關於有源電力濾波器在地鐵站低壓配電係統中的應用分析

hth下载地址 陳聰

摘要：作為(wei) 國家提出的綠色電網、節能降耗已成為(wei) 現代化企業(ye) 努力的目標，也是企業(ye) 急需解決(jue) 的問題。作為(wei) 地鐵車站這類市政公共交通建築的著重係統——配電係統。實現綠色電網實質上是解決(jue) 電網中存在的各種電能問題，主要是涉及到諧波與(yu) 無功問題兩(liang) 個(ge) 方麵，就某條地鐵線目前的電力係統狀態而言，其在低壓配電係統中裝設有源電力濾波器進行諧波治理，但APF實際未投入。係統中的諧波問題仍然存在，因此需對該站點進行詳細的測試，同時為(wei) 該線路的有源電力濾波器APF進行必要性評估，對後續新開線路的有源濾波器設置提出參考意見。

關(guan) 鍵詞：地鐵負載；電能質量；諧波治理；無功補償(chang)

0、地鐵電能質量分析

目前城市軌道交通普遍存在的主要電能質量問題就是功率因數、電壓波動與(yu) 閃變及諧波問題等。當前35KV和0.4KV大量使用電纜，夜晚期間一般所有的負荷基本停運，由於(yu) 該用電負載多數為(wei) 感性負荷，此時感性無功基本接近為(wei) 零，產(chan) 生的容性無功甚至可以達到幾Mkvar。若無功功率倒送進電力係統，會(hui) 導致線路電壓升高，同時也會(hui) 導致功率因數降低。地鐵中電力機車屬於(yu) 典型的非線性負荷，由於(yu) 運行過程中啟停頻繁，短時間內(nei) 會(hui) 產(chan) 生衝(chong) 擊性負載電流，此類衝(chong) 擊會(hui) 造成電壓的波動與(yu) 閃變。

1、主要研究內(nei) 容

以廣東(dong) 某地鐵站為(wei) 例，由於(yu) 該地鐵站高壓側(ce) 110kV和35kV無功及諧波方麵已經治理，本篇文章主要突出治理0.4KV低壓設備的無功及諧波等相關(guan) 問題。線路阻抗隨著頻率的升高而增加，諧波電流使線路的附加損耗增加，而供電電網的損耗大部分為(wei) 變壓器和線路的損耗，所以諧波是導致電網網損增加的一個(ge) 重要因素。線路的分布電感和對地電容與(yu) 產(chan) 生諧波的設備組成串聯或並聯回路，在一定的參數條件下，會(hui) 發生串聯諧振或並聯諧振，而且所產(chan) 生的諧振過電壓和過電流對相關(guan) 設備的危害性較大。(此情況一般出現在高壓環境下，在0.4KV低壓環境中由於(yu) 線路和變壓器的分布電容過小，一般忽略不計）在適當的條件下還會(hui) 形成諧波放大，而諧波電壓、電流放大會(hui) 引起繼電保護裝置誤動甚至損壞，造成電力火災。同時諧波電流對線纜的肌膚效應會(hui) 造成線纜發熱過量，絕緣強度降低，造成電纜損耗增加，壽命縮短，額定容量降低。同時諧波電流還會(hui) 導致係統的運行威脅導致不安全因素的出現，嚴(yan) 重時會(hui) 影響甚至是中斷生產(chan) 工作的進行[3]。故本公司組織針對地鐵站低壓配電室的1#和2#變壓器進行了測試。同時對地鐵係統中負載主要為(wei) 照明、空調、泵機類、電梯、信號電源、UPS等設備進行開啟有源濾波APF和不開啟有源APF情況下進行測試，對測試數據進行統計分析，選出合適的型號的治理設備，同時計算該設備選擇的節能性。

