应用于轨道交通的滤波及无功补偿技术研究

詹占岚

(广州地铁设计研究院有限公司，广州 510010)

1 城市轨道交通配电系统电能质量现状

衡量电能质量的主要指标有频率、电压和波形。从普遍意义上讲是指优质供电，包括电压质量、电流质量等［1］。具体可以定义为导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差，包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、谐波等。轨道交通系统用电量需求大，目前国内轨道交通的电源均引自城市电网，不论轨道交通采用何种外电源供电方式，都与城市电网存在接口。因此轨道交通内部电能质量的好坏也直接影响到城市电网电能质量。影响城市轨道交通配电系统电能质量的因素如下。

1.1 低压谐波

为轨道交通列车提供牵引电能的直流牵引机组是轨道交通系统中最大的谐波源。近年来，随着国家节能减排政策的深入实践，越来越多的非线性设备应用于轨道交通的用电系统中，如变频风机、变频空调、变频扶梯、整流器、逆变器、气体放电光源等，这些都是谐波源［3］。

谐波使电网中的用电设备产生谐波损耗，降低用电设备的效率。还能使电动机过度发热而导致寿命缩短;能使电容器、电缆等过热、绝缘老化而损坏;此外谐波还能引起电网中的谐振而使谐波放大导致谐波的危害放大;还会导致保护和自动装置的误动作等［4］。

1.2 无功补偿

无功功率在供电网络的传输中不仅要产生有功功率损耗，而且还会产生电压损失，影响电能质量。为提高网络传输能力，降低网络损耗，无功电力宜采用就地平衡的原则［5］，即根据用电负荷的实际需要，采取分散、集中无功补偿。从而保证电源侧电费计量处的平均功率因数在一个合理的范围内，避免欠补或过补情况的发生。

影响城市轨道交通配电系统功率因数的因素有以下方面。

(1)牵引负荷

轨道交通的牵引负荷约占所有负荷的30%～40%，因此牵引负荷的功率因数对整个轨道交通电网功率因数影响较大。目前轨道交通系统牵引整流机组均采用24脉波整流方式［2］，正常工作时其功率因数可达0.95，但牵引机组的工作具备潮夕特性，正常运营时间内，总功率因数较高，一旦进入非运营时间，整流机组停止工作，整个电网功率因数则会下降很多。

(2)变压器和电缆

城市轨道交通车站0.4 kV变电所及牵引变电所中的变压器消耗感性无功，35 kV中压环网电缆和各回路的低压电缆都能提供一定的容性无功。由于城市轨道交通线路的车站数量众多，变压器数量亦相当大，另外35 kV中压供电网络采用环网供电，采用大量的电缆。

(3)动力及照明负荷

城市轨道交通动力及照明负荷种类多，如通风空调系统、通信信号等弱电系统、给排水、电扶梯、照明等，每个用电系统功率因数均不同，一般为0.5～0.8。其本身功率因数的高低将直接关系到城市轨道交通整个供电系统平均功率因数的高低。

2 滤波及无功补偿方式选择

随着大量电力电子装置在电网的投入运行，谐波已被公认为电力系统的“污染”和“公害”，谐波问题以及谐波的治理问题随着电力系统的发展愈来愈引起广泛的关注［7］。目前谐波治理的方法主要有无源滤波技术和有源滤波技术两种。

无源滤波装置是按照希望抑制的谐波次数专门量身制造的，采用电感、电容的调谐原理，将谐波陷落在滤波器中，以减少对电网的损害。无源滤波装置结构简单，成本较低，但是存在着难以克服的缺陷。

滤波特性受系统参数的影响较大，极易与系统或者其他滤波支路发生串并联谐振［8］。

只能消除特定的几次谐波，而对其他的某次谐波则会产生放大作用。

滤波、无功补偿、调压等要求之间有时难以协调。

谐波电流增大时，滤波器负担随之加重，可能造成滤波器过载，甚至损坏设备。

有效材料消耗多，体积大。

有源滤波技术作为一种新型的谐波治理技术，是消除谐波污染、提高电能质量的有效工具［9］，与无源滤波技术相比，有着无可比拟的优势，主要表现在:

实现了动态补偿，可对频率和大小均在变化的无功功率进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应速度。

