滤波和无功补偿装置在地铁行业中的应用

王勇

电网中的电力负荷如电动机、变压器等，大部分属于感性电抗，在运行过程中需要向这些设备提供相应的无功功率。在电网中安装并联电容器、同步调相机等容性设备以后，可以供给感性电抗消耗的部分无功功率小电网电源向感性负荷提供无功功率、也即减少无功功率在电网中的流动，因此可以降低输电线路因输送无功功率造成的电能损耗，改善电网的运行条件。

本文以地铁行业为例，阐述了滤波和无功补偿装置的作用，谐波产生的原因及解决谐波的方案。

1 供电系统

供电系统采用集中110/35 kV两级供电方式，每条线设两座110/35 kV主变电所，牵引变电所:电动车组通过AC35 kV/DC 1 500 V架空接触网受电，降压变电所:35 kV/400 V车站动力照明供电，降压所400 V侧采用单母线分段接线方式，两段母线之间设母联断路器。

2 对于已经投运10年的降压变电所

2.1 谐波的来源

1 )高压侧:35 kV侧牵引变电所24脉冲整流机组产生23，25次谐波。2)低压侧:变频自动扶梯、UPS、电子整流器、软启动器。

三相非线性负荷产生的5，7，11，13等次谐波，单相非线性负荷产生的3，9等次谐波。

35 kV侧电压谐波实测值:电压畸变率95%的概率大值超过标准规定的3%上限(见表1)。

表1 35 kV侧电压谐波实测值 %

400 V侧电压谐波实测值:最大值已经超标(见表2)。

400 V侧电流谐波实测值:总谐波电流95%概率大值60 A，主要是3，5，7，11，13，23，25次谐波(见表3)。

2.2 谐波造成的主要问题

1 )低压电容器损坏:以前设计的低压无功补偿装置没有抗谐波能力(没有串联电抗器)，谐波流入电容器造成电容器长期过载运行而损坏，尤其在引发共振的情况下，电网无法安全供电。2)损耗增加:谐波流经电缆因集肤效应造成损耗增加电缆过热，谐波流经变压器因磁滞和涡流效应造成的铜损和铁损导致温升增加，噪声增大用户有功损耗增加，支付更多电费。3)断路器误动作，过载保护提前启动;发热增加，熔丝提前熔断。4)直接影响马达的转矩的大小和规律性，降低马达性能。5)需要采用更大截面的电缆和导线。6)零点电位飘移，三相电压不平衡。7)损坏敏感的控制设备，如:控制用PLC误动和损坏、仪表错误显示。8)干扰电子通讯。

表2 400 V侧电压谐波实测值 %

表3 400 V侧电流谐波实测值 A

3 对于目前的降压变电所

1 )高压侧:35 kV侧牵引变电所24脉冲整流机组产生23次，25次谐波，车辆密度将大大增加:从以前车辆间隔5 min(每小时12对)提高到间隔2 min(每小时30对)，因此谐波将成倍增加。

2 )低压侧:a.变频自动扶梯;b.UPS;c.电子整流器;d.根据节能减排20%的目标，变频器取代软启动器，新增变频排热风机，变频回排风机，变频空调箱，单台变频功率22 kW，45 kW，90 kW不等，每个车站将新增6台～8台变频装置，新增变频总功率在300 kW左右。

若新增300 kW变频装置按照40%谐波含量考虑，则新增谐波电流量=300×1 000×40%/(1.732×400×0.90)=193 A，需要重新考虑谐波的影响。

综上所述，谐波来自电网35 kV侧，无功补偿装置需要避免串联谐振。因为串联谐振在共振频率下呈现极低阻抗，即使很低的谐波电压也将会产生非常大的谐波电流。谐波来自400 V低压负荷侧，无功补偿装置需要避免并联谐振。因为并联谐振在共振频率下呈现极高阻抗，即使很低的谐波电流也将会产生非常大的谐波电压。

4 滤波和无功补偿低压400 V解决方案对比

4.1 无源滤波器

无源滤波器实现滤波和无功补偿功能。

1 )优点:a.40%～50%左右谐波被滤除;b.价格相对便宜。

2 )缺点:a.需要为每一种谐波单独配置一套调谐滤波器(无法滤除35 kV侧耦合来的高次谐波);b.滤多次谐波需要更多安装空间;c.易因过载而退出运行;d.无法扩展;e.滤波效率低且受电网参数的影响;f.如果形成新的谐振将带来严重后果;g.总是伴随产生无功补偿(不适合功率因数高但谐波分量大的交流变频负荷)。

4.2 有源滤波器

有源滤波器实现滤波和无功补偿功能。

1 )优点:a.95%以上谐波被滤除;b.能同时滤除2次～50次谐波中15种不同谐波;c.可滤除相线和零线谐波(单相节能灯，电子整流器);d.根据设定目标功率因数产生无功电流，实现无级补偿(无浪涌);e.通过设定可用于改善相不平衡;f.不会形成新的谐振;g.不会过载，易于扩展。

2 )缺点:价格高昂。

4.3 有源滤波器+调谐电容柜

有源滤波器实现滤波功能和调谐电容柜实现无功补偿功能。

优点:1)95%以上谐波被滤除;2)能同时滤除2次～50次谐波中15种不同谐波;3)可滤除相线和零线谐波(单相节能灯，电子整流器);4)调谐电容柜根据设定目标功率因数进行补偿;5)有源滤波器通过设定可用于改善相不平衡;6)不会形成新的谐振; 7)不会过载，易于扩展;8)价格适中。

5 结语

在正常情况下，用电设备不但要从电源取得有功功率，同时还需要从电源取得无功功率。如果电网中的无功功率供不应求，用电设备就没有足够的无功功率来建立正常的电磁场，这些用电设备就不能维持在额定情况下工作，用电设备的端电压就要下降，从而影响用电设备的正常运行。但是从发电机和高压输电线供给的无功功率远远满足不了负荷的需要，所以在电网中要设置一些无功补偿装置来补偿无功功率，以保证用户对无功功率的需要，这样用电设备才能在额定电压下工作。无功补偿是把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在同一电路，能量在两种负荷之间相互交换。这样，感性负荷所需要的无功功率可由容性负荷输出的无功功率补偿。

［1］ 杨帮文.实用电源电路集锦［M］.北京：电子工业出版社，2010.

［2］ 王水平，付敏江.开关稳压电源概述［EB/OL］.中国电子网.www.ec66.com.

［3］ 路秋生.采用UC3854的有源功率因数校正电路工作原理与应用［Z］.北京信息职业技术学院，2010.

［4］ 毛明平，吴志红，陶生桂.有源功率因数校正技术在开关电源中的应用研究［J］.通信电源技术，2009(3)：55-56.