地铁供电系统谐波抑制与无功补偿

地铁供电系统谐波抑制与无功补偿

黎明鸣

长沙市轨道交通运营有限公司，湖南长沙410011

摘要：在城市轨道交通中，地铁扮演着重要的角色，其作用日益显著，它具有一系列的优点，如：无污染、快速度、安全、准时与可靠等。地铁的运用促进了土地的高效利用，为城市居民营造了良好的居住环境。地铁作为现代化的交通工具，它得到了居民、政府与社会的普遍认可。为了进一步提高地铁的安全性与可靠性，文章对其供电系统展开了研究，对其中存在的谐波与无功功率问题进行了处理，在此基础上，为地铁提供了可靠的电能。

关键词：地铁供电系统；谐波电流；无功功率；影响

一、供电系统谐波

随着科技的发展和节能要求的提高，接入地铁供电系统中的非线性电气设备数量日益增加，其运行过程中产生大量的高次谐波。谐波主要来自机车牵引装置和车站机电设备两部分。其中地铁牵引供电系统采用牵引整流机组向列车提供直流电源，牵引整流机组产生谐波电流的次数与其输出的脉波数有关，牵引整流机组的脉波数越高，产生的较低次谐波电流越小，国内地铁供电系统一般在设计时采用等效24脉波整流，产生的谐波主要为23、25次谐波，实际运行中的测试数据表明，谐波含量很小，注入城市电网的谐波电流能满足公用电网谐波的要求；而另一方面，地铁供电系统网络内部还存在很多的谐波，在变电所0.4kV母线侧谐波特征频谱丰富，由多段谐波组成，谐波频谱如图1所示。其中3、5、7、11、13次谐波主要来自于地铁车站机电设备中的变频器、UPS、开关电源及照明等大量非线性负载，23、25次谐波电流主要由35kV整流侧流入0.4kV。

二、地铁供电系统谐波抑制与无功补偿的重要意义

地铁各类用电设备均为运营服务，如何消除谐波电流和无功功率对电网造成的影响,为地铁供电系统中电气设备的使用创造一个既安全又经济的环境是十分重要的问题。为提高供电系统电能质量，综合解诀谐波、无功功率问题，谐波及无功功率不仅造成建设投资浪费和运营成本增大，危及电网本身及其接入设备，严重时还可能影响地铁行车安全。随着地铁建设的开展和运营经验的积累，地铁供电系统的电能质量问题成为业界普遍关注的焦点。

三、地铁供电系统谐波的危害及无功功率的影响

（一）谐波在地铁供电系统中“流窜”、叠加甚至放大，当谐波含量超过一定范围时，对供电系统会产生以下主要危害：

①降低用电设备效率，增大电能损耗；

②影响电气设备的正常工作，产生振动、噪音、发热，缩短电气设备寿命；

③诱发电网谐振，使谐波放大，干扰通信系统的正常工作；

④导致继电保护和自动装置误动或拒动，使电气测量仪表计量不准确。

（二）无功功率包含了基波无功功率和谐波无功功率，无功功率对电网的影响主要有以下几个方面：

①会导致电流增大和视在功率增加，使电气设备容量和线缆容量增加；

②使总电流增大，而使设备及线路的损耗增加；

③使线路及变压器的电压降增大，严重降低供电质量。谐波及无功功率不仅造成建设投资浪费和运营成本增大，危及电网本身及其接入设备，严重时还可能影响地铁行车安全。随着地铁建设的开展和运营经验的积累，地铁供电系统的电能质量问题成为业界普遍关注的焦点。

四、城市轨道交通供电系统谐波抑制方法

（一）供电系统

在进行城市轨道交通供电系统谐波抑制过程中，可以采用以下三种方法:①受端治理措施:这一治理措施指的是在进行谐波抑制时，选择科学合理的供电方式，提升供电系统设备抵御谐波的能力，尽量避免电容对谐波放大，提升谐波保护水平。在受端治理措施的实际应用中，通过应用各种谐波抑制措施，有利于改善供电系统设备使用性能。②主动治理措施。这一谐波抑制措施指的是通过增加变流装置的相数、改变谐波源工作方式或者采用PWM技术等措施，虽然主动治理能抑制谐波的产生，但是由于非线性元件种类繁多复杂，单独依靠主动治理不可能完全消除谐波。③被动治理措施。被动治理措施指的是在轨道交通谐波抑制过程中，采用外加设备的方式，具体而言，可以采用有源滤波器或在谐波源并联无功补偿装置联合运行。

（二）利用动态无功补偿技术

在科学技术水平不断提升的背景下，地铁供电系统的无功功率问题得到了广泛的关注，为了实现对此问题的有效解决，相应的技术得到了研究，并将技术进行了应用，以此保证了供电系统的稳定性、安全性与可靠性。动态无功补偿技术的作用是显著的，通过动态无功补偿装置的运用，促进了相应技术作用的发挥，并使该技术得到了发展。动态无功补偿技术主要是借助大功率的电子器件，促进了无功能力的转变，通过高频开关功能，实现了无功功率的补偿，进而有效解决了地铁供电系统的无功功率问题。此项技术的特点是显著的，如：较小的占地面积、对母线电压的影响较少，同时耗能偏低、效率较高。无功功率补偿装置与其他装置相比，其体积仅为后者的50%左右，该装置具有一定的独立性，其恒流源具有可控性，因此对母线的影响基本为零。同时，动态无功功率补偿装置在运行过程中，未产生谐波电流，因此，实现了部分谐波电流的消除。

目前，地铁系统具有一定的复杂性与特殊性，为了实现对谐波电流与无功功率问题的综合治理，要将上述两种技术进行有效的结合，不仅要安装有源滤波装置，还要设置无功功率补偿装置。

五、结语

针对地铁供电系统中非线性负荷情况及运行特点，在降压变电所0.4kV侧集中采用带有谐波治理和无功补偿功能的有源电力滤波器既能够滤除来自供电系统低压负荷侧的谐波，又能避免对来自牵引负荷侧的谐波放大，可有效提升地铁供电系统的电能质量和设备运行效率。随着谐波治理设备技术越发成熟，在实际应用中，还可以根据地铁低压配电系统谐波源的设备种类及分布情况，通过在谐波源处设置谐波补偿装置来进行局部谐波治理，从谐波产生源头更有针对性地治理谐波和补偿无功，保障地铁电网的电能质量，确保运营环境的安全可靠。

参考文献：

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[3]王哲，何进.地铁供电系统谐波抑制与无功补偿[J].建筑电气，2014（8）：46-49.