2、測試數據及分析

（1）測試說明

本次測試主要針對廣東(dong) 某地鐵站低壓配電室的1#和2#變壓器進行了測試。係統中負載主要為(wei) 照明、空調、泵機類、電梯、信號電源、UPS等設備，開關(guan) 電源的啟動瞬間形成電流衝(chong) 擊，和其它設備在運行過程中會(hui) 對係統產(chan) 生諧波電流汙染。該係統中各變壓器的負荷性質決(jue) 定了在其運行的過程中會(hui) 產(chan) 生諧波電流並匯入配電網中對配電係統造成一定的諧波汙染問題，係統中存在的節能照明在運行過程中產(chan) 生3次諧波電流，3次諧波電流為(wei) 零序諧波電流，三相矢量角度一致，存在N線上諧波電流的疊加情況，N相電流是相線的3倍，本次測試主要是針對這些問題進行的。根據工程實踐經驗，諧波電流會(hui) 導致係統的運行威脅同時還會(hui) 造成電纜的額外發熱並加速電纜的絕緣老化導致不安全因素的出現，嚴(yan) 重時會(hui) 影響甚至是中斷生產(chan) 工作的進行。

（2）測試方法

在現場工作人員的配合下對共計2台變壓器（1#變壓器和2#變壓器）進行了詳細的電能質量測試，本次方案的目標是*減少係統中諧波電流汙染的問題尤其是3N次諧波電流疊加導致N線電流變大問題，同時N線電流變大容易導致電氣火災的發生，因此在整個(ge) 用電係統中對於(yu) 電流數據的采集較為(wei) 重要。在方案製定時將會(hui) 根據測試值對現場治理設備進行設計選型，保證係統中諧波電流的濾除。測試時每個(ge) 測試點均進行了24小時的監測能夠明確整個(ge) 周期內(nei) 的典型電能質量狀況。

（3）測試數據及分析

1) 1#變壓器低壓側(ce) 測試數據

1#測試數據表

通過上述測試數據分析得出，電壓畸變率波動在1.2%~1.4%之間，電流畸變率為(wei) 10%~15%左右，係統基波電流值約為(wei) 500A，電流畸變頻譜表明其中3次、5次、7次和11次諧波電流為(wei) 主，總的諧波電流值約為(wei) 125A，N線電流主要為(wei) 3次諧波電流的疊加導致。需要選擇的輸出治理電流每相至少在125A以上，N線輸出能力為(wei) 相線的3倍，可解決(jue) 中線諧波電流疊加的問題。該變壓器容量為(wei) 1250kVA，現有地鐵車站的濾波器設計中考慮到功率因數提高至0.92的要求，因此在濾波的同時需要考慮留有一定容量進行無功補償(chang) ，一般按照變壓器容量的30%進行無功補償(chang) 配置。

2) 2#變壓器低壓側(ce) 測試數據

2#測試數據表

通過上述測試數據分析出，電壓畸變率波動在1.4%~1.5%之間，電流畸變率為(wei) 10%~20%左右，係統基波電流值約為(wei) 500A，電流畸變頻譜表明其中3次、5次、7次和11次諧波電流為(wei) 主，總的諧波電流值約為(wei) 100A，N線電流主要為(wei) 3次諧波電流的疊加導致。需要選擇的輸出治理電流每相至少在100A以上，N線輸出能力為(wei) 相線的3倍，可解決(jue) 中線諧波電流疊加的問題。該變壓器為(wei) 1250kVA的變壓器，現有地鐵車站的濾波器設計中考慮到功率因數提高至0.92的要求，因此需要考慮留有一定容量進行無功補償(chang) ，一般按照變壓器容量的30%進行無功補償(chang) 配置。

