淺談有源濾波裝置在軌道交通行業(yè)的應用與選型

李明君

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：軌道交通運行中需要大量的變頻設備，導致其電網(wǎng)中含有大量的諧波，這些諧波影響到電網(wǎng)供電穩(wěn)定性，從而威脅到城市軌道交通運輸?shù)陌踩院头€(wěn)定性。有源濾波裝置在城市軌道交通中的應用，可以消除電網(wǎng)中的諧波，確保電網(wǎng)運行安全性。

關鍵詞：有源濾波；城市軌道交通；諧波治理

0引言

本文主要介紹了有源濾波裝置、諧波對城市軌道交通的影響以及有源濾波裝置在某市地鐵4號線的應用，取得了良好的效果，電流諧波畸變率從27%降低到2.3%，功率因素從0.8提高到0.95，諧波改善效果非常顯著。

1有源濾波裝置

有源濾波裝置，就是一種用語動態(tài)抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，能夠對任何諧波進行治理，在當前已經(jīng)廣泛的應用到了軌道交通行業(yè)中。有源濾波裝置，是采用現(xiàn)代電力電子技術和基于高速DSP器件的數(shù)字信號處理技術，制成的新型電力諧波治理設備，它由指令電流電路和補償電流發(fā)生電路構成。指令電流電路對實時電流進行監(jiān)控，并將模擬電流信號轉換為數(shù)字電流信號，然后通過通信通道傳輸?shù)綌?shù)字信號處理器中，數(shù)字信號處理器對數(shù)字信號進行處理，將諧波和基波進行分離，并將脈寬調制信號向補償電流電路輸送驅動脈沖，驅動IGBT和IPM模塊，其生產(chǎn)的電流幅值和電網(wǎng)諧波電流幅值相等，然后將極性不同的補償電流注入到電網(wǎng)中，從而對電網(wǎng)中產(chǎn)生的諧波電流進行補償和抵消，消除電網(wǎng)中的電力諧波。有源濾波器打破了過去傳統(tǒng)濾波器只能固定補償或者無功補償?shù)娜秉c，可以實現(xiàn)對電網(wǎng)電流進行動態(tài)跟蹤補償，既可以消除諧波，又可以達到無功補償?shù)哪康腫1]。

2諧波對城市軌道交通功的影響

諧波指的頻率為50Hz基波頻率整數(shù)倍的周期性正弦能量。諧波是影響供電質量的重要因素，城市軌道交通運行過程中，需要直流牽引網(wǎng)為列車供電，直流電源需要通過硅整流獲得，整流在交、直流變換過程中產(chǎn)生諧波。同時，地鐵列車為了提高舒適性、安全性和可靠性，安裝大量的調頻裝置、風機、監(jiān)控系統(tǒng)、電力機車等設備，這些設備數(shù)量比較多，在運行過程中，對城市軌道交通產(chǎn)生重要影響。

2.1影響電網(wǎng)安全性

地鐵低壓電氣系統(tǒng)包括AC400V開關柜進線、配電箱、動力配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、應急電源裝置、接地與安全系統(tǒng)。地鐵電網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生大量的諧波，導致電網(wǎng)接地保護裝置失效，增加電力損耗，影響到電網(wǎng)的安全性和可靠性。軌道交通產(chǎn)生大量的諧波，需要無功補償裝置進行補償，增加了電力設備的損耗，導致電力設備絕緣體破裂、設備老化等問題。無功補償裝置長期運行，可能導致電力設備和線路溫度過高，加速設備的老化時間，從而導致斷路器電弧熄滅時間延長，斷路器出現(xiàn)誤斷現(xiàn)象，導致電力故障。

