提高城市軌道交通電能質(zhì)量的分析與研究

孫晨光

摘 要：隨著城市人口與汽車保有量的不斷上升，嚴重的道路擁堵和空氣污染令城市居民嚙雪餐氈。城市軌道交通作為服務(wù)于城市交通的核心，肩負著緩解城市交通壓力，提升城市品牌形象的艱巨使命。地鐵供電系統(tǒng)為城市軌道交通運營供給所需電能，節(jié)能降耗是現(xiàn)在地鐵供電系統(tǒng)運行中必須考慮的關(guān)鍵。由于地鐵供電系統(tǒng)中存在大量的感性設(shè)備，其產(chǎn)生的無功功率使得電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量下降，能耗降低。本文提出了提高地鐵變電所功率因數(shù)的主要方法和途徑，并進行了比較分析，從而得出節(jié)能降耗方法。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;地鐵;電能質(zhì)量;無功功率;功率因數(shù);諧波畸變

軌道交通是現(xiàn)代城市最有效的客運方式。地鐵和輕軌交通的運輸工作規(guī)模巨大，遠遠超過了其他類型城市客運的價值。上述觀點使我們得出結(jié)論，目前地下電力運輸在承載能力方面沒有真正的替代方案，是未來幾十年最有發(fā)展前景的[1-2]。

為了既有地鐵線路的節(jié)能運行，同時考慮到地鐵發(fā)展的前景，有必要保證高質(zhì)量的用電。而在供電系統(tǒng)中，功率因數(shù)（cos）和諧波畸變（THD）是描述用電效率的主要指標[3-4]。在電能質(zhì)量分析中，平均質(zhì)量指數(shù)和消耗電流的主要諧波成分可以確定地鐵供電系統(tǒng)的發(fā)展方向。提高電能質(zhì)量的主要途徑之一是采用無功補償和諧波畸變補償。

提高供電系統(tǒng)質(zhì)量是城市電力運輸?shù)闹匾獑栴}[5-6]。隨著工藝技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了無功補償和非線性高頻諧波畸變校正的新方法。本文對現(xiàn)有提高電能質(zhì)量的方法進行了比較分析比較，從而確定了最佳方案。

1 提高地鐵電能質(zhì)量的措施

1.1 同步電機

同步電機是補償無功功率的一種方法。這類機器既可以是耗電設(shè)備，也可以是無功能量的來源，這取決于其工作模式。主要的可調(diào)參數(shù)是轉(zhuǎn)子中的勵磁電流，在無勵磁情況下，電機為電網(wǎng)的有源感性負載，在過勵磁模式下，負載具有有源電容特性，即產(chǎn)生無功能量。由于長期運行模式下轉(zhuǎn)子過熱，同步電機只能在短時運行模式下產(chǎn)生最大無功功率。因此，為了保證容性電能的穩(wěn)定產(chǎn)生，有必要減小有源負載。在這種情況下，發(fā)動機不會產(chǎn)生最大無功功率。因此在每種特定情況下，使用同步電機作為無功功率補償應(yīng)該是經(jīng)濟合理的。這種補償可以被認為是有功功率產(chǎn)生無功功率的消耗。實踐表明在大功率工業(yè)電網(wǎng)中使用這種補償裝置是可取的。

1.2 電容電池

電容電池（BC）也是具有電容負載的網(wǎng)絡(luò)的無源無功元件。電容器單元根據(jù)網(wǎng)絡(luò)要求將一個或多個電容器連接到網(wǎng)絡(luò)。電容器裝置由微處理器根據(jù)從電流傳感器獲得的信息進行自動控制。該調(diào)節(jié)器通過連接或移除電容器組來避免欠補償或過補償效應(yīng)。

電容電池的主要優(yōu)點是：（1）最小有功功率損耗;（2）結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便;（3）在無功用電設(shè)備附近安裝BC的可能性，減少了無功回路，減少了加熱導(dǎo)體的損耗;（4）增加裝機功率的可能性;（5）低成本。

