淺談?dòng)性礊V波裝置在軌道交通行業(yè)的應用與選型

摘要：軌道交通運行中需要大量的變頻設備，導致其電網(wǎng)中含有大量的諧波，這些諧波影響到電網(wǎng)供電穩定性，從而威脅到城市軌道交通運輸的安全性和穩定性。有源濾波裝置在城市軌道交通中的應用，可以消除電網(wǎng)中的諧波，確保電網(wǎng)運行安全性。

關(guān)鍵詞：有源濾波；城市軌道交通；諧波治理

0引言

本文主要介紹了有源濾波裝置、諧波對城市軌道交通的影響以及有源濾波裝置在某市地鐵4號線(xiàn)的應用，取得了良好的效果，電流諧波畸變率從27%降低到2.3%，功率因素從0.8提高到0.95，諧波改善效果非常顯著(zhù)。

1有源濾波裝置

有源濾波裝置，就是一種用語(yǔ)動(dòng)態(tài)抑制諧波、補償無(wú)功的新型電力電子裝置，能夠對任何諧波進(jìn)行治理，在當前已經(jīng)廣泛的應用到了軌道交通行業(yè)中。有源濾波裝置，是采用現代電力電子技術(shù)和基于高速DSP器件的數字信號處理技術(shù)，制成的新型電力諧波治理設備，它由指令電流電路和補償電流發(fā)生電路構成。指令電流電路對實(shí)時(shí)電流進(jìn)行監控，并將模擬電流信號轉換為數字電流信號，然后通過(guò)通信通道傳輸到數字信號處理器中，數字信號處理器對數字信號進(jìn)行處理，將諧波和基波進(jìn)行分離，并將脈寬調制信號向補償電流電路輸送驅動(dòng)脈沖，驅動(dòng)IGBT和IPM模塊，其生產(chǎn)的電流幅值和電網(wǎng)諧波電流幅值相等，然后將極性不同的補償電流注入到電網(wǎng)中，從而對電網(wǎng)中產(chǎn)生的諧波電流進(jìn)行補償和抵消，消除電網(wǎng)中的電力諧波。有源濾波器打破了過(guò)去傳統濾波器只能固定補償或者無(wú)功補償的缺點(diǎn)，可以實(shí)現對電網(wǎng)電流進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤補償，既可以消除諧波，又可以達到無(wú)功補償的目的[1]。

2諧波對城市軌道交通功的影響

諧波指的頻率為50Hz基波頻率整數倍的周期性正弦能量。諧波是影響供電質(zhì)量的重要因素，城市軌道交通運行過(guò)程中，需要直流牽引網(wǎng)為列車(chē)供電，直流電源需要通過(guò)硅整流獲得，整流在交、直流變換過(guò)程中產(chǎn)生諧波。同時(shí)，地鐵列車(chē)為了提高舒適性、安全性和可靠性，安裝大量的調頻裝置、風(fēng)機、監控系統、電力機車(chē)等設備，這些設備數量比較多，在運行過(guò)程中，對城市軌道交通產(chǎn)生重要影響。

2.1影響電網(wǎng)安全性

地鐵低壓電氣系統包括AC400V開(kāi)關(guān)柜進(jìn)線(xiàn)、配電箱、動(dòng)力配電系統、照明系統、應急電源裝置、接地與安全系統。地鐵電網(wǎng)系統產(chǎn)生大量的諧波，導致電網(wǎng)接地保護裝置失效，增加電力損耗，影響到電網(wǎng)的安全性和可靠性。軌道交通產(chǎn)生大量的諧波，需要無(wú)功補償裝置進(jìn)行補償，增加了電力設備的損耗，導致電力設備絕緣體破裂、設備老化等問(wèn)題。無(wú)功補償裝置長(cháng)期運行，可能導致電力設備和線(xiàn)路溫度過(guò)高，加速設備的老化時(shí)間，從而導致斷路器電弧熄滅時(shí)間延長(cháng)，斷路器出現誤斷現象，導致電力故障。

