摘要：在電力系統(tǒng)中，當(dāng)工頻電壓或電流作用于非線性負(fù)載時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同于工頻的非正弦電壓或電流。這些非正弦電壓或電流，用傅里葉級(jí)數(shù)展開，就是人們所說(shuō)的電力諧波。電力諧波反饋到電網(wǎng)，導(dǎo)致供電系統(tǒng)電壓、電流波形畸變，使電能質(zhì)量降低。本文結(jié)合城市軌道交通低壓配電系統(tǒng)的特點(diǎn)以及有源濾波技術(shù)的發(fā)展，分析了無(wú)功補(bǔ)償與諧波的關(guān)系。從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度，提出了軌道交通低壓配電系統(tǒng)諧波治理的措施。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;低壓配電系統(tǒng);諧波治理

近年來(lái)，電力電子技術(shù)高速發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于工業(yè)、交通、供電系統(tǒng)等各個(gè)領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)、電機(jī)設(shè)備、變頻空調(diào)等電氣設(shè)備的廣泛應(yīng)用，造成了供電系統(tǒng)中的諧波量不斷攀升，諧波污染已經(jīng)成為威脅電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的主要因素。在諸多公共服務(wù)領(lǐng)域，特別是城市軌道交通供電系統(tǒng)中，做好諧波治理是供電系統(tǒng)中一件非常重要的工作。

一、城市軌道交通供電系統(tǒng)中的諧波源及有源濾波裝置特點(diǎn)

1、諧波，我們通常也稱之為高次諧波：主要是指在運(yùn)行中的電壓、電流發(fā)生了波形畸變。在城市軌道交通供電系統(tǒng)運(yùn)行中，存在大量非線性負(fù)荷，因此容易造成諧波污染。一般來(lái)說(shuō)，城市軌道交通供電系統(tǒng)中，除牽引整流機(jī)組外，低壓配電系統(tǒng)也存在很多非線性負(fù)荷。比較典型的諧波源有：變頻調(diào)速裝置如風(fēng)機(jī)、中央空調(diào)、水泵用變頻控制器和軟啟動(dòng)器;LED廣告牌;熒光燈;變電所直流屏、UPS電源屏;弱電系統(tǒng)電源，如信號(hào)系統(tǒng)、打印機(jī)等現(xiàn)代電子類設(shè)備等。

2、有源電力濾波器特點(diǎn)

有源電力濾波器，其應(yīng)用可克服無(wú)源濾波器（LC濾波器）等傳統(tǒng)的諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償方法的缺點(diǎn)（傳統(tǒng)的只能固定補(bǔ)償），實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償，而且可以既抑制諧波又補(bǔ)償無(wú)功。三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率理論是有源電力濾波器發(fā)展的主要基礎(chǔ)理論，且有并聯(lián)型和串聯(lián)型兩種，前者用的多;并聯(lián)有源濾波裝置主要是治理電流諧波，串聯(lián)有源濾波裝置主要是治理電壓諧波等引起的問(wèn)題。有源濾波裝置同無(wú)源濾波裝置比較，治理效果好，主要可以同時(shí)濾除多次及高次諧波，不會(huì)引起諧振。

二、城市軌道交通供電系統(tǒng)的諧波危害

城市軌道交通供電系統(tǒng)的諧波危害，總的可以概括為電力危害和信號(hào)干擾兩大方面。具體表現(xiàn)為：

（1）造成變壓器過(guò)熱，降低其帶負(fù)載能力。運(yùn)行中的變壓器會(huì)因?yàn)橹C波電流的存在而導(dǎo)致溫度的增加，造成變壓器過(guò)熱，并進(jìn)一步加速變壓器絕緣的老化，損耗的增加，降低變壓器的帶負(fù)荷能力。

（2）干擾運(yùn)行中的繼電保護(hù)和自動(dòng)控制裝置，容易造成誤動(dòng)或拒動(dòng)。

（3）對(duì)無(wú)功補(bǔ)償電容器組引起諧波電流的放大，損壞無(wú)功補(bǔ)償裝置的投切開關(guān)，使內(nèi)部電容器過(guò)流發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)造成鼓脹甚至爆炸。

（4）對(duì)供電線路的影響。諧波的存在會(huì)導(dǎo)致供電線路運(yùn)行損耗的增加，而且過(guò)大的諧波電流容易造成運(yùn)行中的電力電纜產(chǎn)生過(guò)負(fù)荷或者過(guò)電壓，造成電力電纜的擊穿。

