地鐵供電系統(tǒng)諧波及無功功率的影響及處理

魏沖　劉超

摘 要：主要對地鐵供電系統(tǒng)諧波和無功功率的影響和處理展開了探討，并給出了一系列相應(yīng)的處理措施，以期能為有關(guān)方面的研究提供有益的參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：地鐵供電系統(tǒng)；諧波；無功功率；運行質(zhì)量

中圖分類號：U231.8 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.13.081

在地鐵的供電系統(tǒng)中，如果出現(xiàn)諧波和無功功率，則會對供電系統(tǒng)的正常運行造成極大的影響，進而對地鐵的安全運行產(chǎn)生威脅。因此，為了確保地鐵供電系統(tǒng)能正常運行，要對諧波和無功功率進行認真分析，并以此為基礎(chǔ)采取有效的措施做好諧波抑制和無功補償，從而保障系統(tǒng)的運行質(zhì)量。

1 地鐵諧波和無功功率分析

1.1 供電系統(tǒng)諧波

隨著科技的發(fā)展和人們對節(jié)能要求的提高，接入地鐵供電系統(tǒng)中的非線性電氣設(shè)備數(shù)量日益增加，其運行過程中會產(chǎn)生大量的高次諧波。諧波主要來自機車牽引裝置和車站機電設(shè)備兩部分。其中，地鐵牽引供電系統(tǒng)采用牽引整流機組向列車提供直流電源，牽引整流機組產(chǎn)生諧波電流的次數(shù)與其輸出的脈波數(shù)有關(guān)——牽引整流機組的脈波數(shù)越高，則產(chǎn)生的較低次諧波電流越小。國內(nèi)地鐵供電系統(tǒng)一般在設(shè)計時采用等效24脈波整流，產(chǎn)生的諧波主要為23次和25次諧波。實際運行中的測試數(shù)據(jù)表明，諧波含量越小，注入城市電網(wǎng)的諧波電流越能滿足公用電網(wǎng)諧波的要求。此外，地鐵供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部還存在很多諧波，在變電所0.4 kV母線側(cè)的諧波特征頻譜豐富，由多段諧波組成。諧波頻譜如圖1所示。

在圖1中，3次、5次、7次、11次、13次諧波主要來自于地鐵車站機電設(shè)備中的變頻器、UPS、開關(guān)電源和照明等大量非線性負載，23次和25次諧波電流主要由35 kV整流側(cè)流入0.4 kV。

1.2 供電系統(tǒng)無功功率

在地鐵供電系統(tǒng)中，大部分用電設(shè)備為感性負荷，而配電采用電纜線路，系統(tǒng)的整體功率因數(shù)較高。通過對國內(nèi)已投運地鐵線路的統(tǒng)計，在白天高峰期時段內(nèi)，各主變電所110 kV側(cè)的功率因數(shù)均在0.9以上，各條線0.4 kV側(cè)的平均功率因數(shù)均

在0.85以上；夜間低谷時段地鐵停運，大量感性負荷被切斷，供電電纜由于其具有的充電效應(yīng)，造成容性無功功率大量倒送回電網(wǎng)，進而導(dǎo)致功率因數(shù)嚴重下降?？紤]到城市電網(wǎng)遠期的網(wǎng)絡(luò)接線方案和系統(tǒng)運行方式均有可能發(fā)生變化，進而導(dǎo)致城市電網(wǎng)容量和諧波阻抗發(fā)生變化，加之城市電網(wǎng)存在背景諧波，一般主變電所均設(shè)置了動態(tài)無功補償和諧波綜合治理裝置（SVG），而地鐵低壓配電系統(tǒng)設(shè)備繁多，受無功功率的影響大，浪費嚴重，因此，無功功率補償也應(yīng)在0.4 kV側(cè)開展重點治理。

2 諧波的危害和無功功率的影響

諧波在地鐵供電系統(tǒng)中“流竄”、疊加甚至放大，當(dāng)諧波含量超過一定范圍時，對供電系統(tǒng)造成的主要危害有4種：①降低用電設(shè)備的工作效率、增大電能損耗；②影響電氣設(shè)備的正常工作，產(chǎn)生振動、噪聲、發(fā)熱，縮短電氣設(shè)備的壽命；③誘發(fā)電網(wǎng)諧振，使諧波放大，干擾通信系統(tǒng)的正常工作；④導(dǎo)致繼電保護和自動裝置誤動或拒動，使電氣測量儀表計量不準(zhǔn)確。

無功功率包含基波無功功率和諧波無功功率，無功功率對電網(wǎng)的影響主要有以下3個方面：①會導(dǎo)致電流增大和視在功率增加，進而使電氣設(shè)備容量和線纜容量增加；②導(dǎo)致總電流增大，進而使設(shè)備和線路的損耗增加；③導(dǎo)致線路和變壓器的電壓降增大，嚴重降低了供電質(zhì)量。

