì)使變壓器的磁路飽和，產(chǎn)生附加磁損耗和噪聲，進(jìn)而影響變壓器的性能和壽命。

最后，諧波電壓會(huì)導(dǎo)致電容器諧振和電磁干擾等問(wèn)題，進(jìn)而影響變電站的正常運(yùn)行和電能質(zhì)量。

1.2.2 變電設(shè)備損耗與壽命影響

第一，諧波電流會(huì)使變壓器內(nèi)部的鐵心和線圈產(chǎn)生附加損耗。諧波電流通過(guò)變壓器的鐵心和線圈時(shí)，會(huì)在其導(dǎo)體中引起渦流和皮膚效應(yīng)，產(chǎn)生額外的電阻和熱損耗，使變壓器的溫度升高。這種附加損耗會(huì)導(dǎo)致變壓器的工作效率下降，并且縮短變壓器的使用壽命。

第二，諧波電壓會(huì)導(dǎo)致電容器損耗和老化。諧波電壓會(huì)使電容器內(nèi)部產(chǎn)生附加電流，導(dǎo)致電容器產(chǎn)生附加損耗和熱損耗。這些附加損耗會(huì)加速電容器的老化，降低其工作效率和使用壽命[1]。

2 諧波抑制技術(shù)

2.1 諧波濾波器的工作原理和分類

諧波濾波器的工作原理基于濾波原理，通過(guò)選擇合適的濾波元件（如電感、電容和阻抗等），在特定頻率范圍內(nèi)形成阻抗匹配，將諧波電流或電壓引流到地線或吸收到濾波器內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波的抑制。

根據(jù)諧波濾波器的結(jié)構(gòu)和工作方式，可以將其分為被動(dòng)濾波器和主動(dòng)濾波器兩類。被動(dòng)濾波器主要由電感和電容組成，根據(jù)諧波頻率的不同選擇不同的濾波元件進(jìn)行諧波抑制。主動(dòng)濾波器則通過(guò)電子器件和控制系統(tǒng)主動(dòng)感應(yīng)和抵消諧波電流或電壓，以此實(shí)現(xiàn)更精確和高效的諧波濾波效果。諧波濾波器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用是諧波抑制技術(shù)中的重要內(nèi)容，合理選擇濾波器的參數(shù)和布置方式，可以有效抑制諧波，降低地鐵變電站的諧波污染，保證電網(wǎng)和變電設(shè)備的正常運(yùn)行。

2.2 地鐵變電站諧波濾波器的設(shè)計(jì)方法

合理設(shè)計(jì)和應(yīng)用濾波器，可以有效降低諧波污染，提高地鐵變電站的供電質(zhì)量和穩(wěn)定性[2]。

首先，進(jìn)行地鐵變電站諧波濾波器設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行諧波分析，了解地鐵列車注入電網(wǎng)的諧波頻率和幅值。根據(jù)諧波分析結(jié)果，確定諧波濾波器的工作頻率范圍和抑制要求。

其次，根據(jù)電網(wǎng)的電壓等級(jí)和負(fù)載情況，選擇合適的濾波器類型和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。常見(jiàn)的諧波器類型包括LC 濾波器、LCL 濾波器、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)濾波器等，根據(jù)濾波器的特性和性能需求，確定濾波器的電感和電容數(shù)值。

再次，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要考慮濾波器的額定電流和電壓容忍度，以確保濾波器的可靠性和安全性。

最后，需要考慮濾波器的安裝位置和接線方式，以便與地鐵變電站的電網(wǎng)連接。需要注意的是，設(shè)計(jì)完成后，需要進(jìn)行濾波器的仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證，以確保其能夠切實(shí)滿足諧波抑制要求。

2.3 主動(dòng)諧波抑制技術(shù)

2.3.1 主動(dòng)濾波器控制策略

主動(dòng)諧波抑制技術(shù)是一種先進(jìn)的諧波抑制方法，其能夠通過(guò)主動(dòng)濾波器控制策略，實(shí)時(shí)調(diào)整濾波器的工作參數(shù)，以抑制諧波污染。主動(dòng)濾波器控制策略主要包括開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種類型。