2.2增加變壓器的損耗

諧波增加變壓器內部電阻損耗、導體中的渦流損耗以及外部損耗，導致變壓器發(fā)熱。目前地鐵工程低壓配電網(wǎng)的配電變壓器大多數(shù)采用星型或者三角形接線方式，這增加了電網(wǎng)零序諧波為變壓器一側繞組提供了環(huán)流桐廬，抑制諧波向電源端的傳輸，然而這種接線方式不會阻止其他頻率的諧波傳輸?shù)诫娫炊?，從而增加變壓器的損耗，進一步增加電力損耗，影響到供電質量。其次，諧波還會增加變壓器的鐵耗，導致變壓器發(fā)熱變形，這主要是由于變壓器內的鐵芯中的磁滯損耗增加，諧波讓電壓的波形變差，從而增加了磁滯損耗。變壓器內部電阻損耗、鐵耗的增加，減少變壓器實際電壓，從而影響到變壓器的發(fā)電容量，無法達到實際設計要求的電壓容量。

2.3對補償裝置的損耗

為了保證地鐵列車正常用電，城市軌道交通變壓器要保證長時間供電，電壓器長期處于飽和狀態(tài)下，自身產(chǎn)生一定的諧波。安裝電容器以后，電容器可以夠抵消一些諧波，但是如果諧波的的含量過大，造成電容器發(fā)熱，增加電容器表面絕緣物質的老化，從而影響到電容器的使用時間。如果電容器投入到電壓已經(jīng)出現(xiàn)問題的電網(wǎng)，則可以進一步加劇諧波現(xiàn)象，大量的諧波讓電壓出現(xiàn)尖頂波形，頂尖電壓波可能誘發(fā)局部放電，由于電壓升降變壓化，導致局部電流過大，從而加劇絕緣介質的老化程度，影響到電容器的使用壽命。如果電壓升高10%，電容器的使用壽命縮短一半。

3有源濾波裝置在城市軌道交通中的應用效果

3.1工程概況

某市地鐵4號線工程起于航天新城，止于北客站，線路總長35.2km，共設置29座車站。考慮到地鐵列車的配電系統(tǒng)在運行過程中，產(chǎn)量大量的諧波，為了改善配電系統(tǒng)的電能質量，某市地鐵4號線在全線所有車站均安裝有源濾波裝置，實現(xiàn)對諧波的治理。

3.2諧波治理

某市地鐵4號線選擇的是LBAPF有源濾波器，對于諧波的治理主要是對降壓變電所的動力照明系統(tǒng)進行電能質量綜合治理。在變壓器低壓側母線采取集中治理的方式進行治理。治理效果比較明顯，效率高，能夠完成諧波的治理，達到軌道交通的相關要求。LBAPF有源濾波裝置具有極快的響應時間，主電路拓撲和控制算法，其精度高、運行更穩(wěn)定。既可補諧波，又可兼補無功：模塊化設計，便于生產(chǎn)調試便利的并聯(lián)設計：具有完蓋的橋售過流、保護功能。使用方便，易于操作和維護。LBAPF有源濾波器相關的技術參數(shù)和原件如下表:

表1為有源濾波裝置相美技術參數(shù)表

3.3諧波治理效果

為了檢驗有源濾波裝置對軌道交通供電質量的改善，2019年1月8日到15日對某市地鐵4號線已經(jīng)安裝有源濾波裝置的車站使用電力分析儀對配電系統(tǒng)進行檢查。本次使用的電力分析儀型號為CA8335，這種型號的分析儀具有強大的記錄功能，可以對配電系統(tǒng)的電壓升降、電壓中斷、電壓頻率、電流、電壓峰值、有功功率、無功功率、閃變、諧波電壓、電流不平衡率等指標進行長時間記錄。將電壓夾、電流鉗等連接地鐵車站的配電系統(tǒng)，采集配電系統(tǒng)的電流、電壓，然后進行測試。通過測試分析地鐵車站安裝有源濾波裝置以后，電壓、電流的變化。測試儀器采集不同時段地鐵車站運行數(shù)據(jù)，從而測試配電系統(tǒng)的供電質量。經(jīng)過長時間的測試跟蹤得出有源濾波裝置開啟前后功率、功率因素平均值，統(tǒng)計結果如下表：

