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摘 要：从轨道交通供电系统中谐波源入手，描述轨道交通供电系统的谐波危害，提出治理谐波的三种措施，重点对被动治理措施中的有源滤波器和无源滤波器方案进行综合比较，阐述有源滤波器的优点所在和接线方式，并应用工程实例进行实用成果的说明。
关键词：轨道交通 谐波 有源滤波器
中图分类号：U223 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）012-047-02
电力系统对于电能质量通常是使用频率和电压来衡量的，但是要完整的表征电能质量，仅用频率和电压这两项指标是远远不够的。波形的畸变、电压的闪变、和三相电压电流的不平衡等等都是影响电能质量的重要因素。
近年来，电力电子技术高速发展，并广泛应用于工业、交通、供电系统等各个领域，计算机、电机设备、变频空调等电气设备的广泛应用，造成了供电系统中的谐波量不断攀升，谐波污染已经成为威胁电网安全、稳定、经济运行的重要因素。在诸多公共服务领域，特别是轨道交通供电系统中，做好谐波治理是供电系统中一件非常重要的工作。
1 轨道交通供电系统中的谐波源
谐波，我们通常也称它为高次谐波；主要是指在运行中的电压、电流发生了波形畸变。在轨道交通供电系统运行中，负载具有波动性和不确定性，整流负载，非对称运行，容易造成谐波污染。一般来说，轨道交通供电系统中电子开关型非线性设备，主要为交、直换流装置及晶闸管构成的可控开关设备，如变流器、变频装置、晶闸管型直流提升机、整流装置等。比较典型的谐波源有：电机设备、变频调速装置如风机、中央空调、水泵用变频控制器和软启动器；LED广告牌；变电所直流屏、UPS电源屏；弱电系统电源，如信号系统、打印机等现代电子类设备，电梯、扶梯、屏蔽门等。
2 轨道交通供电系统的谐波危害
轨道交通供电系统的谐波危害，总的可以概括为电力危害和信号干扰两大方面。具体表现为：
（1）造成变压器过热，降低其带负载能力。运行中的变压器会因为谐波电流的存在而导致温度的增加，造成变压器过热，并进一步加速变压器绝缘的老化，损耗的增加，降低变压器的带负荷能力。
（2）干扰运行中的继电保护和自动控制装置，容易造成误动或拒动。
（3）对无功补偿电容器组引起谐波或谐波电流的放大，损坏无功补偿装置的投切开关，使内部电容器过流发热，严重时造成鼓胀甚至爆炸。
（4）对供电线路的影响。谐波的存在会导致供电线路运行损耗的增加，而且过大的谐波电流容易造成运行中的电力电缆产生过负荷或者过电压，造成电力电缆的击穿。
（5）造成运行设备的损毁。额外的谐波电流可能导致电网内器件过热甚至烧毁；导致中性线电流过大引发故障，造成中性线发热甚至火灾；影响电机效率和正常运行，产生震动和噪音，缩短电机寿命。
（6）敏感设备工作异常。谐波会使得精密仪器和敏感设备不能正常工作。比如计量设备，电能计量仪表通常是按工频正弦波设计的，当有谐波时将会产生测量误差。又如通信系统中的通信设备，会因为谐波的干扰产生噪声，造成通话清晰度的降低，甚至会导致信号的丢失，干扰保护与自动化设备的正常工作。
（7）电压畸变对照明设备，如白炽灯等的寿命有一定的影响。
根据测试经验，机车通过时，电压总畸变率最大值可以达到7.7%，11次谐波电压最大值为7.3%，13次为1.9%。电流总畸变率最大值可以达到为8.3%，其中5次为4.5%；7次为3.4%；11次为5.6%。
3 谐波治理的三种措施
（1）受端治理，主要是提高受谐波影响的设备或系统的抗谐波干扰能力。一般采用的措施有：在设计规划中阶段选择合理的供电方式；改进设备性能以提高抗谐波干扰能力；通过改变电抗器或者限制电容器投入容量减少谐波因电容器的放大；采用谐波保护装置改善谐波保护性能等。
（2）主动治理，主要是致力于降低谐波源本身产生的谐波量。一般采取的措施有：充分考虑谐波源的互补改变配置或工作方式；增加变流装置的脉冲数或相数；谐波电流叠加输入；用多重化技术消除频率比较低的谐波；采用脉宽调制技术；采用高功率因数变流器等。
（3）被动治理，主要是通过安装滤波器，阻碍电力系统或供电系统中的谐波流入负载端。一般采取的措施是使用滤波器。滤波器有无源滤波器PF、有源滤波器APF、混合型有源滤波器HAPF等。