3、三次諧波問題相應闡述

（1）三次諧波的概念及不良影響

對周期性非正弦電量進行傅裏葉級數分化，可得到頻率為(wei) 基波整數倍的電量，這些電分量被統稱為(wei) 諧波。其中，頻率為(wei) 基波三倍的電量被稱為(wei) 三次諧波。在社會(hui) 的高速發展下，民眾(zhong) 與(yu) 社會(hui) 對於(yu) 電能的需求量與(yu) 日俱增，對電能質量的要求也日漸提高。隨著種類豐(feng) 富的電子設備在民眾(zhong) 生活中的廣泛普及，其中具有非線性負荷特性的電子設備也使電力係統中的電壓、電流狀態出現了一些改變。在利用傅裏葉級數分化分析電壓、電流波形時，便會(hui) 發現 50Hz、220V電力中存在一些150Hz交流的正弦波，即頻率50Hz的三倍的“三次諧波"。伴隨著科學技術的迅猛發展，非線性負載的數量占比越來越多，其在工作時三次諧波占比較大。這種不良現象除了會(hui) 增加整體(ti) 電力係統的耗損，更會(hui) 致使中性線線負載變大，嚴(yan) 重影響電力係統整體(ti) 的安全性以及穩定性，甚至會(hui) 引發一係列的安全事故。另外三次諧波使電網出現發熱的狀況，嚴(yan) 重時引發安全事故；對電子元器件日常的使用和運行產(chan) 生不良影響，致使其產(chan) 生錯誤操作；嚴(yan) 重縮短電力設施使用壽命。三次諧波不僅(jin) 僅(jin) 會(hui) 產(chan) 生諸多危害，更會(hui) 對電網整體(ti) 的穩定性以及安全性產(chan) 生嚴(yan) 重的不良影響，進而影響民眾(zhong) 的日常生產(chan) 、生活有關(guan) 活動、行為(wei) 以及社會(hui) 的和諧發展。所以，有關(guan) 部門應當采取合理措施，減少乃至避免三次諧波的危害。

（2）對三次諧波治理的合理建議

對於(yu) 單相整流電路非線性負荷而言，傳(chuan) 統的無源濾波器並不適用。這主要是由於(yu) 其濾波效果較差，同時還會(hui) 生成較大容性無功，而這部分容性無功既是非線性負荷不會(hui) 用到的，也是整體(ti) 電網所不需要的。因此，有關(guan) 部門應當采用有源濾波器進行治理。在單獨使用此類濾波器對線路中諧波電流進行檢測的時候，能夠生成將其抵消的補償(chang) 類電流。然而從(cong) 整體(ti) 效果上來看，此類濾波器隻能夠確保安裝部位上遊的諧波電流變小，卻不能對下遊線路產(chan) 生效果。所以，當對上述特征加以了解後，便能夠針對性地處理三次諧波汙染，即將有源的濾波器安裝到存在三次諧波的下遊線路中。除此之外，經過多年實踐可知，當濾波器距離三次諧波電流源頭越近，其防治的效果越好。與(yu) 此同時，若三次諧波的過濾器為(wei) 並聯形式，也能夠降低三次諧波的電壓，所以，將三次諧波的濾波器並聯於(yu) 非線性的負荷比較大供電點處時，能夠將三次諧波影響的危害控製在較低。

4、諧波治理整體(ti) 解決(jue) 方案

（1）有源電力濾波器的工作原理

有源電力濾波器的工作原理如圖1所示，主要由負載電流分離、指令電流調節、輸出電流控製、驅動電路以及主電路組成。它采用電流型變流器，經連接電抗器接入係統，通過調整交流側(ce) 逆變輸出電壓的瞬時幅值與(yu) 相位，或直接控製交流側(ce) 輸出電流，使裝置發出或吸收寬頻譜無功功率。基於(yu) 電力電子的有源電力濾波器裝置並聯於(yu) 電網中，相當於(yu) 一個(ge) 可控的無功及諧波電流源，其無功及諧波電流可以快速地跟隨負荷無功電流的變化而變化，自動補償(chang) 電網係統所需無功及諧波，並且可以實現從(cong) 感性無功到容性無功的全範圍補償(chang) ，同時對電網電壓進行動態穩定調節。