2.2增加變壓器的損耗

諧波增加變壓器內部電阻損耗、導體中的渦流損耗以及外部損耗，導致變壓器發(fā)熱。目前地鐵工程低壓配電網(wǎng)的配電變壓器大多數采用星型或者三角形接線(xiàn)方式，這增加了電網(wǎng)零序諧波為變壓器一側繞組提供了環(huán)流桐廬，抑制諧波向電源端的傳輸，然而這種接線(xiàn)方式不會(huì )阻止其他頻率的諧波傳輸到電源端，從而增加變壓器的損耗，進(jìn)一步增加電力損耗，影響到供電質(zhì)量。其次，諧波還會(huì )增加變壓器的鐵耗，導致變壓器發(fā)熱變形，這主要是由于變壓器內的鐵芯中的磁滯損耗增加，諧波讓電壓的波形變差，從而增加了磁滯損耗。變壓器內部電阻損耗、鐵耗的增加，減少變壓器實(shí)際電壓，從而影響到變壓器的發(fā)電容量，無(wú)法達到實(shí)際設計要求的電壓容量。

2.3對補償裝置的損耗

為了保證地鐵列車(chē)正常用電，城市軌道交通變壓器要保證長(cháng)時(shí)間供電，電壓器長(cháng)期處于飽和狀態(tài)下，自身產(chǎn)生一定的諧波。安裝電容器以后，電容器可以夠抵消一些諧波，但是如果諧波的的含量過(guò)大，造成電容器發(fā)熱，增加電容器表面絕緣物質(zhì)的老化，從而影響到電容器的使用時(shí)間。如果電容器投入到電壓已經(jīng)出現問(wèn)題的電網(wǎng)，則可以進(jìn)一步加劇諧波現象，大量的諧波讓電壓出現尖頂波形，頂尖電壓波可能誘發(fā)局部放電，由于電壓升降變壓化，導致局部電流過(guò)大，從而加劇絕緣介質(zhì)的老化程度，影響到電容器的使用壽命。如果電壓升高10%，電容器的使用壽命縮短一半。

3有源濾波裝置在城市軌道交通中的應用效果

3.1工程概況

某市地鐵4號線(xiàn)工程起于航天新城，止于北客站，線(xiàn)路總長(cháng)35.2km，共設置29座車(chē)站?？紤]到地鐵列車(chē)的配電系統在運行過(guò)程中，產(chǎn)量大量的諧波，為了改善配電系統的電能質(zhì)量，某市地鐵4號線(xiàn)在全線(xiàn)所有車(chē)站均安裝有源濾波裝置，實(shí)現對諧波的治理。

3.2諧波治理

某市地鐵4號線(xiàn)選擇的是LBAPF有源濾波器，對于諧波的治理主要是對降壓變電所的動(dòng)力照明系統進(jìn)行電能質(zhì)量綜合治理。在變壓器低壓側母線(xiàn)采取集中治理的方式進(jìn)行治理。治理效果比較明顯，效率高，能夠完成諧波的治理，達到軌道交通的相關(guān)要求。LBAPF有源濾波裝置具有極快的響應時(shí)間，主電路拓撲和控制算法，其精度高、運行更穩定。既可補諧波，又可兼補無(wú)功：模塊化設計，便于生產(chǎn)調試便利的并聯(lián)設計：具有完蓋的橋售過(guò)流、保護功能。使用方便，易于操作和維護。LBAPF有源濾波器相關(guān)的技術(shù)參數和原件如下表:

表1為有源濾波裝置相美技術(shù)參數表

3.3諧波治理效果

為了檢驗有源濾波裝置對軌道交通供電質(zhì)量的改善，2019年1月8日到15日對某市地鐵4號線(xiàn)已經(jīng)安裝有源濾波裝置的車(chē)站使用電力分析儀對配電系統進(jìn)行檢查。本次使用的電力分析儀型號為CA8335，這種型號的分析儀具有強大的記錄功能，可以對配電系統的電壓升降、電壓中斷、電壓頻率、電流、電壓峰值、有功功率、無(wú)功功率、閃變、諧波電壓、電流不平衡率等指標進(jìn)行長(cháng)時(shí)間記錄。將電壓夾、電流鉗等連接地鐵車(chē)站的配電系統，采集配電系統的電流、電壓，然后進(jìn)行測試。通過(guò)測試分析地鐵車(chē)站安裝有源濾波裝置以后，電壓、電流的變化。測試儀器采集不同時(shí)段地鐵車(chē)站運行數據，從而測試配電系統的供電質(zhì)量。經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間的測試跟蹤得出有源濾波裝置開(kāi)啟前后功率、功率因素平均值，統計結果如下表：