4 有源滤波器APF（含HAPF）
相对无源滤波器而言，有源滤波器更为动态、灵活，可以实现实时控制，因此，在众多的谐波治理方案中，有源滤波器APF已经成为谐波治理的首选方案和发展方向。
4.1 APF的优点
有源滤波器APF（含HAPF）能实现动态治理，有效降低系统中的谐振电流或谐振电压，并能动态跟踪系统无功变化，提供从感性到容性的无功功率补偿，改善功率因素。总的来说，主要具有以下几方面优点：
（1）在滤波特性和补偿特性上，系统阻抗的变化和电网频率的变化对于有源滤波器没有影响。
（2）在滤波性能效果上，无源滤波器只能针对特定次数谐波进行补偿，而有源滤波器可以同时滤除2～50次以内全部谐波或指定次数的谐波。
（3）一台滤波装置就可以完成各种谐波的治理，而且可以集中治理多个谐波源，滤波效果可以达到90%以上，手段更为灵活，投资更为节省。
（4）在运行中能够根据系统谐波的频率和大小的变化，迅速做出响应和治理，响应速度一般可以达到1ms以内。
（5）具备系统不平衡补偿能力，可以在滤波的同时，动态补偿系统无功功率和负序，改善功率因素。
4.2 有源滤波器APF的运行示意图（如图1）
4.3 有源滤波器APF的产品分类及接线方式
（1）三相三线制APF。
适用于整流器、变频器、大型UPS、中频炉、电弧炉、SCR调功器等工业非线性负载。可同时滤除2～50次的全部或选定次数的谐波，响应时间小于1ms，是工业谐波负载的有效治理设备。
（2）三相四线制APF。
适用于制造、通信、低压动力照明、商用办公大楼照明、SCR调功照明、电脑、UPS、电梯、变频等在中线中产生三次谐波电流的负载。可同时滤除2～50次的全部或选定次数的谐波，响应时间小于1ms，是商业谐波负载的有效治理设备。
5 APF应用实例
SH城市轨道交通各线路的供电系统中存在低压母线高次谐波超标的情况，出现无功补偿电容器漏油、鼓肚、烧毁的情况，也给弱电系统的正常、安全运行带来了威胁。经过论证，取消传统的纯电容无功补偿的设计方案，采用了串接电抗器的无功补偿装置和有源滤波器并联使用的设计方案。经过一段时间的运行证明，有源滤波器的投运，有效降低了供电系统中的高次谐波。
参考文献：
[1] 罗安.电网谐波治理和无功补偿技术及装备[M].北京：中国电力出版社，2006.
[2] 吴竞昌.供电系统谐波[M].北京：中国电力出版社，1998.
关键词：轨道交通 谐波 有源滤波器
中图分类号：U223 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）012-047-02
电力系统对于电能质量通常是使用频率和电压来衡量的，但是要完整的表征电能质量，仅用频率和电压这两项指标是远远不够的。波形的畸变、电压的闪变、和三相电压电流的不平衡等等都是影响电能质量的重要因素。
近年来，电力电子技术高速发展，并广泛应用于工业、交通、供电系统等各个领域，计算机、电机设备、变频空调等电气设备的广泛应用，造成了供电系统中的谐波量不断攀升，谐波污染已经成为威胁电网安全、稳定、经济运行的重要因素。在诸多公共服务领域，特别是轨道交通供电系统中，做好谐波治理是供电系统中一件非常重要的工作。
1 轨道交通供电系统中的谐波源
谐波，我们通常也称它为高次谐波；主要是指在运行中的电压、电流发生了波形畸变。在轨道交通供电系统运行中，负载具有波动性和不确定性，整流负载，非对称运行，容易造成谐波污染。一般来说，轨道交通供电系统中电子开关型非线性设备，主要为交、直换流装置及晶闸管构成的可控开关设备，如变流器、变频装置、晶闸管型直流提升机、整流装置等。比较典型的谐波源有：电机设备、变频调速装置如风机、中央空调、水泵用变频控制器和软启动器；LED广告牌；变电所直流屏、UPS电源屏；弱电系统电源，如信号系统、打印机等现代电子类设备，电梯、扶梯、屏蔽门等。
2 轨道交通供电系统的谐波危害
轨道交通供电系统的谐波危害，总的可以概括为电力危害和信号干扰两大方面。具体表现为：
（1）造成变压器过热，降低其带负载能力。运行中的变压器会因为谐波电流的存在而导致温度的增加，造成变压器过热，并进一步加速变压器绝缘的老化，损耗的增加，降低变压器的带负荷能力。
（2）干扰运行中的继电保护和自动控制装置，容易造成误动或拒动。