諧波和無功功率不僅造成建設(shè)投資浪費和運營成本增大，危及電網(wǎng)本身及其接入設(shè)備，嚴重時還可能影響地鐵行車安全。隨著地鐵建設(shè)的開展和運營經(jīng)驗的積累，地鐵供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量成為業(yè)界普遍關(guān)注的焦點。

3 供電系統(tǒng)諧波和無功功率的治理措施

地鐵各類用電設(shè)備均為運營服務(wù)，如何消除諧波電流和無功功率對電網(wǎng)造成的影響，為地鐵供電系統(tǒng)中的電氣設(shè)備創(chuàng)造既安全又經(jīng)濟的環(huán)境是十分重要的問題。根據(jù)上述分析，由于地鐵供電系統(tǒng)諧波和無功功率主要集中在低壓配電系統(tǒng)，因此，著重從變電所0.4 kV側(cè)對其開展治理。

為了提高供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，綜合解決諧波、無功功率問題，目前，最好的方法是選用帶有諧波治理和無功補償綜合治理功能的有源濾波裝置。有源電力濾波器（APF）是一種用于動態(tài)抑制諧波、補償無功的智能化電力電子設(shè)備，主要由諧波信號的檢測和補償兩部分組成。通過對電網(wǎng)中非線性負載產(chǎn)生的諧波進行采樣、分析，可控制功率逆變器產(chǎn)生與電網(wǎng)中諧波成分相等、方向相反的諧波電流注入電網(wǎng)，可對頻率和大小都在變化的諧波、無功功率進行補償。

有源電力濾波器的安裝位置不同，通常有特定負荷的局部補償、部分補償和集中補償三種方式。根據(jù)地鐵供電系統(tǒng)和負荷的實際情況，目前最常用的方法是在地鐵變電所0.4 kV母線側(cè)以并聯(lián)方式接入有源電力濾波器，從而集中實現(xiàn)諧波抑制并動態(tài)補償無功功率。

4 諧波和無功補償容量的計算

地鐵的各類負荷具有波動性，3次、5次、7次、11次、13次諧波根據(jù)運營時段和季節(jié)的不同，會隨低壓側(cè)設(shè)備的變化而變化，早、晚高峰時段和夏季諧波較嚴重。23次、25次諧波隨地鐵運行密度的變化而增加，初、近、遠期車輛密度不斷增大，諧波也更加嚴重。地鐵低壓配電系統(tǒng)中諧波的成分復(fù)雜，頻率大小不相同。在建設(shè)初期，電氣設(shè)計人員并不能獲取足夠的電氣設(shè)備諧波數(shù)據(jù)，很難對諧波進行精確計算。如何在設(shè)計階段合理選擇補償配置方案并確定有源濾波器的容量是電能質(zhì)量治理工作的重點。

通過對某城市運營地鐵線路的調(diào)研，在變電所0.4 kV側(cè)分別采用有源電力濾波器單濾諧波和無功補償裝置單補無功的情況下，針對不同配電變壓器的容量，變電所0.4 kV側(cè)單段母線有源電力濾波器和無功功率補償裝置分別投入的最大容量如表1所示。

式（1）（2）中：IC為系統(tǒng)諧波補償電流，即系統(tǒng)有源電力濾波器配置容量，A；Ivar為補償無功電流，A；Ur為額定電壓，kV；QC為表1中電容器補償容量，kVar；Ih為表1中APF投入容量，kVA。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)和式（1），并結(jié)合地鐵供電系統(tǒng)的測試和經(jīng)驗總結(jié)，地鐵配電變壓器正常運行的實際負荷率為0.4～0.5，電流總諧波畸變率為10%～15%.

5 結(jié)束語

綜上所述，諧波和無功功率的出現(xiàn)會對地鐵供電系統(tǒng)的運行造成極大的影響，因此，需要認真分析諧波和無功功率產(chǎn)生的原因，并及時采取有效措施對諧波和無功功率進行抑制和補償，從而保障地鐵電網(wǎng)的電能質(zhì)量，確保運營環(huán)境的安全、可靠。

參考文獻

[1]陳自滿.地鐵供電系統(tǒng)諧波電流和無功功率綜合治理方案[J].技術(shù)與市場，2014（07）.

[2]孫才勤.地鐵供電系統(tǒng)諧波無功功率的綜合治理方案[J].電氣化鐵道，2009（05）.

〔編輯：張思楠〕

Abstract： Mainly for metro power supply system harmonic and reactive power effects and processing are discussed， and gives a series of corresponding treatment measures， in order to provide a useful reference and reference for relevant research.

Key words： subway power supply system； harmonics； reactive power； running quality