表2有源濾波裝置開(kāi)啟前后功率以及公功率因素平均值

表3為有源濾波裝置開(kāi)啟前后諧波電流百分比

3.4結果分析

從上述表格內容可以得出，有源濾波裝置開(kāi)啟前，4號線(xiàn)的配電系統3、5、7、9、11、13次諧波的電流比較大，功率因數偏低。有源濾波裝置開(kāi)啟后，配電系統的諧波經(jīng)過(guò)有源濾波裝置的處理以后，效果比較好，A相總電流畸變率從10.4%降低到2.1%；B相總電流畸變率從20.3%降低到2.8%；C相總電流畸變率從27%降低到3.4%。功率因素從0.8提高到0.95。所以，有源濾波裝置改善了4號線(xiàn)的配電系統供電質(zhì)量，降低了配電系統的無(wú)功損耗，消除了配電系統的諧波電流，提高了配電系統的運行效率和電力設備的使用壽命，有源濾波裝置的安裝達到了設計要求。

4安科瑞APF有源濾波器產(chǎn)品選型

4.1產(chǎn)品特點(diǎn)

(1)DSP+FPGA控制方式，響應時(shí)間短，全數字控制算法，運行穩定；

(2)一機多能，既可補諧波，又可兼補無(wú)功，可對2～51次諧波進(jìn)行全補償或特定次諧波進(jìn)行補償；

(3)具有完善的橋臂過(guò)流保護、直流過(guò)壓保護、裝置過(guò)溫保護功能；

(4)模塊化設計，體積小，安裝便利，方便擴容；

(5)采用7英寸大屏幕彩色觸摸屏以實(shí)現參數設置和控制，使用方便，易于操作和維護；

(6)輸出端加裝濾波裝置，降低高頻紋波對電力系統的影響；

(7)多機并聯(lián)，達到較高的電流輸出等級；

4.2型號說(shuō)明

4.3尺寸說(shuō)明

4.4產(chǎn)品實(shí)物展示

ANAPF有源濾波器

5安科瑞智能電容器產(chǎn)品選型

5.1產(chǎn)品概述

AZC/AZCL系列智能電容器是應用于0.4kV、50Hz低壓配電中用于節省能源、降低線(xiàn)損、提高功率因數和電能質(zhì)量的新一代無(wú)功補償設備。它由智能測控單元，晶閘管復合開(kāi)關(guān)電路，線(xiàn)路保護單元，兩臺共補或一臺分補低壓電力電容器構成?？商娲Ｒ幱扇劢z、復合開(kāi)關(guān)或機械式接觸器、熱繼電器、低壓電力電容器、指示燈等散件在柜內和柜面由導線(xiàn)連接而組成的自動(dòng)無(wú)功補償裝置。具有體積更小，功耗更低，維護方便，使用壽命長(cháng)，可靠性高的特點(diǎn)，適應現代電網(wǎng)對無(wú)功補償的更高要求。

AZC/AZCL系列智能電容器采用定式LCD液晶顯示器，可顯示三相母線(xiàn)電壓、三相母線(xiàn)電流、三相功率因數、頻率、電容器路數及投切狀態(tài)、有功功率、無(wú)功功率、諧波電壓總畸變率、電容器溫度等。通過(guò)內部晶閘管復合開(kāi)關(guān)電路，自動(dòng)尋找適宜投入（切除）點(diǎn)，實(shí)現過(guò)零投切，具有過(guò)壓保護、缺相保護、過(guò)諧保護、過(guò)溫保護等保護功能。

5.2型號說(shuō)明

AZC系列智能電容器選型：

AZCL系列智能電容器選型：

5.3產(chǎn)品實(shí)物展示

AZC系列智能電容模塊AZCL系列智能電容模塊

安科瑞無(wú)功補償裝置智能電容方案

6結束語(yǔ)

將有源濾波裝置投入到城市軌道交通的配電系統中，降低了配電系統諧波畸變率，提高了配電網(wǎng)的功率因素，降低了配電系統的損耗，避免諧波對軌道交通供電、列車(chē)調度、通信信號等方面的影響，提高了整個(gè)供配電系統的安全性。

參考文獻

[1]馬雄.淺談城市軌道交通低壓有源濾波裝置的應用[J].建筑工程技術(shù)與設計，2018（15）：4834.

[2]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2022.05版.

[3]佘軍峰.有源濾波裝置在軌道交通行業(yè)的應用