簡述地鐵供電系統諧波的分析及治理

白永輝

摘要：城市軌道交通供電系統的負荷變化很大，容易引發電壓問題及頻率問題，產生大量諧波，對供電系統的運行穩定性造成不良影響，所以對供電系統諧波抑制措施進行詳細探究十分重要。本文采用仿真建模方法，對城市軌道交通供電系統諧波進行分析，并對城市軌道交通供電系統諧波抑制方法進行詳細探究，以期保障城市軌道交通供電系統的穩定運行。

關鍵詞：軌道供電系統；電力諧波；分析及措施

一、軌道交通供電系統電力諧波分析

軌道交通車輛追求的目標是安全、快捷、舒適，對牽引供電系統的發展方向是可靠、節能、環?！，F在城市交通供電系統網對軌道交通系統采用分散供電方式、集中供電方式和混合供電方式，由于我國的供電系統起步晚、供電方式不完善，出現了很多問題。軌道交通牽引供電系統采用整流設備向電動車組提供其所需直流電源，形成諧波源，由于牽引整流裝置、整流逆變裝置和照明裝置的廣泛應用，導致軌道供電系統產生大量諧波。在軌道交通供電系統中，很大部分的非線性負荷投入使用，不僅吸收大量基波，將部分功率轉變為諧波功率注入系統，成為系統的諧波源，成為產生諧波的根本原因。當諧波超過一定范圍，會對電力供電系統、城市軌道交通的照明系統等供電系統產生嚴重危害。

二、地鐵供電系統諧波電流和無功功率的危害

1. 在諧波電流方面

地鐵供電系統在運營時會產生諧波電流，通常情況下，供電系統中的牽引變電所的整流機組降壓整流方式主要為兩種，分別為12脈波整流與24脈波整流，在機組降壓整流后，出現的諧波電流有5、11、23與25次。在社會經濟穩定發展的背景下，地鐵供電系統中使用的用電設備多為低壓與高節能類型的，其中變頻裝置的應用具有廣泛性與普遍性，在此基礎上，低壓配電系統中的諧波畸變更為嚴重。照明系統的運行形式為電子整流器，在此期間諧波出現的次數為3次；空調與電梯的運行，在此期間諧波出現的次數為5、7次。

諧波電流危害主要體現在影響著地鐵供電系統的電流，會使其出現疊加與流竄，在此基礎上，電流會逐漸放大，進而直接影響著地鐵供電系統的安全性。同時，它也威脅著電力系統的安全，諧波污染會影響整個城市的電力系統。諧波電流的具體危害為：疊加與流竄的電流會使電容器持續加熱，在長時間后，電容器的熱度便會超過安全界線，此時電容器會出現老化的問題，其使用時間也將縮短，進而電容器極易出現擊穿故障；在電流增大的基礎上，供電系統中的線路損耗會逐漸增加，其中的變壓器額定容量也會不斷降低；同時，諧波電流影響著系統的保護裝置，局部停電的情況將更為普遍，它也影響著系統的電機，振動與噪音的問題將更加嚴重，電機的使用時間將大幅度的縮短。

2. 在無功功率方面

地鐵供電系統在運營時，用電設備的用電負荷為感性負荷，此時用電負荷的性質與功率因數均存在差異，地鐵供電系統極易出現無功功率，無功效應也隨之出現。無功功率的危害主要是提高了地鐵運營的成本，制約著節能環保目標的實現。

三、城市軌道交通供電系統諧波抑制方法

1.電力系統諧波抑制措施

在進行城市軌道交通供電系統諧波抑制過程中，可以采用以下三種方法：①受端治理措施：這一治理措施指的是在進行諧波抑制時，選擇科學合理的供電方式，提升供電系統設備抵御諧波的能力，盡量避免電容對諧波放大，提升諧波保護水平。在受端治理措施的實際應用中，通過應用各種諧波抑制措施，有利于改善供電系統設備使用性能。②主動治理措施。這一諧波抑制措施指的是通過增加變流裝置的相數、改變諧波源工作方式或者采用PWM技術等措施，雖然主動治理能抑制諧波的產生，但是由于非線性元件種類繁多復雜，單獨依靠主動治理不可能完全消除諧波。③被動治理措施。被動治理措施指的是在軌道交通諧波抑制過程中，采用外加設備的方式，具體而言，可以采用有源濾波器或在諧波源并聯無功補償裝置聯合運行。

