地鐵電力系統(tǒng)如何治理諧波提升電能質(zhì)量？

摘要：作為國家提出的綠色電網(wǎng)、節(jié)能降耗已成為現(xiàn)代化企業(yè)努力的目標(biāo)，也是企業(yè)急需解決的問題。作為地鐵車站這類市政公共交通建筑的著重系統(tǒng)——配電系統(tǒng)。實現(xiàn)綠色電網(wǎng)實質(zhì)上是解決電網(wǎng)中存在的各種電能問題，主要是涉及到諧波與無功問題兩個方面，就某條地鐵線目前的電力系統(tǒng)狀態(tài)而言，其在低壓配電系統(tǒng)中裝設(shè)有源電力濾波器進(jìn)行諧波治理，但APF實際未投入。系統(tǒng)中的諧波問題仍然存在，因此需對該站點進(jìn)行詳細(xì)的測試，同時為該線路的有源電力濾波器APF進(jìn)行必要性評估，對后續(xù)新開線路的有源濾波器設(shè)置提出參考意見。

關(guān)鍵詞：地鐵負(fù)載；電能質(zhì)量；諧波治理；無功補(bǔ)償

0、地鐵電能質(zhì)量分析

目前城市軌道交通普遍存在的主要電能質(zhì)量問題就是功率因數(shù)、電壓波動與閃變及諧波問題等。當(dāng)前35KV和0.4KV大量使用電纜，夜晚期間一般所有的負(fù)荷基本停運(yùn)，由于該用電負(fù)載多數(shù)為感性負(fù)荷，此時感性無功基本接近為零，產(chǎn)生的容性無功甚至可以達(dá)到幾Mkvar。若無功功率倒送進(jìn)電力系統(tǒng)，會導(dǎo)致線路電壓升高，同時也會導(dǎo)致功率因數(shù)降低。地鐵中電力機(jī)車屬于典型的非線性負(fù)荷，由于運(yùn)行過程中啟停頻繁，短時間內(nèi)會產(chǎn)生沖擊性負(fù)載電流，此類沖擊會造成電壓的波動與閃變。

1、主要研究內(nèi)容

以廣東某地鐵站為例，由于該地鐵站高壓側(cè)110kV和35kV無功及諧波方面已經(jīng)治理，本篇文章主要突出治理0.4KV低壓設(shè)備的無功及諧波等相關(guān)問題。線路阻抗隨著頻率的升高而增加，諧波電流使線路的附加損耗增加，而供電電網(wǎng)的損耗大部分為變壓器和線路的損耗，所以諧波是導(dǎo)致電網(wǎng)網(wǎng)損增加的一個重要因素。線路的分布電感和對地電容與產(chǎn)生諧波的設(shè)備組成串聯(lián)或并聯(lián)回路，在一定的參數(shù)條件下，會發(fā)生串聯(lián)諧振或并聯(lián)諧振，而且所產(chǎn)生的諧振過電壓和過電流對相關(guān)設(shè)備的危害性較大。(此情況一般出現(xiàn)在高壓環(huán)境下，在0.4KV低壓環(huán)境中由于線路和變壓器的分布電容過小，一般忽略不計）在適當(dāng)?shù)臈l件下還會形成諧波放大，而諧波電壓、電流放大會引起繼電保護(hù)裝置誤動甚至損壞，造成電力火災(zāi)。同時諧波電流對線纜的肌膚效應(yīng)會造成線纜發(fā)熱過量，絕緣強(qiáng)度降低，造成電纜損耗增加，壽命縮短，額定容量降低。同時諧波電流還會導(dǎo)致系統(tǒng)的運(yùn)行威脅導(dǎo)致不安全因素的出現(xiàn)，嚴(yán)重時會影響甚至是中斷生產(chǎn)工作的進(jìn)行[3]。故本公司組織針對地鐵站低壓配電室的1#和2#變壓器進(jìn)行了測試。同時對地鐵系統(tǒng)中負(fù)載主要為照明、空調(diào)、泵機(jī)類、電梯、信號電源、UPS等設(shè)備進(jìn)行開啟有源濾波APF和不開啟有源APF情況下進(jìn)行測試，對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，選出合適的型號的治理設(shè)備，同時計算該設(shè)備選擇的節(jié)能性。