開(kāi)環(huán)控制是根據(jù)電網(wǎng)的負(fù)載特性和諧波源的特點(diǎn)，預(yù)先確定濾波器的補(bǔ)償參數(shù)，以提前抑制諧波污染。閉環(huán)控制是基于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的反饋信息，通過(guò)控制算法動(dòng)態(tài)調(diào)整濾波器的補(bǔ)償參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)精確的諧波抑制效果。

2.3.2 諧波抑制器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

諧波抑制器是一種專門設(shè)計(jì)的電力設(shè)備，用于抑制電網(wǎng)中的諧波成分。諧波抑制器通常由濾波器、控制器和功率電子開(kāi)關(guān)組成。濾波器是諧波抑制器的核心部件，用于濾除諧波成分，其設(shè)計(jì)包括濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、參數(shù)選取和濾波器元件的選擇。濾波器可以采用各種類型的電容、電感和電阻等元件，以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同諧波頻率的抑制?？刂破魇侵C波抑制器的智能部分，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)的諧波情況，計(jì)算諧波濾波器的補(bǔ)償參數(shù)，并控制功率電子開(kāi)關(guān)的工作狀態(tài)。功率電子開(kāi)關(guān)用于控制濾波器的通斷，以實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波的抑制。諧波抑制器的應(yīng)用通常需要進(jìn)行系統(tǒng)建模和仿真，以確定最佳的設(shè)計(jì)參數(shù)和控制策略。此外，諧波抑制器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用還需要考慮電網(wǎng)的特性、諧波源的特點(diǎn)以及對(duì)抑制效果的要求，以實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的諧波抑制。

3 地鐵變電站無(wú)功綜合補(bǔ)償技術(shù)

3.1 無(wú)功功率的特點(diǎn)與補(bǔ)償需求

3.1.1 地鐵變電站的無(wú)功功率問(wèn)題

地鐵變電站在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的無(wú)功功率，這是電網(wǎng)的電力負(fù)荷和變電設(shè)備的電力特性所引起的。無(wú)功功率是指電力系統(tǒng)中產(chǎn)生的不做功的電能，主要表現(xiàn)為電流滯后于電壓，導(dǎo)致電網(wǎng)的功率因數(shù)下降。地鐵變電站的無(wú)功功率問(wèn)題主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，無(wú)功功率的存在會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)的功率因數(shù)降低，造成電網(wǎng)能效下降和電能浪費(fèi)；第二，大量的無(wú)功功率會(huì)引起電壓的波動(dòng)和不穩(wěn)定，對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性造成影響。

3.1.2 無(wú)功功率對(duì)電網(wǎng)和設(shè)備的影響

先天性脊柱畸形是由于脊柱發(fā)育缺陷導(dǎo)致的脊柱形態(tài)及結(jié)構(gòu)功能異常，在嬰兒中其發(fā)生率約為1/1 000［1］。頸椎半椎體畸形是先天性脊柱畸形的一種，常見(jiàn)于Klippel-Feil綜合征，與胸腰椎畸形相比，此類畸形在臨床上更為罕見(jiàn)。Deburge等［2］和Winter等［3］分別于1981年首次報(bào)道頸椎半椎體畸形及其治療方法，Ruf等［1］在2005年對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)闡述。近年來(lái)，臨床報(bào)道了多例頸椎半椎體畸形病例，治療方法各有不同［4-6］。本院2015年收治C5半椎體畸形并上胸椎重度脊柱側(cè)凸1例，現(xiàn)將診療過(guò)程報(bào)告如下。

無(wú)功功率的特點(diǎn)是在電力系統(tǒng)中不進(jìn)行有用功的能量交換，主要表現(xiàn)為電流滯后于電壓，其主要是感性負(fù)載（如電動(dòng)機(jī)、變壓器等）引起的。無(wú)功功率會(huì)對(duì)電網(wǎng)和設(shè)備產(chǎn)生一系列影響：

首先，無(wú)功功率會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)的功率因數(shù)下降，降低電網(wǎng)的能效和經(jīng)濟(jì)性，增加電網(wǎng)的線損。

