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【摘 要】地铁供电系统谐波源多种多样，产生的谐波种类也比较复杂，本文分析了地铁供电系统提高电能质量的方式，提出利用有源电力滤波器进行谐波和无功综合治理的方案，介绍了有源电力滤波器的设置方式及容量计算等。
【关键词】地铁供电系统；谐波抵制；无功补偿
一、引言
地铁供电系统主要包含中压环网系统、牵引供电系统和低压配电系统。其中中压环网系统取自城市或区域电力网，是地铁供电系统的传输网络；牵引供电系统是地铁供电系统的核心，负责向地铁交通车辆提供电能，主要作用是降压、整流和传输电能；低压配电系统负责向弱电系统、电扶梯、通风空调、给排水、照明系统等车站及区间机电设备分配和传输电能。地铁供电系统在保证牵引机车和车站机电设备稳定运行的同时，产生的电能质量问题相应增多，如给电网带来了不可忽视的谐波污染。从节能、保护地铁系统安全运行等方面考虑，均应进行谐波抑制及无功补偿。
二、地铁谐波及无功功率分析
1.供电系统谐波
供电系统中的各个环节都会产生谐波谐波，主要来自非线性的电气设备，比如具有铁磁饱和的变压器、电抗器，具有强烈的非线性特性的气体放电灯、交流弧焊机等，以电子元件为基础的开关设备整流器、变频器等。非线性电气设备的显著特点是从电网取用非正弦电流，也就是说即使电源电压是正弦波形，但由于负荷电流不随电压同步变化的特性，使得流过负荷的电流是非正弦波形，主要由基波及其整数倍的谐波组成。低压供电系统的稳定谐波幅度不随时间变化，如视频显示设备和测试仪表等产生的谐波，对电网来说表现为恒定的负载。波动谐波大多来自于激光打印机、复印机、微波炉等等设备的使用，各次谐波的幅值随时间变化，这类设备对电网来说是一个随时间变化的负载。
2.供电系统无功功率
地铁供电系统中，大部分用电设备为感性负荷，而配电采用电缆线路，系统整体功率因数较高。通过对国内已投运地铁线路的统计，白天高峰期时段，主变电所110kV侧功率因数均能达到0.9以上，0.4kV侧的平均功率因数均在0.85以上；夜间低谷时段地铁停运，大量感性负荷被切断，供电电缆由于其充电效应造成容性无功功率倒送到电网，致使功率因数严重下降。考虑到城市电网远期接线方案和运行方式均有可能发生变化，导致城市电网容量和谐波阻抗发生变化，加之城市电网的背景谐波，一般地铁主变电所均设置动态无功补偿及谐波综合治理装置（SVG）。地铁低压配电系统设备繁多，无功功率的影响大，浪费严重，因此无功补偿也应从0.4kV侧重点治理。
三、谐波的危害及无功功率的影响
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，对供电系统产生的危害有：
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。
无功功率包含基波无功和谐波无功，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，从而增加设备及线路的损耗；
3.使线路及变压器的压降增大，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、供电系统谐波及无功治理措施
1.加强谐波管理
执行有关国家标准GB17625.1一1998《低压电气及电子设备发出的谐波电流限值（设备每相输入电流蕊16A）》中确定了3类设备即：A平衡的三相设备以及除B、C和O类外的所有其它设备；B便携式电动工具户包括调光装置的照明设备；D输入电流具有标准所定义的“特殊波形”，且其有功功率不大于印OW的设备产生的谐波电流的发射限值。该标准还规定了试验电路和对试验电源的要求、对测量设备的要求和试验条件等内容。.