2、測試數(shù)據(jù)及分析

（1）測試說明

本次測試主要針對廣東某地鐵站低壓配電室的1#和2#變壓器進(jìn)行了測試。系統(tǒng)中負(fù)載主要為照明、空調(diào)、泵機(jī)類、電梯、信號電源、UPS等設(shè)備，開關(guān)電源的啟動瞬間形成電流沖擊，和其它設(shè)備在運(yùn)行過程中會對系統(tǒng)產(chǎn)生諧波電流污染。該系統(tǒng)中各變壓器的負(fù)荷性質(zhì)決定了在其運(yùn)行的過程中會產(chǎn)生諧波電流并匯入配電網(wǎng)中對配電系統(tǒng)造成一定的諧波污染問題，系統(tǒng)中存在的節(jié)能照明在運(yùn)行過程中產(chǎn)生3次諧波電流，3次諧波電流為零序諧波電流，三相矢量角度一致，存在N線上諧波電流的疊加情況，N相電流是相線的3倍，本次測試主要是針對這些問題進(jìn)行的。根據(jù)工程實踐經(jīng)驗，諧波電流會導(dǎo)致系統(tǒng)的運(yùn)行威脅同時還會造成電纜的額外發(fā)熱并加速電纜的絕緣老化導(dǎo)致不安全因素的出現(xiàn)，嚴(yán)重時會影響甚至是中斷生產(chǎn)工作的進(jìn)行。

（2）測試方法

在現(xiàn)場工作人員的配合下對共計2臺變壓器（1#變壓器和2#變壓器）進(jìn)行了詳細(xì)的電能質(zhì)量測試，本次方案的目標(biāo)是完全減少系統(tǒng)中諧波電流污染的問題尤其是3N次諧波電流疊加導(dǎo)致N線電流變大問題，同時N線電流變大容易導(dǎo)致電氣火災(zāi)的發(fā)生，因此在整個用電系統(tǒng)中對于電流數(shù)據(jù)的采集較為重要。在方案制定時將會根據(jù)測試值對現(xiàn)場治理設(shè)備進(jìn)行設(shè)計選型，保證系統(tǒng)中諧波電流的濾除。測試時每個測試點均進(jìn)行了24小時的監(jiān)測能夠明確整個周期內(nèi)的典型電能質(zhì)量狀況。

（3）測試數(shù)據(jù)及分析

1) 1#變壓器低壓側(cè)測試數(shù)據(jù)

1#測試數(shù)據(jù)表

通過上述測試數(shù)據(jù)分析得出，電壓畸變率波動在1.2%~1.4%之間，電流畸變率為10%~15%左右，系統(tǒng)基波電流值約為500A，電流畸變頻譜表明其中3次、5次、7次和11次諧波電流為主，總的諧波電流值約為125A，N線電流主要為3次諧波電流的疊加導(dǎo)致。需要選擇的輸出治理電流每相至少在125A以上，N線輸出能力為相線的3倍，可解決中線諧波電流疊加的問題。該變壓器容量為1250kVA，現(xiàn)有地鐵車站的濾波器設(shè)計中考慮到功率因數(shù)提高至0.92的要求，因此在濾波的同時需要考慮留有一定容量進(jìn)行無功補(bǔ)償，一般按照變壓器容量的30%進(jìn)行無功補(bǔ)償配置。

2) 2#變壓器低壓側(cè)測試數(shù)據(jù)

2#測試數(shù)據(jù)表

通過上述測試數(shù)據(jù)分析出，電壓畸變率波動在1.4%~1.5%之間，電流畸變率為10%~20%左右，系統(tǒng)基波電流值約為500A，電流畸變頻譜表明其中3次、5次、7次和11次諧波電流為主，總的諧波電流值約為100A，N線電流主要為3次諧波電流的疊加導(dǎo)致。需要選擇的輸出治理電流每相至少在100A以上，N線輸出能力為相線的3倍，可解決中線諧波電流疊加的問題。該變壓器為1250kVA的變壓器，現(xiàn)有地鐵車站的濾波器設(shè)計中考慮到功率因數(shù)提高至0.92的要求，因此需要考慮留有一定容量進(jìn)行無功補(bǔ)償，一般按照變壓器容量的30%進(jìn)行無功補(bǔ)償配置。

