城市軌道交通低壓有源濾波裝置的應用

1、引言

隨著科技的進步，城市化水平的不斷提高，城市軌道交通與人們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P。地軌道交通系統(tǒng)的用電設備繽紛復雜，其中像電力機車、空調(diào)水泵及風機、電梯、機房網(wǎng)絡設備、UPS、燈光調(diào)控系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)和其他電力電子設備分布在整個地鐵的應用現(xiàn)場。造成了惡劣的諧波環(huán)境，對保證電力系統(tǒng)和設備的安全正常運行造成了極大的威脅。本文通過對諧波問題產(chǎn)生的原因進行分析，提出切合工程實施的解決方案。

2、軌道交通存在的問題

軌道供電系統(tǒng)中主要存在以下五點問題：

（1） 軌道交通的供電系統(tǒng)是比較特殊的單相供電，這樣導致了三相的嚴重不平衡；

（2） 電鐵軌道交通供電系統(tǒng)是經(jīng)大功率整流橋整流輸出后供機車取流牽引，目前國內(nèi)電鐵機車都是采用直流斬波器作為牽引機車直流電源整流系統(tǒng)，機車牽引取流時負荷變化劇烈及快速，產(chǎn)生大量11次、13次諧波電流；

（3） 其次是站用變頻器、UPS、開關電源大量非線性負荷（3次、5次、7次等），且隨著節(jié)能的需要，變頻負荷所占比重逐年提高。變頻負荷逐年增加，其產(chǎn)生的諧波電流也在相應增加。

（4） 電力機車頻繁啟動、加速、制動使得系統(tǒng)無功快速變化，諧波存在也增加了系統(tǒng)無功的損耗，致使功率因數(shù)變化不定且低下。

（5） 根據(jù)GB50157-2003《地鐵設計規(guī)范》，地鐵動力照明供電系統(tǒng)應采用并聯(lián)電力電容器作為無功補償裝置。從理論上，該電力電容器無論在基波下還是在諧波下均表現(xiàn)為容性，因此，對于不論是來自于配電變壓器高壓側(cè)的諧波還是來自于低壓變頻負荷產(chǎn)生的諧波均會起到放大作用。其放大作用已被國內(nèi)多個地鐵系統(tǒng)的實測結(jié)果所驗證。

3、諧波產(chǎn)生的危害

（1） 影響動力電氣設備的正常工作，除了引起附加損耗外，還可使變壓器局部嚴重過熱，使電容器、電纜等設備過熱、絕緣老化、壽命縮短，嚴重時會導致變壓器燒毀、電纜放炮、電容器擊穿等故障；

（2） 會引起系統(tǒng)中局部并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，使前述的危害大大增加，甚至引起嚴重事故；

（3） 會導致電力系統(tǒng)內(nèi)繼電保護和自動裝置誤操作，如保護開關誤跳閘，導致部分線路斷電；

（4） 使電力系統(tǒng)內(nèi)計算機等精密設備無法正常工作；

4、軌道交通系統(tǒng)諧波解決方案

ANAPF有源濾波器具有動態(tài)響應速度小于20ms，濾除2-21次諧波，可以實時檢測系統(tǒng)的諧波電流，控制命令裝置發(fā)出反向相等的諧波電流，平衡系統(tǒng)諧波電流，濾除系統(tǒng)諧波電流，去除系統(tǒng)諧波電流，去除諧波損耗，穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，平衡三相電壓，補償無功損耗。

4.1 ANAPF有源濾波器主要技術特點

DSP+FPGA全數(shù)字控制方式，具有極快的響應時間 ；先進的主電路拓撲和控制算法，精度更高、運行更穩(wěn)定；一機多能，既可補諧波，又可兼補無功；模塊化設計，便于生產(chǎn)調(diào)試；便利的并聯(lián)設計，方便擴容；具有完善的橋臂過流、保護功能；使用方便，易于操作和維護。

4.2 ANAPF有源濾波器主要技術參數(shù)

4.3 ANAPF有源濾波器報價及元件清單

4.4  ANAPF有源濾波裝置在軌道交通中的應用案列

某城市軌道交通系統(tǒng)，變電系統(tǒng)的諧波治理采用集中補償方式。下圖為有源濾波裝置投入前后諧波電壓、諧波電流治理圖：

圖一 補償前電網(wǎng)波形圖	圖二 補償后電網(wǎng)波形圖
圖三 補償前5次諧波電流頻譜圖	圖四 補償后5次諧波電流頻譜圖
圖五 補償前7次諧波電流頻譜圖	圖六 補償后7次諧波電流頻譜圖
圖七 補償前功率因數(shù)波形圖	圖八 補償后功率因數(shù)波形圖

由投入濾波器前后電網(wǎng)電流波形可以清楚地看出，電網(wǎng)電流諧波絕大部分被濾除掉，波形已經(jīng)為正弦波，總電流由2343A降低為2240A，電流有效值降低4.3%；總的電流畸變率由25.2%降為3.3%，補償率達到89%，功率因數(shù)由0.95提高到0.99。對照國標電網(wǎng)諧波電流允許值可以清楚地看出，補償前各次諧波電流明顯超過國標要求數(shù)倍，補償后各次諧波電流均能達到國標要求。對于軌道交通供電系統(tǒng)，安全運行是第一位的。有源濾波器投入后，配電系統(tǒng)諧波得到了很好的抑制，提升供電系統(tǒng)的供電可靠性，消除諧波對軌道交通系統(tǒng)的供電影響，保障了城市軌道系統(tǒng)的安全運行。

5、結(jié)論

本文分析了城市軌道交通系統(tǒng)的諧波存在源、諧波特性以及危害，介紹了ANAPF低壓有源濾波器的特點以及技術參數(shù)，并通過某城市軌道交通系統(tǒng)中有源濾波器的應用案例，對比分析了有源濾波器投入前后的諧波治理情況，由有源濾波器投入前后對比圖分析對城市軌道交通進行諧波治理后改善了電能質(zhì)量，總體提升了軌道交通系統(tǒng)設備的運行效率和電力能源的使用效率。

【參考文獻】

［1］ 郭其一. 同濟大學電氣工程. 城市軌道交通系統(tǒng)混合濾波器的設計及仿真. 2009:340-343

［2］ 江蘇安科瑞電器制造有限公司產(chǎn)品手冊.2013.01.版