2.增加换流装置的相数
系统的主要谐波源是换流装置在交、直流侧产生的特征谐波，次数分别为kP士1和kP。p由6增至12时，可有效消除幅值较大的低频项，使谐波电流有效值大为降低。
3.加装动态无功补偿装置
减少谐波影响的根本措施是在谐波源附近防止或减小谐波电流，降低谐波电压。防止谐波电流危害的方法有主、被动两种，前者在已产生谐波的情况下采用的传统无源滤波方法；后者是利用可关断电力电子器件，产生与谐波分量大小相等、相位相反的电流来消除谐波。动态无功补偿技术具有以下特点：地面占用的面积较小，为传统无功补偿装置的30%一50%，不会受到母线电压的影响，是一个可控的恒流源，具有较强的独立性；运行消耗量比传统装置低，而效率更高，功率因数可以补偿到0.94-0.99；具有较高的安全性、可靠性，受系统参数影响小，更不会发生谐振放大现象；动态无功补偿装置运行时不会产生任何谐波电流还起到消除供电系统中部分谐波电流的作用等。
为提高供电系统电能质量，综合解决谐波、无功功率问题，目前最好的方法是选用带有谐波治理和无功补偿综合治理功能的有源滤波装置。有源电力滤波器（APF）是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的智能化电力电子设备，主要由谐波信号的检测和补偿两部分组成。通过对电网中非线性负载产生的谐波进行采样、分析，控制功率逆变器，产生与电网中谐波成分大小相等、方向相反的谐波电流注入电网，对变化的谐波及无功进行动态补偿。
五、谐波及无功补偿容量计算
地铁供电各类负荷具有波动性，低压配电系统中谐波成分复杂，建设初期设计人员对谐波进行精确计算有较大难度，合理选择补偿配置方案和有源滤波器的容量是保证电能质量的难点。通过对上海、杭州等城市运营地铁线路的调研，针对不同配电变压器容量，0.4kV侧单段母线有源滤波器及无功补偿装置分别投入最大容量如表1所示。
根据地铁供电系统运行特点，结合表1的数据，有源滤波器配置容量计算可按下式进行：
（1）
其中：IC———系统谐波补偿电流，即有源滤波器配置容量，A；
表1有源滤波器及无功补偿容量表
为补偿无功电流，A；
Ur———额定电压，kV；
QC———表1中电容器补偿容量，kvar；
Ih———表1中APF投入容量，kVA。
根据表1公式（1），结合地铁供电系统的测试及运营经验，配电变压器实际负荷率约为0.4～0.5，电流总谐波畸变率约为10%～15%。在集中治理谐波兼补无功的情况下，0.4kV侧单段母线有源滤波器参考容量配置详见表2。
表2有源滤波器配置容量表
结束语
隨着谐波治理设备技术日趋成熟，实际应用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，通过设置谐波补偿装置进行局部谐波治理，从谐波产生源头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：
[1]王均山.有源滤波技术在地铁供电系统中的应用[J].铁道工程学报，2009，（9）.
[2]曲尚开.地铁供电系统接地方式探讨[J].黑龙江科技信息，2009，（5）.
【关键词】地铁供电系统；谐波抵制；无功补偿
一、引言
地铁供电系统主要包含中压环网系统、牵引供电系统和低压配电系统。其中中压环网系统取自城市或区域电力网，是地铁供电系统的传输网络；牵引供电系统是地铁供电系统的核心，负责向地铁交通车辆提供电能，主要作用是降压、整流和传输电能；低压配电系统负责向弱电系统、电扶梯、通风空调、给排水、照明系统等车站及区间机电设备分配和传输电能。地铁供电系统在保证牵引机车和车站机电设备稳定运行的同时，产生的电能质量问题相应增多，如给电网带来了不可忽视的谐波污染。从节能、保护地铁系统安全运行等方面考虑，均应进行谐波抑制及无功补偿。
二、地铁谐波及无功功率分析
1.供电系统谐波
供电系统中的各个环节都会产生谐波谐波，主要来自非线性的电气设备，比如具有铁磁饱和的变压器、电抗器，具有强烈的非线性特性的气体放电灯、交流弧焊机等，以电子元件为基础的开关设备整流器、变频器等。非线性电气设备的显著特点是从电网取用非正弦电流，也就是说即使电源电压是正弦波形，但由于负荷电流不随电压同步变化的特性，使得流过负荷的电流是非正弦波形，主要由基波及其整数倍的谐波组成。低压供电系统的稳定谐波幅度不随时间变化，如视频显示设备和测试仪表等产生的谐波，对电网来说表现为恒定的负载。波动谐波大多来自于激光打印机、复印机、微波炉等等设备的使用，各次谐波的幅值随时间变化，这类设备对电网来说是一个随时间变化的负载。
2.供电系统无功功率
地铁供电系统中，大部分用电设备为感性负荷，而配电采用电缆线路，系统整体功率因数较高。通过对国内已投运地铁线路的统计，白天高峰期时段，主变电所110kV侧功率因数均能达到0.9以上，0.4kV侧的平均功率因数均在0.85以上；夜间低谷时段地铁停运，大量感性负荷被切断，供电电缆由于其充电效应造成容性无功功率倒送到电网，致使功率因数严重下降。考虑到城市电网远期接线方案和运行方式均有可能发生变化，导致城市电网容量和谐波阻抗发生变化，加之城市电网的背景谐波，一般地铁主变电所均设置动态无功补偿及谐波综合治理装置（SVG）。地铁低压配电系统设备繁多，无功功率的影响大，浪费严重，因此无功补偿也应从0.4kV侧重点治理。
三、谐波的危害及无功功率的影响
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，对供电系统产生的危害有：
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。
无功功率包含基波无功和谐波无功，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，从而增加设备及线路的损耗；
3.使线路及变压器的压降增大，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、供电系统谐波及无功治理措施
1.加强谐波管理
执行有关国家标准GB17625.1一1998《低压电气及电子设备发出的谐波电流限值（设备每相输入电流蕊16A）》中确定了3类设备即：A平衡的三相设备以及除B、C和O类外的所有其它设备；B便携式电动工具户包括调光装置的照明设备；D输入电流具有标准所定义的“特殊波形”，且其有功功率不大于印OW的设备产生的谐波电流的发射限值。该标准还规定了试验电路和对试验电源的要求、对测量设备的要求和试验条件等内容。.