3、三次諧波問題相應(yīng)闡述

（1）三次諧波的概念及不良影響

對周期性非正弦電量進(jìn)行傅里葉級數(shù)分化，可得到頻率為基波整數(shù)倍的電量，這些電分量被統(tǒng)稱為諧波。其中，頻率為基波三倍的電量被稱為三次諧波。在社會的高速發(fā)展下，民眾與社會對于電能的需求量與日俱增，對電能質(zhì)量的要求也日漸提高。隨著種類豐富的電子設(shè)備在民眾生活中的廣泛普及，其中具有非線性負(fù)荷特性的電子設(shè)備也使電力系統(tǒng)中的電壓、電流狀態(tài)出現(xiàn)了一些改變。在利用傅里葉級數(shù)分化分析電壓、電流波形時，便會發(fā)現(xiàn) 50Hz、220V電力中存在一些150Hz交流的正弦波，即頻率50Hz的三倍的“三次諧波”。伴隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，非線性負(fù)載的數(shù)量占比越來越多，其在工作時三次諧波占比較大。這種不良現(xiàn)象除了會增加整體電力系統(tǒng)的耗損，更會致使中性線線負(fù)載變大，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)整體的安全性以及穩(wěn)定性，甚至?xí)l(fā)一系列的安全事故。另外三次諧波使電網(wǎng)出現(xiàn)發(fā)熱的狀況，嚴(yán)重時引發(fā)安全事故；對電子元器件日常的使用和運(yùn)行產(chǎn)生不良影響，致使其產(chǎn)生錯誤操作；嚴(yán)重縮短電力設(shè)施使用壽命。三次諧波不僅僅會產(chǎn)生諸多危害，更會對電網(wǎng)整體的穩(wěn)定性以及安全性產(chǎn)生嚴(yán)重的不良影響，進(jìn)而影響民眾的日常生產(chǎn)、生活有關(guān)活動、行為以及社會的和諧發(fā)展。所以，有關(guān)部門應(yīng)當(dāng)采取合理措施，減少乃至避免三次諧波的危害。

（2）對三次諧波治理的合理建議

對于單相整流電路非線性負(fù)荷而言，傳統(tǒng)的無源濾波器并不適用。這主要是由于其濾波效果較差，同時還會生成較大容性無功，而這部分容性無功既是非線性負(fù)荷不會用到的，也是整體電網(wǎng)所不需要的。因此，有關(guān)部門應(yīng)當(dāng)采用有源濾波器進(jìn)行治理。在單獨使用此類濾波器對線路中諧波電流進(jìn)行檢測的時候，能夠生成將其抵消的補(bǔ)償類電流。然而從整體效果上來看，此類濾波器只能夠確保安裝部位上游的諧波電流變小，卻不能對下游線路產(chǎn)生效果。所以，當(dāng)對上述特征加以了解后，便能夠針對性地處理三次諧波污染，即將有源的濾波器安裝到存在三次諧波的下游線路中。除此之外，經(jīng)過多年實踐可知，當(dāng)濾波器距離三次諧波電流源頭越近，其防治的效果越好。與此同時，若三次諧波的過濾器為并聯(lián)形式，也能夠降低三次諧波的電壓，所以，將三次諧波的濾波器并聯(lián)于非線性的負(fù)荷比較大供電點處時，能夠?qū)⑷沃C波影響的危害控制在較低。

4、諧波治理整體解決方案

（1）有源電力濾波器的工作原理

有源電力濾波器的工作原理如圖1所示，主要由負(fù)載電流分離、指令電流調(diào)節(jié)、輸出電流控制、驅(qū)動電路以及主電路組成。它采用電流型變流器，經(jīng)連接電抗器接入系統(tǒng)，通過調(diào)整交流側(cè)逆變輸出電壓的瞬時幅值與相位，或直接控制交流側(cè)輸出電流，使裝置發(fā)出或吸收寬頻譜無功功率?；?a target="_blank">電力電子的有源電力濾波器裝置并聯(lián)于電網(wǎng)中，相當(dāng)于一個可控的無功及諧波電流源，其無功及諧波電流可以快速地跟隨負(fù)荷無功電流的變化而變化，自動補(bǔ)償電網(wǎng)系統(tǒng)所需無功及諧波，并且可以實現(xiàn)從感性無功到容性無功的全范圍補(bǔ)償，同時對電網(wǎng)電壓進(jìn)行動態(tài)穩(wěn)定調(diào)節(jié)。

圖1 有源電力濾波器工作原理圖

（2）有源電力濾波器的工作原理

有源電力濾波器采用模塊化插拔式設(shè)計，集三相不平衡治理、諧波制止和無功補(bǔ)償功能為一體，方便運(yùn)維人員安裝拆卸，同時也方便將來用電負(fù)荷發(fā)生變化擴(kuò)展補(bǔ)償容量。