表2有源濾波裝置開啟前后功率以及公功率因素平均值

表3為有源濾波裝置開啟前后諧波電流百分比

3.4結果分析

從上述表格內容可以得出，有源濾波裝置開啟前，4號線的配電系統(tǒng)3、5、7、9、11、13次諧波的電流比較大，功率因數(shù)偏低。有源濾波裝置開啟后，配電系統(tǒng)的諧波經(jīng)過有源濾波裝置的處理以后，效果比較好，A相總電流畸變率從10.4%降低到2.1%；B相總電流畸變率從20.3%降低到2.8%；C相總電流畸變率從27%降低到3.4%。功率因素從0.8提高到0.95。所以，有源濾波裝置改善了4號線的配電系統(tǒng)供電質量，降低了配電系統(tǒng)的無功損耗，消除了配電系統(tǒng)的諧波電流，提高了配電系統(tǒng)的運行效率和電力設備的使用壽命，有源濾波裝置的安裝達到了設計要求。

4安科瑞APF有源濾波器產(chǎn)品選型

4.1產(chǎn)品特點

(1)DSP+FPGA控制方式，響應時間短，全數(shù)字控制算法，運行穩(wěn)定；

(2)一機多能，既可補諧波，又可兼補無功，可對2～51次諧波進行全補償或**特定次諧波進行補償；

(3)具有完善的橋臂過流保護、直流過壓保護、裝置過溫保護功能；

(4)模塊化設計，體積小，安裝便利，方便擴容；

(5)采用7英寸大屏幕彩色觸摸屏以實現(xiàn)參數(shù)設置和控制，使用方便，易于操作和維護；

(6)輸出端加裝濾波裝置，降低高頻紋波對電力系統(tǒng)的影響；

(7)多機并聯(lián)，達到較高的電流輸出等級；

4.2型號說明

4.3尺寸說明

4.4產(chǎn)品實物展示

ANAPF有源濾波器

5安科瑞智能電容器產(chǎn)品選型

5.1產(chǎn)品概述

AZC/AZCL系列智能電容器是應用于0.4kV、50Hz低壓配電中用于節(jié)省能源、降低線損、提高功率因數(shù)和電能質量的新一代無功補償設備。它由智能測控單元，晶閘管復合開關電路，線路保護單元，兩臺共補或一臺分補低壓電力電容器構成。可替代常規(guī)由熔絲、復合開關或機械式接觸器、熱繼電器、低壓電力電容器、指示燈等散件在柜內和柜面由導線連接而組成的自動無功補償裝置。具有體積更小，功耗更低，維護方便，使用壽命長，可靠性高的特點，適應現(xiàn)代電網(wǎng)對無功補償?shù)母咭蟆?/p>

AZC/AZCL系列智能電容器采用定式LCD液晶顯示器，可顯示三相母線電壓、三相母線電流、三相功率因數(shù)、頻率、電容器路數(shù)及投切狀態(tài)、有功功率、無功功率、諧波電壓總畸變率、電容器溫度等。通過內部晶閘管復合開關電路，自動尋找適宜投入（切除）點，實現(xiàn)過零投切，具有過壓保護、缺相保護、過諧保護、過溫保護等保護功能。

5.2型號說明

AZC系列智能電容器選型：

AZCL系列智能電容器選型：

5.3產(chǎn)品實物展示

AZC系列智能電容模塊AZCL系列智能電容模塊

安科瑞無功補償裝置智能電容方案

6結束語

將有源濾波裝置投入到城市軌道交通的配電系統(tǒng)中，降低了配電系統(tǒng)諧波畸變率，提高了配電網(wǎng)的功率因素，降低了配電系統(tǒng)的損耗，避免諧波對軌道交通供電、列車調度、通信信號等方面的影響，提高了整個供配電系統(tǒng)的安全性。

參考文獻

[1]馬雄.淺談城市軌道交通低壓有源濾波裝置的應用[J].建筑工程技術與設計，2018（15）：4834.

[2]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2022.05版.

[3]佘軍峰.有源濾波裝置在軌道交通行業(yè)的應用

作者簡介

李明君，男,現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司。