2.增加换流装置的相数
系统的主要谐波源是换流装置在交、直流侧产生的特征谐波，次数分别为kP士1和kP。p由6增至12时，可有效消除幅值较大的低频项，使谐波电流有效值大为降低。
3.加装动态无功补偿装置
减少谐波影响的根本措施是在谐波源附近防止或减小谐波电流，降低谐波电压。防止谐波电流危害的方法有主、被动两种，前者在已产生谐波的情况下采用的传统无源滤波方法；后者是利用可关断电力电子器件，产生与谐波分量大小相等、相位相反的电流来消除谐波。动态无功补偿技术具有以下特点：地面占用的面积较小，为传统无功补偿装置的30%一50%，不会受到母线电压的影响，是一个可控的恒流源，具有较强的独立性；运行消耗量比传统装置低，而效率更高，功率因数可以补偿到0.94-0.99；具有较高的安全性、可靠性，受系统参数影响小，更不会发生谐振放大现象；动态无功补偿装置运行时不会产生任何谐波电流还起到消除供电系统中部分谐波电流的作用等。
为提高供电系统电能质量，综合解决谐波、无功功率问题，目前最好的方法是选用带有谐波治理和无功补偿综合治理功能的有源滤波装置。有源电力滤波器（APF）是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的智能化电力电子设备，主要由谐波信号的检测和补偿两部分组成。通过对电网中非线性负载产生的谐波进行采样、分析，控制功率逆变器，产生与电网中谐波成分大小相等、方向相反的谐波电流注入电网，对变化的谐波及无功进行动态补偿。
五、谐波及无功补偿容量计算
地铁供电各类负荷具有波动性，低压配电系统中谐波成分复杂，建设初期设计人员对谐波进行精确计算有较大难度，合理选择补偿配置方案和有源滤波器的容量是保证电能质量的难点。通过对上海、杭州等城市运营地铁线路的调研，针对不同配电变压器容量，0.4kV侧单段母线有源滤波器及无功补偿装置分别投入最大容量如表1所示。
根据地铁供电系统运行特点，结合表1的数据，有源滤波器配置容量计算可按下式进行：
（1）
其中：IC———系统谐波补偿电流，即有源滤波器配置容量，A；
表1有源滤波器及无功补偿容量表
为补偿无功电流，A；
Ur———额定电压，kV；
QC———表1中电容器补偿容量，kvar；
Ih———表1中APF投入容量，kVA。
根据表1公式（1），结合地铁供电系统的测试及运营经验，配电变压器实际负荷率约为0.4～0.5，电流总谐波畸变率约为10%～15%。在集中治理谐波兼补无功的情况下，0.4kV侧单段母线有源滤波器参考容量配置详见表2。
表2有源滤波器配置容量表
结束语
隨着谐波治理设备技术日趋成熟，实际应用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，通过设置谐波补偿装置进行局部谐波治理，从谐波产生源头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：
[1]王均山.有源滤波技术在地铁供电系统中的应用[J].铁道工程学报，2009，（9）.
[2]曲尚开.地铁供电系统接地方式探讨[J].黑龙江科技信息，2009，（5）.