城市軌道交通低壓有源濾波裝置的應(yīng)用

1、引言

隨著科技的進(jìn)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(guān)。地軌道交通系統(tǒng)的用電設(shè)備繽紛復(fù)雜，其中像電力機(jī)車、空調(diào)水泵及風(fēng)機(jī)、電梯、機(jī)房網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(shè)備分布在整個地鐵的應(yīng)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(shè)備的安全正常運(yùn)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(jìn)行分析，提出切合工程實(shí)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(diǎn)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(dǎo)致了三相的嚴(yán)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(jī)車取流牽引，目前國內(nèi)電鐵機(jī)車都是采用直流斬波器作為牽引機(jī)車直流電源整流系統(tǒng)，機(jī)車牽引取流時負(fù)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(guān)電源大量非線性負(fù)荷（3次、5次、7次等），且隨著節(jié)能的需要，變頻負(fù)荷所占比重逐年提高。變頻負(fù)荷逐年增加，其產(chǎn)生的諧波電流也在相應(yīng)增加。

（4） 電力機(jī)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(shè)計(jì)規(guī)范》，地鐵動力照明供電系統(tǒng)應(yīng)采用并聯(lián)電力電容器作為無功補(bǔ)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(fù)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(shí)測結(jié)果所驗(yàn)證。

3、諧波產(chǎn)生的危害

（1） 影響動力電氣設(shè)備的正常工作，除了引起附加損耗外，還可使變壓器局部嚴(yán)重過熱，使電容器、電纜等設(shè)備過熱、絕緣老化、壽命縮短，嚴(yán)重時會導(dǎo)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(yán)重事故；

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

（4） 使電力系統(tǒng)內(nèi)計(jì)算機(jī)等精密設(shè)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(yīng)速度小于20ms，濾除2-21次諧波，可以實(shí)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(bǔ)償無功損耗。

4.1 ANAPF有源濾波器主要技術(shù)特點(diǎn)

DSP+FPGA全數(shù)字控制方式，具有極快的響應(yīng)時間 ；先進(jìn)的主電路拓?fù)浜涂刂扑惴ǎ雀摺⑦\(yùn)行更穩(wěn)定；一機(jī)多能，既可補(bǔ)諧波，又可兼補(bǔ)無功；模塊化設(shè)計(jì)，便于生產(chǎn)調(diào)試；便利的并聯(lián)設(shè)計(jì)，方便擴(kuò)容；具有完善的橋臂過流、保護(hù)功能；使用方便，易于操作和維護(hù)。

4.2 ANAPF有源濾波器主要技術(shù)參數(shù)

4.3 ANAPF有源濾波器報(bào)價及元件清單

4.4  ANAPF有源濾波裝置在軌道交通中的應(yīng)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(bǔ)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(bǔ)償前電網(wǎng)波形圖	圖二 補(bǔ)償后電網(wǎng)波形圖
圖三 補(bǔ)償前5次諧波電流頻譜圖	圖四 補(bǔ)償后5次諧波電流頻譜圖
圖五 補(bǔ)償前7次諧波電流頻譜圖	圖六 補(bǔ)償后7次諧波電流頻譜圖
圖七 補(bǔ)償前功率因數(shù)波形圖	圖八 補(bǔ)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(bǔ)償率達(dá)到89%，功率因數(shù)由0.95提高到0.99。對照國標(biāo)電網(wǎng)諧波電流允許值可以清楚地看出，補(bǔ)償前各次諧波電流明顯超過國標(biāo)要求數(shù)倍，補(bǔ)償后各次諧波電流均能達(dá)到國標(biāo)要求。對于軌道交通供電系統(tǒng)，安全運(yùn)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(yùn)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(diǎn)以及技術(shù)參數(shù)，并通過某城市軌道交通系統(tǒng)中有源濾波器的應(yīng)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(jìn)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(shè)備的運(yùn)行效率和電力能源的使用效率。

【參考文獻(xiàn)】

［1］ 郭其一. 同濟(jì)大學(xué)電氣工程. 城市軌道交通系統(tǒng)混合濾波器的設(shè)計(jì)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