圖1 有源電力濾波器工作原理圖

（2）有源電力濾波器的工作原理

有源電力濾波器采用模塊化插拔式設計，集三相不平衡治理、諧波製止和無功補償(chang) 功能為(wei) 一體(ti) ，方便運維人員安裝拆卸，同時也方便將來用電負荷發生變化擴展補償(chang) 容量。

該有源濾波裝置主要特點有以下幾個(ge) 方麵：

1）補償(chang) 方式靈活：既可補諧波，又可兼補無功，可對2-51次諧波進行全補償(chang) 或相應特定次諧波進行補償(chang) ，同時可治理三相不平衡問題；

2）線性補償(chang) ，全響應時間≤5ms；

3）具有人性化的人機交互界麵，可通過該界麵看到係統和本體(ti) 的實時電能質量信息，操作簡單，可以遠控，也可以本控；

4）采用DSP高速檢測和運算的數字控製係統和進口IGBT，功率密度大，可靠性高；

5）監控以及顯示具備遠程通訊接口，可以通過PC機實時監控；

6）標準模塊化設計，縮短交付周期，同時提高了使用的可靠性和可維護性。

有源電力濾波器可采用壁掛和整櫃方式安裝，同時可實現集中和就地治理，如圖2所示的產(chan) 品，給安裝、 維護及日後升級帶來了便捷，提高了整體(ti) 的安裝效率。

圖2 有源電力濾波器產(chan) 品示意圖

5、案例分析

（1）項目背景

廣東(dong) 某地鐵改造項目，係統中負載主要為(wei) 照明、空調、泵機類、電梯、信號電源、UPS等設備，開關(guan) 電源的啟動瞬間形成電流衝(chong) 擊，和其它設備在運行過程中會(hui) 對係統產(chan) 生諧波電流汙染。其諧波主要包括3、5、7、9次；不進行合理治理，將對其他電氣設備產(chan) 生危害，如：大量的3次諧波造成中線過熱甚至發生火災；大量諧波造成變壓器局部嚴(yan) 重過熱；繼電保護發生誤動作等。

（2）治理方案

根據以往測量經驗進行諧波分析與(yu) 估算，諧波主要由UPS和一些非線性直流電源產(chan) 生，該項目有1#、2#兩(liang) 個(ge) 配電站，1#配電站有2台800kVA的變壓器，2#配電站有2台1000KVA的變壓器，分別采用集中治理方案，在每台變壓器下加裝ANAPF係列有源電力濾波器，由於(yu) 安裝空間有限，選擇我司壁掛式有源電力濾波器進行嵌入式安裝，1#配電站中#1和#2變壓器下安裝型號均為(wei) ANAPF75-380/BBL，2#配電站中#1和#2變壓器下安裝均為(wei) 2台型號為(wei) ANAPF60-380/BBL的有源電力濾波器並機使用，保障了整個(ge) 供電係統的穩定性。

（3）治理效果

圖3 治理之前電流波形和各次諧波電流畸變率

圖4 治理之後電流波形和各次諧波電流畸變率

治理前電流波形發生畸變，三相電流畸變率分別為(wei) 10.8%、11.1%、12.5%；在加裝ANAPF係列有源電力濾波器後電流波形趨向正弦波，各次諧波得到製止，電流畸變率明顯降低，三相電流畸變率降至4.0%、4.1%、4.4%。

（4）安裝現場

6、結論

本文主要地鐵負載電能質量治理方案的相關(guan) 內(nei) 容，通過對地鐵電能質量方麵出現的問題進行分析，並結合電能質量相應測量數據，給出相應的治理方案。再結合廣東(dong) 某地鐵電能質量改造項目案例，並通過現場實際應用證明了濾波器設備的實用性，驗證了有源濾波器設備可快速地治理無功及諧波電流，並且解決(jue) 地鐵用電負荷增長帶來的電能質量惡化問題，對地鐵電子設備、儀(yi) 器儀(yi) 表的計量和整體(ti) 供電能力、安全運行及經濟效益具有重要的意義(yi) 。

參考文獻

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