其次，無(wú)功功率會(huì)引起電網(wǎng)的電壓波動(dòng)和不穩(wěn)定，影響電網(wǎng)的電壓質(zhì)量，甚至可能導(dǎo)致電壓崩潰。

最后，無(wú)功功率還會(huì)導(dǎo)致電力設(shè)備的運(yùn)行效率下降，增加設(shè)備的損耗和熱量，降低設(shè)備的壽命[3]。

3.2 無(wú)功綜合補(bǔ)償技術(shù)

3.2.1 無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的選擇和設(shè)計(jì)

無(wú)功綜合補(bǔ)償技術(shù)能夠通過(guò)對(duì)多種設(shè)備進(jìn)行選擇和設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵變電站無(wú)功功率的補(bǔ)償。選擇無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備時(shí)，需要考慮變電站的具體情況、負(fù)載類型以及無(wú)功功率的特點(diǎn)。常見(jiàn)的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備包括靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）、靜止無(wú)功發(fā)生器（STATCOM）和并聯(lián)電容器等。靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）能夠通過(guò)調(diào)節(jié)補(bǔ)償電流的相位和幅值來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)功功率的補(bǔ)償。靜止無(wú)功發(fā)生器（STATCOM）則能夠通過(guò)電子器件控制無(wú)功電流的注入和吸收，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)功功率的精確補(bǔ)償。并聯(lián)電容器則通過(guò)將電容并聯(lián)連接到電網(wǎng)，提供對(duì)無(wú)功功率的補(bǔ)償。設(shè)計(jì)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備時(shí)，需要考慮變電站的負(fù)載特性、功率因數(shù)目標(biāo)、設(shè)備容量等因素，并結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.2.2 無(wú)功補(bǔ)償控制策略的研究與應(yīng)用

無(wú)功補(bǔ)償控制策略的研究旨在通過(guò)對(duì)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵變電站的無(wú)功功率進(jìn)行精確調(diào)節(jié)和補(bǔ)償。常見(jiàn)的無(wú)功補(bǔ)償控制策略包括基于功率因數(shù)的控制、電壓調(diào)節(jié)的控制和諧波抑制的控制等。其中，基于功率因數(shù)的控制策略能夠通過(guò)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)的功率因數(shù)，根據(jù)預(yù)設(shè)的功率因數(shù)目標(biāo)值，調(diào)節(jié)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的容量和輸出，從而將變電站的功率因數(shù)控制在合理范圍內(nèi)。電壓調(diào)節(jié)的控制策略主要通過(guò)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)的電壓，通過(guò)調(diào)節(jié)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的輸出電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)電壓的調(diào)節(jié)和穩(wěn)定。諧波抑制的控制策略則通過(guò)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)的諧波情況，采用相應(yīng)的濾波器和控制算法，減少諧波對(duì)電網(wǎng)和設(shè)備的影響。這些無(wú)功補(bǔ)償控制策略可以單獨(dú)或者組合使用，具體可根據(jù)變電站的實(shí)際需求和特點(diǎn)進(jìn)行靈活調(diào)整。應(yīng)用無(wú)功補(bǔ)償控制策略，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵變電站無(wú)功功率的準(zhǔn)確補(bǔ)償和控制，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，并有效降低無(wú)功功率帶來(lái)的負(fù)面影響[4]。

4 技術(shù)實(shí)施與效果評(píng)估

4.1 方案設(shè)計(jì)

4.1.1 地鐵變電站諧波抑制與無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

首先，針對(duì)諧波抑制，可以基于前期的諧波分析結(jié)果確定合適的諧波濾波器配置，包括濾波器的類型、參數(shù)和安裝位置等。

其次，在無(wú)功補(bǔ)償方面，需要根據(jù)地鐵變電站的功率因數(shù)需求和電網(wǎng)特點(diǎn)，選擇合適的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，如靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）、無(wú)功電容器、STATCOM 等，并進(jìn)行合理布置和配置。