該有源濾波裝置主要特點有以下幾個方面：

1）補(bǔ)償方式靈活：既可補(bǔ)諧波，又可兼補(bǔ)無功，可對2-51次諧波進(jìn)行全補(bǔ)償或指定特定次諧波進(jìn)行補(bǔ)償，同時可治理三相不平衡問題；

2）線性補(bǔ)償，全響應(yīng)時間≤5ms；

3）具有人性化的人機(jī)交互界面，可通過該界面看到系統(tǒng)和本體的實時電能質(zhì)量信息，操作簡單，可以遠(yuǎn)控，也可以本控；

4）采用DSP高速檢測和運(yùn)算的數(shù)字控制系統(tǒng)和進(jìn)口IGBT，功率密度大，可靠性高；

5）監(jiān)控以及顯示具備遠(yuǎn)程通訊接口，可以通過PC機(jī)實時監(jiān)控；

6）標(biāo)準(zhǔn)模塊化設(shè)計，縮短交付周期，同時提高了使用的可靠性和可維護(hù)性。

有源電力濾波器可采用壁掛和整柜方式安裝，同時可實現(xiàn)集中和就地治理，如圖2所示的產(chǎn)品，給安裝、 維護(hù)及日后升級帶來了便捷，提高了整體的安裝效率。

圖2 有源電力濾波器產(chǎn)品示意圖

5、案例分析

（1）項目背景

廣東某地鐵改造項目，系統(tǒng)中負(fù)載主要為照明、空調(diào)、泵機(jī)類、電梯、信號電源、UPS等設(shè)備，開關(guān)電源的啟動瞬間形成電流沖擊，和其它設(shè)備在運(yùn)行過程中會對系統(tǒng)產(chǎn)生諧波電流污染。其諧波主要包括3、5、7、9次；不進(jìn)行合理治理，將對其他電氣設(shè)備產(chǎn)生危害，如：大量的3次諧波造成中線過熱甚至發(fā)生火災(zāi)；大量諧波造成變壓器局部嚴(yán)重過熱；繼電保護(hù)發(fā)生誤動作等。

（2）治理方案

根據(jù)以往測量經(jīng)驗進(jìn)行諧波分析與估算，諧波主要由UPS和一些非線性直流電源產(chǎn)生，該項目有1#、2#兩個配電站，1#配電站有2臺800kVA的變壓器，2#配電站有2臺1000KVA的變壓器，分別采用集中治理方案，在每臺變壓器下加裝ANAPF系列有源電力濾波器，由于安裝空間有限，選擇我司壁掛式有源電力濾波器進(jìn)行嵌入式安裝，1#配電站中#1和#2變壓器下安裝型號均為ANAPF75-380/BBL，2#配電站中#1和#2變壓器下安裝均為2臺型號為ANAPF60-380/BBL的有源電力濾波器并機(jī)使用，保障了整個供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（3）治理效果

圖3 治理之前電流波形和各次諧波電流畸變率

圖4 治理之后電流波形和各次諧波電流畸變率

治理前電流波形發(fā)生畸變，三相電流畸變率分別為10.8%、11.1%、12.5%；在加裝ANAPF系列有源電力濾波器后電流波形趨向正弦波，各次諧波得到制止，電流畸變率明顯降低，三相電流畸變率降至4.0%、4.1%、4.4%。

（4）安裝現(xiàn)場

6、結(jié)論

本文主要地鐵負(fù)載電能質(zhì)量治理方案的相關(guān)內(nèi)容，通過對地鐵電能質(zhì)量方面出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，并結(jié)合電能質(zhì)量相應(yīng)測量數(shù)據(jù)，給出相應(yīng)的治理方案。再結(jié)合廣東某地鐵電能質(zhì)量改造項目案例，并通過現(xiàn)場實際應(yīng)用證明了濾波器設(shè)備的實用性，驗證了有源濾波器設(shè)備可快速地治理無功及諧波電流，并且解決地鐵用電負(fù)荷增長帶來的電能質(zhì)量惡化問題，對地鐵電子設(shè)備、儀器儀表的計量和整體供電能力、安全運(yùn)行及經(jīng)濟(jì)效益具有重要的意義。

審核編輯 黃昊宇