（5）造成運(yùn)行設(shè)備的損毀。額外的諧波電流可能導(dǎo)致電網(wǎng)內(nèi)器件過(guò)熱甚至燒毀;導(dǎo)致中性線電流過(guò)大引發(fā)故障，造成中性線發(fā)熱甚至火災(zāi);影響電機(jī)效率和正常運(yùn)行，產(chǎn)生震動(dòng)和噪音，縮短電機(jī)壽命。

（6）敏感設(shè)備工作異常。諧波會(huì)使得精密儀器和敏感設(shè)備不能正常工作。比如計(jì)量設(shè)備，電能計(jì)量?jī)x表通常是按工頻正弦波設(shè)計(jì)的，當(dāng)有諧波時(shí)將會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差。又如通信系統(tǒng)中的通信設(shè)備，會(huì)因?yàn)橹C波的干擾產(chǎn)生噪聲，造成通話清晰度的降低，甚至?xí)?dǎo)致信號(hào)的丟失，干擾保護(hù)與自動(dòng)化設(shè)備的正常工作。

（7）電壓畸變對(duì)照明設(shè)備等的壽命有一定的影響。

三、城市軌道交通低壓配電系統(tǒng)諧波治理的措施

目前對(duì)諧波進(jìn)行治理主要有以下兩種方式：

1、無(wú)源方式為避免單體電容器放大諧波，一般采取的措施是改變與電容串聯(lián)的限流電抗器。電抗率按照5 次諧波及以上呈現(xiàn)感性的原則確定。無(wú)功補(bǔ)償裝置采用串聯(lián)電抗器的無(wú)功補(bǔ)償裝置（即電容器串聯(lián)電抗器的方式）后，通過(guò)參數(shù)選取使裝置在諧波頻率下為一低阻抗回路以吸收諧波，在基波頻率下提供容性無(wú)功。其工作原理如圖1所示。本方式具有投資少、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。但由于其濾波特性是由系統(tǒng)和濾波器的阻抗比所決定的，因而無(wú)源濾波裝置存在以下缺點(diǎn)：①濾波特性受系統(tǒng)參數(shù)的影響較大;②只能消除特定的幾次諧波;③諧波電流增大時(shí)，濾波器負(fù)擔(dān)隨之加重，可能造成裝置過(guò)載;④有效材料消耗多，體積大。

2、有源方式由于無(wú)源方式具有以上缺點(diǎn)，隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，人們將濾波研究方向逐步轉(zhuǎn)向有源電力濾波器。與無(wú)源方式相比，有源方式具有高度可控性和快速響應(yīng)性，不僅能補(bǔ)償各次諧波，還可抑制閃變、補(bǔ)償無(wú)功，有一機(jī)多能的特點(diǎn)，其具體特點(diǎn)如下：①濾波特性不受系統(tǒng)阻抗的影響，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險(xiǎn);②具有自適應(yīng)功能，可自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償變化著的諧波;③通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂瓶梢杂行У囊种葡到y(tǒng)諧振。有源電力濾波器工作原理如圖2所示，通過(guò)檢測(cè)被補(bǔ)償對(duì)象的電流瞬時(shí)值，經(jīng)指令電流運(yùn)算電路得出諧波補(bǔ)償電流的指令信號(hào)，控制變流器產(chǎn)生所需要的補(bǔ)償電流。補(bǔ)償電流與負(fù)載電流中要補(bǔ)償?shù)闹C波成份及無(wú)功電流相抵消，最終獲得所期望的電源電流。隨著0.4kV有源濾波裝置的批量生產(chǎn)，該產(chǎn)品的價(jià)格已大幅降低，可以替代傳統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償裝置。該裝置可跟隨進(jìn)線側(cè)電流變化，輸出反方向電流，既可以起到濾波作用，又可起到無(wú)功補(bǔ)償功能，具有響應(yīng)速度快，濾波頻譜范圍大的特點(diǎn)，滿足地鐵諧波治理需求。

四、結(jié)論

本文結(jié)合城市軌道交通低壓系統(tǒng)的特點(diǎn)以及有源濾波技術(shù)的發(fā)展，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度，提出了城市軌道交通低壓配電系統(tǒng)諧波治理的措施，避免無(wú)功補(bǔ)償裝置對(duì)諧波的放大，同時(shí)提高系統(tǒng)濾波的效率。

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