有源滤波装置是一个高阻抗电流源，它的接入对系统阻抗不会产生影响。

当电网结构发生变化时装置受电网阻抗的影响不大，不存在与电网阻抗发生谐振的危险，同时能抑制串并联谐振。

补偿无功功率时不需要储能元件，补偿谐波时所需要的储能元件不大。

用同一台装置可同时补偿多次谐波电流和非整数倍次的谐波电流，既可以对一个谐波和无功源进行单独补偿，也可对多个谐波和无功源进行集中补偿。

当线路中的谐波电流突然增大时有源滤波器不会发生过载，并且能正常发挥作用，不需要与系统断开。

装置可以仅输出所需要补偿的高次谐波电流，不输出基波无功功率，不但减小了有源滤波器的总容量，还可以避免轻负荷时发生无功倒送现象。

而无功补偿的意义主要体现在以下4个方面［10］:降低供配电系统的损耗;提高供配电系统的利用率(增容);可以通过对功率因数的调整实现对供配电系统网络电压幅值的控制，从而稳定供配电系统的网络电压，可以降低谐波电流对供电系统的破坏作用。

无功补偿技术经历了三代:第一代为机械式投切的无源补偿装置，属于慢速无功补偿装置，在电力系统中应用较早;第二代为晶闸管投切的静止无功补偿装置(SVC)，属无源、快速动态无功补偿装置;第三代为基于电压源换流器的静止同步补偿器，亦称SVG，属有源、快速的动态无功补偿装置。

SVC采用的电力电子器件是可控硅，系统的响应时间较SVG长，响应速度慢且投入过程中会产生大量谐波。而SVG采用的电力电子器件是IGBT，响应时间迅速且投入过程中不会产生谐波，是以后无功补偿装置的发展方向。

3 有源滤波及动态无功补偿装置对电能质量改善及节能分析

电能质量分析选取广州地铁公园前站某降压变电所Ⅱ段母线，测试仪器为日本HIOKI公司的3196电力质量分析仪。通过该仪器分析得出谐波电压及谐波电流数据如表1、表2所示，功率统计见表3。

表2 谐波电流统计 A

表3 功率统计

通过对广州地铁公园前B所低压Ⅱ段母线的测试分析，发现如下电能质量问题。

0.4 kV供配电系统各项电能质量指标基本合格。但谐波电压总畸变率最大值超出国家标准，主导谐波电流为 3、5、7、11、13、17 次，其中 11、13、23、25 次主要由上级系统造成。

0.4 kV负荷基本稳定，但平均功率因数偏低，不符合无功经济运行要求。

平均负载率偏低，随着列车运行密度的不断增加，电能质量状况会更加恶化。

针对广州地铁公园前站B所Ⅱ段母线的电能质量情况，在该变电所Ⅱ段母线上安装国内某厂家生产的动态滤波补偿系统，投入该装置后测得数据见表4～表6。

表4 谐波电压(相电压)统计 %

通过对设备投入使用后的测试情况分析得出，在广州地铁公园前站B所Ⅱ段母线上投入动态滤波补偿系统后，该段母线上的3、5、7次谐波电压有明显的改善，3、5、7次谐波电流也有明显的削弱，同时对高次谐波如13、17次等也有一定程度削弱。

从电量统计报表来看，在负荷基本稳定的情况下，投入该设备后能使系统的无功电量明显降低，具有一定的节能效果。

表5 谐波电流统计 A

表6 6 d电量统计

4 结论

在城市轨道交通配电系统中使用有源滤波及动态无功补偿装置能够有效解决配电系统内的谐波影响、降低系统损耗，降低运营成本，使地铁配电系统安全、高效运行。同时还能避免设备因为谐波的危害，延长其使用寿命，减少维护成本［6］。

电能质量治理不仅对已运行的城市轨道交通线路具有重要意义，在新建设计过程中便加入电能治理的设计理念，还可以优化系统配置容量，节省初期建设投资。

［1］杨兴山，张俊明.城市轨道交通低压系统电能质量技术现状分析［Z］.低压行业商鉴，2010～2011:190-191，196.

［2］穆志光，李汉卿.轨道交通供电系统无功补偿的研究［J］.电气化铁道，2006(4):30-31.

［3］唐立春.动态无功补偿技术探讨［J］.农村电气化，2007(4):44-45.

［4］陆然.城市轨道交通变电站中的无功补偿分析［J］.天津电力技术，2011(2):12，33-34.

［5］陈宇飞.静止无功补偿装置动态无功补偿技术探讨［J］.供用电，2007(3):63-65.

［6］广州地铁设计研究院有限公司.广州地铁电能质量治理研究成果报告［R］.广州:广州地铁设计研究院有限公司，2009.

［7］张坤.有源滤波器在谐波抑制中的应用［J］.科技广场，2008(7):225-227.

［8］顾竞梅.有源电力滤波器在谐波治理中的应用［J］.电工技术，2008(3):43-46.

［9］李战鹰，任震，杨泽明.有源滤波装置及其应用研究综述［J］.电网技术，2004(22):44-47.

［10］荆锴.电力系统谐波检测与治理问题研究［D］.济南:山东大学，2009.