最后，技術(shù)實(shí)施方案設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮系統(tǒng)的可行性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性和安全性等方面的要求，以確保整體設(shè)計(jì)方案的可行性和有效性。

4.1.2 設(shè)備選型與布置

首先，針對(duì)諧波抑制，需要選擇適合的諧波濾波器設(shè)備。根據(jù)諧波頻率特性和濾波要求，可以選擇合適的濾波器類型，如有源濾波器、被動(dòng)濾波器或混合濾波器等。

其次，根據(jù)地鐵變電站的功率和諧波水平，確定濾波器的容量和額定電壓等參數(shù)。

再次，針對(duì)無(wú)功補(bǔ)償，需要選擇適當(dāng)?shù)臒o(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。常見(jiàn)的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備包括靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）、無(wú)功電容器和STATCOM 等。

最后，根據(jù)地鐵變電站的功率因數(shù)需求和電網(wǎng)特點(diǎn)，確定無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的容量和參數(shù)[5]。

4.2 技術(shù)實(shí)施效果評(píng)估

4.2.1 諧波抑制效果實(shí)測(cè)與評(píng)估

首先，利用專業(yè)的諧波分析儀器對(duì)地鐵變電站的電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，獲取各諧波分量的電流和電壓數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的限值要求，分析并評(píng)估諧波抑制技術(shù)應(yīng)用效果。

其次，在實(shí)測(cè)過(guò)程中，需要對(duì)不同頻率的諧波進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，并進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄和分析?？梢允褂弥C波分析儀、功率質(zhì)量分析儀等專業(yè)儀器，對(duì)電網(wǎng)中的諧波進(jìn)行精確的測(cè)量和分析。通過(guò)測(cè)量得到的諧波分量的電流和電壓數(shù)據(jù)，可以計(jì)算諧波失真率、總諧波畸變率等指標(biāo)，以便進(jìn)一步評(píng)估諧波抑制效果。

最后，可以進(jìn)行實(shí)地觀察和抽樣分析，收集與諧波抑制相關(guān)的數(shù)據(jù)。例如，觀察電網(wǎng)中的電流波形和電壓波形，檢查是否存在明顯的諧波畸變現(xiàn)象。

4.2.2 無(wú)功綜合補(bǔ)償對(duì)電網(wǎng)性能的改善評(píng)估

首先，通過(guò)監(jiān)測(cè)和記錄電網(wǎng)中的功率因數(shù)、無(wú)功功率、電壓等關(guān)鍵參數(shù)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)施無(wú)功綜合補(bǔ)償前后的對(duì)比分析。通過(guò)對(duì)比數(shù)據(jù)的變化，評(píng)估無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)對(duì)電網(wǎng)性能的改善效果。

其次，電壓的穩(wěn)定性評(píng)估。無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)可以通過(guò)調(diào)整無(wú)功功率的注入或吸收，對(duì)電網(wǎng)的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而提高電壓的穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)比實(shí)施無(wú)功補(bǔ)償前后的電壓數(shù)據(jù)，可以評(píng)估無(wú)功補(bǔ)償對(duì)電壓穩(wěn)定性的影響。

最后，關(guān)注電網(wǎng)的損耗情況。實(shí)施無(wú)功綜合補(bǔ)償技術(shù)可以降低電網(wǎng)的傳輸損耗，提高電能的利用效率。通過(guò)對(duì)比前后的電網(wǎng)損耗數(shù)據(jù)，可以評(píng)估無(wú)功補(bǔ)償對(duì)電網(wǎng)損耗的改善效果。

5 結(jié)語(yǔ)

綜合而言，地鐵變電站諧波抑制和無(wú)功綜合補(bǔ)償技術(shù)對(duì)提高電網(wǎng)穩(wěn)定性、減少設(shè)備損耗和提高能源利用效率有重要意義。因此，需要進(jìn)一步研究和改進(jìn)相關(guān)技術(shù)，以適應(yīng)不斷增長(zhǎng)的地鐵能源使用和環(huán)境保護(hù)需求，使地鐵供電系統(tǒng)更加高效、穩(wěn)定，為城市交通發(fā)展提供有力支持。