2.建立新型整流變壓器架構

新型地鐵牽引供電系統是在感應濾波的技術基礎上，改變整流變壓器兩套閥側接法，由原來的Y型/△型接法改變為延邊三角形聯結法。在延邊三角形公共繞組抽頭的位置連接濾波裝置，改變公共繞組設計實現零阻抗繞組，借助濾波器給出的短路通路使得閥側特定次諧波可直接通過，避開變壓器鐵芯進入網側這一環節，阻斷諧波電流的傳輸和擴散。整流變壓器的接法選用一次側接Y型，二次側兩套繞組選用D聯結，借助繞組方式改變產生電壓相位差，兩套繞組依次和整流器連接形成12脈波整流，使變壓器鐵芯中諧波電流磁勢倍數達到12（K±1）（K=1，2，3）次。新型整流變壓器閥側接線電壓移相角為±15°，兩組線電壓差角為30°，形成12脈波換相整流變壓器；兩組閥側繞組的匝數比一樣，使制造更容易。

3.新型整流濾波器諧波抑制方法

濾波方案主要是通過改變繞組連接方式，在閥側公共繞組抽頭位置連接5次、7次、11次和13次特征諧波濾波器，相應頻次的諧波濾波器產生的支路阻抗是零，使得諧波電流通路短路。在供電系統實際運行過程中，如果諧波電流流經延邊繞組，不通過原邊繞組，并且直接經過濾波器支路短路，則會使得延邊繞組和公共繞組上因諧波電流而產生的諧波磁勢相均衡，有效地將閥側諧波和網側繞組阻隔。在進行變壓器繞組設計時，只需合理布設公共繞組便可將繞組阻抗設計為零。在實際變壓器設計過程中，精確的零阻抗設計一般難以實現，但只需合理設計公共繞組等效阻抗不超過網側繞組等效阻抗的5%，便可滿足工業設計需求。

4.電氣化軌道交通諧波抑制措施

現如今，科學技術發展迅速，在城市軌道交通建設中，電氣化軌道交通發展迅速，同時對于電氣化軌道交通供電系統電能質量的要求也越來越高?，F如今，對于電氣化軌道交通諧波抑制，可以采用以下方法：①采用新型的交-直-交型電力機車，更換既有的交-直型電力機車。交-直-交型電力機車所采用的是四象限脈沖變流器，而逆變器采用的是PWM控制方式，因此諧波含量比交-直型電力機車諧波含量有了明顯的減少。②主變壓器的牽引繞組上直接安裝無功補償裝置，在補償裝置實際安裝過程中，對于電容器以及電抗器，采用串聯的連接方式，其中，電容器能夠有效提供容性超前無功功率補償感性負載消耗的滯后無功功率，從而促進功率因數的提高。③嚴格執行諧波國家標準，加強對諧波源的監測分析?？稍谧冸娝鶅仍O置電能質量監測分析裝置，及時關注牽引變電所內電能質量的各項指標。

5.利用動態無功補償技術

在科學技術水平不斷提升的背景下，地鐵供電系統的無功功率問題得到了廣泛的關注，為了實現對此問題的有效解決，相應的技術得到了研究，并將技術進行了應用，以此保證了供電系統的穩定性、安全性與可靠性。動態無功補償技術的作用是顯著的，通過動態無功補償裝置的運用，促進了相應技術作用的發揮，并使該技術得到了發展。

動態無功補償技術主要是借助大功率的電子器件，促進了無功能力的轉變，通過高頻開關功能，實現了無功功率的補償，進而有效解決了地鐵供電系統的無功功率問題。此項技術的特點是顯著的，如：較小的占地面積、對母線電壓的影響較少，同時耗能偏低、效率較高。

結語

對地鐵供電系統的諧波研究，分析諧波的產生原因及諧波給供電設備帶來的危害，并提出合理的治理方案。采取必要的濾波治理措施后，地鐵供電系統的電能指標滿足國家有關標準，保證電力系統安全和經濟運行，保證城市地鐵的安全運行。

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