（3）对无功补偿电容器组引起谐波或谐波电流的放大，损坏无功补偿装置的投切开关，使内部电容器过流发热，严重时造成鼓胀甚至爆炸。
（4）对供电线路的影响。谐波的存在会导致供电线路运行损耗的增加，而且过大的谐波电流容易造成运行中的电力电缆产生过负荷或者过电压，造成电力电缆的击穿。
（5）造成运行设备的损毁。额外的谐波电流可能导致电网内器件过热甚至烧毁；导致中性线电流过大引发故障，造成中性线发热甚至火灾；影响电机效率和正常运行，产生震动和噪音，缩短电机寿命。
（6）敏感设备工作异常。谐波会使得精密仪器和敏感设备不能正常工作。比如计量设备，电能计量仪表通常是按工频正弦波设计的，当有谐波时将会产生测量误差。又如通信系统中的通信设备，会因为谐波的干扰产生噪声，造成通话清晰度的降低，甚至会导致信号的丢失，干扰保护与自动化设备的正常工作。
（7）电压畸变对照明设备，如白炽灯等的寿命有一定的影响。
根据测试经验，机车通过时，电压总畸变率最大值可以达到7.7%，11次谐波电压最大值为7.3%，13次为1.9%。电流总畸变率最大值可以达到为8.3%，其中5次为4.5%；7次为3.4%；11次为5.6%。
3 谐波治理的三种措施
（1）受端治理，主要是提高受谐波影响的设备或系统的抗谐波干扰能力。一般采用的措施有：在设计规划中阶段选择合理的供电方式；改进设备性能以提高抗谐波干扰能力；通过改变电抗器或者限制电容器投入容量减少谐波因电容器的放大；采用谐波保护装置改善谐波保护性能等。
（2）主动治理，主要是致力于降低谐波源本身产生的谐波量。一般采取的措施有：充分考虑谐波源的互补改变配置或工作方式；增加变流装置的脉冲数或相数；谐波电流叠加输入；用多重化技术消除频率比较低的谐波；采用脉宽调制技术；采用高功率因数变流器等。
（3）被动治理，主要是通过安装滤波器，阻碍电力系统或供电系统中的谐波流入负载端。一般采取的措施是使用滤波器。滤波器有无源滤波器PF、有源滤波器APF、混合型有源滤波器HAPF等。
4 有源滤波器APF（含HAPF）
相对无源滤波器而言，有源滤波器更为动态、灵活，可以实现实时控制，因此，在众多的谐波治理方案中，有源滤波器APF已经成为谐波治理的首选方案和发展方向。
4.1 APF的优点
有源滤波器APF（含HAPF）能实现动态治理，有效降低系统中的谐振电流或谐振电压，并能动态跟踪系统无功变化，提供从感性到容性的无功功率补偿，改善功率因素。总的来说，主要具有以下几方面优点：
（1）在滤波特性和补偿特性上，系统阻抗的变化和电网频率的变化对于有源滤波器没有影响。
（2）在滤波性能效果上，无源滤波器只能针对特定次数谐波进行补偿，而有源滤波器可以同时滤除2～50次以内全部谐波或指定次数的谐波。
（3）一台滤波装置就可以完成各种谐波的治理，而且可以集中治理多个谐波源，滤波效果可以达到90%以上，手段更为灵活，投资更为节省。
（4）在运行中能够根据系统谐波的频率和大小的变化，迅速做出响应和治理，响应速度一般可以达到1ms以内。
（5）具备系统不平衡补偿能力，可以在滤波的同时，动态补偿系统无功功率和负序，改善功率因素。
4.2 有源滤波器APF的运行示意图（如图1）
4.3 有源滤波器APF的产品分类及接线方式
（1）三相三线制APF。
适用于整流器、变频器、大型UPS、中频炉、电弧炉、SCR调功器等工业非线性负载。可同时滤除2～50次的全部或选定次数的谐波，响应时间小于1ms，是工业谐波负载的有效治理设备。
（2）三相四线制APF。
适用于制造、通信、低压动力照明、商用办公大楼照明、SCR调功照明、电脑、UPS、电梯、变频等在中线中产生三次谐波电流的负载。可同时滤除2～50次的全部或选定次数的谐波，响应时间小于1ms，是商业谐波负载的有效治理设备。
5 APF应用实例
SH城市轨道交通各线路的供电系统中存在低压母线高次谐波超标的情况，出现无功补偿电容器漏油、鼓肚、烧毁的情况，也给弱电系统的正常、安全运行带来了威胁。经过论证，取消传统的纯电容无功补偿的设计方案，采用了串接电抗器的无功补偿装置和有源滤波器并联使用的设计方案。经过一段时间的运行证明，有源滤波器的投运，有效降低了供电系统中的高次谐波。
参考文献：
[1] 罗安.电网谐波治理和无功补偿技术及装备[M].北京：中国电力出版社，2006.
[2] 吴竞昌.供电系统谐波[M].北京：中国电力出版社，1998.