探討城市軌道交通低壓配電系統(tǒng)諧波治理方案

摘要：在電力系統(tǒng)中，當工頻電壓或電流作用于非線性負載時，會產(chǎn)生不同于工頻的非正弦電壓或電流。這些非正弦電壓或電流，用傅里葉級數(shù)展開，就是人們所說的電力諧波。電力諧波反饋到電網(wǎng)，導致供電系統(tǒng)電壓、電流波形畸變，使電能質(zhì)量降低。本文結合城市軌道交通低壓配電系統(tǒng)的特點以及有源濾波技術的發(fā)展，分析了無功補償與諧波的關系。從系統(tǒng)設計的角度，提出了軌道交通低壓配電系統(tǒng)諧波治理的措施。

關鍵詞：城市軌道交通;低壓配電系統(tǒng);諧波治理

近年來，電力電子技術高速發(fā)展，并廣泛應用于工業(yè)、交通、供電系統(tǒng)等各個領域。計算機、電機設備、變頻空調(diào)等電氣設備的廣泛應用，造成了供電系統(tǒng)中的諧波量不斷攀升，諧波污染已經(jīng)成為威脅電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行的主要因素。在諸多公共服務領域，特別是城市軌道交通供電系統(tǒng)中，做好諧波治理是供電系統(tǒng)中一件非常重要的工作。

一、城市軌道交通供電系統(tǒng)中的諧波源及有源濾波裝置特點

1、諧波，我們通常也稱之為高次諧波：主要是指在運行中的電壓、電流發(fā)生了波形畸變。在城市軌道交通供電系統(tǒng)運行中，存在大量非線性負荷，因此容易造成諧波污染。一般來說，城市軌道交通供電系統(tǒng)中，除牽引整流機組外，低壓配電系統(tǒng)也存在很多非線性負荷。比較典型的諧波源有：變頻調(diào)速裝置如風機、中央空調(diào)、水泵用變頻控制器和軟啟動器;LED廣告牌;熒光燈;變電所直流屏、UPS電源屏;弱電系統(tǒng)電源，如信號系統(tǒng)、打印機等現(xiàn)代電子類設備等。

2、有源電力濾波器特點

有源電力濾波器，其應用可克服無源濾波器（LC濾波器）等傳統(tǒng)的諧波抑制和無功補償方法的缺點（傳統(tǒng)的只能固定補償），實現(xiàn)了動態(tài)跟蹤補償，而且可以既抑制諧波又補償無功。三相電路瞬時無功功率理論是有源電力濾波器發(fā)展的主要基礎理論，且有并聯(lián)型和串聯(lián)型兩種，前者用的多;并聯(lián)有源濾波裝置主要是治理電流諧波，串聯(lián)有源濾波裝置主要是治理電壓諧波等引起的問題。有源濾波裝置同無源濾波裝置比較，治理效果好，主要可以同時濾除多次及高次諧波，不會引起諧振。

二、城市軌道交通供電系統(tǒng)的諧波危害

城市軌道交通供電系統(tǒng)的諧波危害，總的可以概括為電力危害和信號干擾兩大方面。具體表現(xiàn)為：

（1）造成變壓器過熱，降低其帶負載能力。運行中的變壓器會因為諧波電流的存在而導致溫度的增加，造成變壓器過熱，并進一步加速變壓器絕緣的老化，損耗的增加，降低變壓器的帶負荷能力。

（2）干擾運行中的繼電保護和自動控制裝置，容易造成誤動或拒動。

（3）對無功補償電容器組引起諧波電流的放大，損壞無功補償裝置的投切開關，使內(nèi)部電容器過流發(fā)熱，嚴重時造成鼓脹甚至爆炸。

（4）對供電線路的影響。諧波的存在會導致供電線路運行損耗的增加，而且過大的諧波電流容易造成運行中的電力電纜產(chǎn)生過負荷或者過電壓，造成電力電纜的擊穿。

（5）造成運行設備的損毀。額外的諧波電流可能導致電網(wǎng)內(nèi)器件過熱甚至燒毀;導致中性線電流過大引發(fā)故障，造成中性線發(fā)熱甚至火災;影響電機效率和正常運行，產(chǎn)生震動和噪音，縮短電機壽命。

（6）敏感設備工作異常。諧波會使得精密儀器和敏感設備不能正常工作。比如計量設備，電能計量儀表通常是按工頻正弦波設計的，當有諧波時將會產(chǎn)生測量誤差。又如通信系統(tǒng)中的通信設備，會因為諧波的干擾產(chǎn)生噪聲，造成通話清晰度的降低，甚至會導致信號的丟失，干擾保護與自動化設備的正常工作。

（7）電壓畸變對照明設備等的壽命有一定的影響。

三、城市軌道交通低壓配電系統(tǒng)諧波治理的措施

目前對諧波進行治理主要有以下兩種方式：

1、無源方式為避免單體電容器放大諧波，一般采取的措施是改變與電容串聯(lián)的限流電抗器。電抗率按照5 次諧波及以上呈現(xiàn)感性的原則確定。無功補償裝置采用串聯(lián)電抗器的無功補償裝置（即電容器串聯(lián)電抗器的方式）后，通過參數(shù)選取使裝置在諧波頻率下為一低阻抗回路以吸收諧波，在基波頻率下提供容性無功。其工作原理如圖1所示。本方式具有投資少、效率高、結構簡單、運行可靠及維護方便等優(yōu)點。但由于其濾波特性是由系統(tǒng)和濾波器的阻抗比所決定的，因而無源濾波裝置存在以下缺點：①濾波特性受系統(tǒng)參數(shù)的影響較大;②只能消除特定的幾次諧波;③諧波電流增大時，濾波器負擔隨之加重，可能造成裝置過載;④有效材料消耗多，體積大。

2、有源方式由于無源方式具有以上缺點，隨著電力電子技術的不斷發(fā)展，人們將濾波研究方向逐步轉向有源電力濾波器。與無源方式相比，有源方式具有高度可控性和快速響應性，不僅能補償各次諧波，還可抑制閃變、補償無功，有一機多能的特點，其具體特點如下：①濾波特性不受系統(tǒng)阻抗的影響，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險;②具有自適應功能，可自動跟蹤補償變化著的諧波;③通過適當?shù)目刂瓶梢杂行У囊种葡到y(tǒng)諧振。有源電力濾波器工作原理如圖2所示，通過檢測被補償對象的電流瞬時值，經(jīng)指令電流運算電路得出諧波補償電流的指令信號，控制變流器產(chǎn)生所需要的補償電流。補償電流與負載電流中要補償?shù)闹C波成份及無功電流相抵消，最終獲得所期望的電源電流。隨著0.4kV有源濾波裝置的批量生產(chǎn)，該產(chǎn)品的價格已大幅降低，可以替代傳統(tǒng)的無功補償裝置。該裝置可跟隨進線側電流變化，輸出反方向電流，既可以起到濾波作用，又可起到無功補償功能，具有響應速度快，濾波頻譜范圍大的特點，滿足地鐵諧波治理需求。

四、結論

本文結合城市軌道交通低壓系統(tǒng)的特點以及有源濾波技術的發(fā)展，從系統(tǒng)設計的角度，提出了城市軌道交通低壓配電系統(tǒng)諧波治理的措施，避免無功補償裝置對諧波的放大，同時提高系統(tǒng)濾波的效率。

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