電容電池的缺點包括：（1）無功發(fā)電與電網(wǎng)電壓直接相關(guān);（2）負調(diào)節(jié)效應(yīng)，即當電網(wǎng)電壓下降時，BC降低輸出無功功率，使電壓下降更大;（3）運行速度極低。

1.3 靜態(tài)晶閘管補償器

20世紀下半葉電力電子技術(shù)的發(fā)展使人們有可能從通過接觸器與電網(wǎng)相連的BC向靜態(tài)晶閘管補償器（STC）過渡。這類裝置通過一對晶閘管將電容器組連接到網(wǎng)絡(luò)上，從而可以逐步調(diào)節(jié)無功功率。根據(jù)從電流和電壓傳感器接收到的信息，微控制器監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)總功率的無功分量的變化。如果超過某一水平，則電容器組被連接或斷開。

隨著全控功率開關(guān)（如GTO晶閘管和IGBT晶體管）的出現(xiàn)，無功補償技術(shù)得到了進一步的發(fā)展。新裝置被稱為STATCOM，它允許補償無功功率，提供更大的動態(tài)穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)電壓，甚至可以對抗更高的諧波。

1.4 有源濾波器

有源濾波器（APF）是一種能夠執(zhí)行多個并行任務(wù)的多功能設(shè)備。除了補償基波中的無功功率和校正高次諧波外，有源電力濾波器還可以進行相間負荷分配（消除相位不平衡），這可以顯著降低四線制系統(tǒng)中中性線與接地之間的電壓。APF對網(wǎng)絡(luò)中從主電源切換到發(fā)電機電源時可能發(fā)生的大阻抗變化不敏感。數(shù)字控制器的使用確保了功率校正系統(tǒng)的可靠性、通用性和準確性。

APF的主要技術(shù)優(yōu)勢：（1）運行速度快，高頻諧波畸變校正達50次諧波;（2）抑制電壓閃變;（3）補償問題的復(fù)雜解決方案（無功功率、高次諧波、負序電流、相位不平衡）;（4）抑制高次諧波時的多功能性。

1.5 混合濾波器

H.Akagi首先提出了混合電力濾波器在無功補償領(lǐng)域的概念。他提出將混合動力稱為無源和有源濾波器與單一控制系統(tǒng)的組合。并分配以下類型的混合濾波器：串聯(lián)有源濾波器，并聯(lián)無源濾波器;并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，串聯(lián)有源和無源濾波器等。

2 比較分析

通過對功率因數(shù)校正方法信息的比較分析，可以對某些方法的有效性進行評價。任務(wù)的復(fù)雜性在于供電系統(tǒng)的效率取決于許多因素，而改善系統(tǒng)工作的手段和方法只影響其中一個因素，而且往往對其余因素產(chǎn)生不利影響。解決這一問題的辦法是綜合、合理和優(yōu)化地應(yīng)用提高電網(wǎng)功率因數(shù)的方法和手段。

提高供電效率的組織方法，主要是由于其效率和成本效益，在某些情況下會將功率因數(shù)提高到3%～5%。此外，直流電用戶的整改方案也應(yīng)現(xiàn)代化。例如，將6脈沖電路替換為12脈沖電路，可以減少3%～4%的網(wǎng)絡(luò)電流諧波分量。無功補償和高次諧波校正的使用取決于特定用戶負載的性質(zhì)。

3 結(jié)論

提高地鐵供電系統(tǒng)功率因數(shù)的技術(shù)方法明顯超過了簡單方法。最通用的設(shè)備和最佳的電源質(zhì)量是有源濾波器。它能夠補償無功功率，消除高頻諧波畸變。根據(jù)能量效率和成本標準，最理想的方案是由有源濾波器和電容電池組成的混合濾波器。在這種情況下，電容電池補償無功功率，有源濾波器校正高頻失真，均衡相位負載，并在峰值模式下工作，可以明顯提升電能質(zhì)量。

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