城市轨道交通低压有源滤波装置的应用

1、引言

随着科技的进步，城市化水平的不断提高，城市轨道交通与人们日常生活息息相关。地轨道交通系统的用电设备缤纷复杂，其中像电力机车、空调水泵及风机、电梯、机房网络设备、UPS、灯光调控系统、消防系统、监控系统和其他电力电子设备分布在整个地铁的应用现场。造成了恶劣的谐波环境，对保证电力系统和设备的安全正常运行造成了极大的威胁。本文通过对谐波问题产生的原因进行分析，提出切合工程实施的解决方案。

2、轨道交通存在的问题

轨道供电系统中主要存在以下五点问题：

（1） 轨道交通的供电系统是比较特殊的单相供电，这样导致了三相的严重不平衡；

（2） 电铁轨道交通供电系统是经大功率整流桥整流输出后供机车取流牵引，目前国内电铁机车都是采用直流斩波器作为牵引机车直流电源整流系统，机车牵引取流时负荷变化剧烈及快速，产生大量11次、13次谐波电流；

（3） 其次是站用变频器、UPS、开关电源大量非线性负荷（3次、5次、7次等），且随着节能的需要，变频负荷所占比重逐年提高。变频负荷逐年增加，其产生的谐波电流也在相应增加。

（4） 电力机车频繁启动、加速、制动使得系统无功快速变化，谐波存在也增加了系统无功的损耗，致使功率因数变化不定且低下。

（5） 根据GB50157-2003《地铁设计规范》，地铁动力照明供电系统应采用并联电力电容器作为无功补偿装置。从理论上，该电力电容器无论在基波下还是在谐波下均表现为容性，因此，对于不论是来自于配电变压器高压侧的谐波还是来自于低压变频负荷产生的谐波均会起到放大作用。其放大作用已被国内多个地铁系统的实测结果所验证。

3、谐波产生的危害

（1） 影响动力电气设备的正常工作，除了引起附加损耗外，还可使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，严重时会导致变压器烧毁、电缆放炮、电容器击穿等故障；

（2） 会引起系统中局部并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，使前述的危害大大增加，甚至引起严重事故；

（3） 会导致电力系统内继电保护和自动装置误操作，如保护开关误跳闸，导致部分线路断电；

（4） 使电力系统内计算机等精密设备无法正常工作；

4、轨道交通系统谐波解决方案

ANAPF有源滤波器具有动态响应速度小于20ms，滤除2-21次谐波，可以实时检测系统的谐波电流，控制命令装置发出反向相等的谐波电流，平衡系统谐波电流，滤除系统谐波电流，去除系统谐波电流，去除谐波损耗，稳定系统电压，平衡三相电压，补偿无功损耗。

4.1 ANAPF有源滤波器主要技术特点

DSP+FPGA全数字控制方式，具有极快的响应时间 ；先进的主电路拓扑和控制算法，精度更高、运行更稳定；一机多能，既可补谐波，又可兼补无功；模块化设计，便于生产调试；便利的并联设计，方便扩容；具有完善的桥臂过流、保护功能；使用方便，易于操作和维护。

4.2 ANAPF有源滤波器主要技术参数

4.3 ANAPF有源滤波器报价及元件清单

4.4  ANAPF有源滤波装置在轨道交通中的应用案列

某城市轨道交通系统，变电系统的谐波治理采用集中补偿方式。下图为有源滤波装置投入前后谐波电压、谐波电流治理图：

图一 补偿前电网波形图	图二 补偿后电网波形图
图三 补偿前5次谐波电流频谱图	图四 补偿后5次谐波电流频谱图
图五 补偿前7次谐波电流频谱图	图六 补偿后7次谐波电流频谱图
图七 补偿前功率因数波形图	图八 补偿后功率因数波形图

由投入滤波器前后电网电流波形可以清楚地看出，电网电流谐波绝大部分被滤除掉，波形已经为正弦波，总电流由2343A降低为2240A，电流有效值降低4.3%；总的电流畸变率由25.2%降为3.3%，补偿率达到89%，功率因数由0.95提高到0.99。对照国标电网谐波电流允许值可以清楚地看出，补偿前各次谐波电流明显超过国标要求数倍，补偿后各次谐波电流均能达到国标要求。对于轨道交通供电系统，安全运行是第一位的。有源滤波器投入后，配电系统谐波得到了很好的抑制，提升供电系统的供电可靠性，消除谐波对轨道交通系统的供电影响，保障了城市轨道系统的安全运行。

5、结论

本文分析了城市轨道交通系统的谐波存在源、谐波特性以及危害，介绍了ANAPF低压有源滤波器的特点以及技术参数，并通过某城市轨道交通系统中有源滤波器的应用案例，对比分析了有源滤波器投入前后的谐波治理情况，由有源滤波器投入前后对比图分析对城市轨道交通进行谐波治理后改善了电能质量，总体提升了轨道交通系统设备的运行效率和电力能源的使用效率。

【参考文献】

［1］ 郭其一. 同济大学电气工程. 城市轨道交通系统混合滤波器的设计及仿真. 2009:340-343

［2］ 江苏安科瑞电器制造有限公司产品手册.2013.01.版