摘要：作為國家提出的綠色電網(wǎng)、節能降耗已成為現代化企業(yè)努力的目標，也是企業(yè)急需解決的問(wèn)題。作為地鐵車(chē)站這類(lèi)市政公共交通建筑的重點(diǎn)系統——配電系統。實(shí)現綠色電網(wǎng)實(shí)質(zhì)上是解決電網(wǎng)中存在的各種電能問(wèn)題，主要是涉及到諧波與無(wú)功問(wèn)題兩個(gè)方面，就某條地鐵線(xiàn)目前的電力系統狀態(tài)而言，其在低壓配電系統中裝設有源電力濾波器進(jìn)行諧波治理，但APF實(shí)際未投入。系統中的諧波問(wèn)題仍然存在，因此需對該站點(diǎn)進(jìn)行詳細的測試，同時(shí)為該線(xiàn)路的有源電力濾波器APF進(jìn)行必要性評估，對后續新開(kāi)線(xiàn)路的有源濾波器設置提出參考意見(jiàn)。
關(guān)鍵詞：地鐵負載；電能質(zhì)量；諧波治理；無(wú)功補償
0、地鐵電能質(zhì)量分析
目前城市軌道交通普遍存在的主要電能質(zhì)量問(wèn)題就是功率因數、電壓波動(dòng)與閃變及諧波問(wèn)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，由于該用電負載多數為感性負荷，此時(shí)感性無(wú)功基本接近為零，產(chǎn)生的容性無(wú)功甚至可以達到幾Mkvar。若無(wú)功功率倒送進(jìn)電力系統，會(huì )導致線(xiàn)路電壓升高，同時(shí)也會(huì )導致功率因數降低。地鐵中電力機車(chē)屬于典型的非線(xiàn)性負荷，由于運行過(guò)程中啟停頻繁，短時(shí)間內會(huì )產(chǎn)生沖擊性負載電流，此類(lèi)沖擊會(huì )造成電壓的波動(dòng)與閃變。
1、主要研究?jì)热?/strong>
以廣東某地鐵站為例，由于該地鐵站高壓側110kV和35kV無(wú)功及諧波方面已經(jīng)治理，本篇文章主要突出治理0.4KV低壓設備的無(wú)功及諧波等相關(guān)問(wèn)題。線(xiàn)路阻抗隨著(zhù)頻率的升高而增加，諧波電流使線(xiàn)路的附加損耗增加，而供電電網(wǎng)的損耗大部分為變壓器和線(xiàn)路的損耗，所以諧波是導致電網(wǎng)網(wǎng)損增加的一個(gè)重要因素。線(xiàn)路的分布電感和對地電容與產(chǎn)生諧波的設備組成串聯(lián)或并聯(lián)回路，在一定的參數條件下，會(huì )發(fā)生串聯(lián)諧振或并聯(lián)諧振，而且所產(chǎn)生的諧振過(guò)電壓和過(guò)電流對相關(guān)設備的危害性較大。(此情況一般出現在高壓環(huán)境下，在0.4KV低壓環(huán)境中由于線(xiàn)路和變壓器的分布電容過(guò)小，一般忽略不計）在適當的條件下還會(huì )形成諧波放大，而諧波電壓、電流放大會(huì )引起繼電保護裝置誤動(dòng)甚至損壞，造成電力火災。同時(shí)諧波電流對線(xiàn)纜的肌膚效應會(huì )造成線(xiàn)纜發(fā)熱過(guò)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(shí)諧波電流還會(huì )導致系統的運行威脅導致不安全因素的出現，嚴重時(shí)會(huì )影響甚至是中斷生產(chǎn)工作的進(jìn)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(jìn)行了測試。同時(shí)對地鐵系統中負載主要為照明、空調、泵機類(lèi)、電梯、信號電源、UPS等設備進(jìn)行開(kāi)啟有源濾波APF和不開(kāi)啟有源APF情況下進(jìn)行測試，對測試數據進(jìn)行統計分析，選出合適的型號的治理設備，同時(shí)計算該設備選擇的節能性。
2、測試數據及分析
（1）測試說(shuō)明
本次測試主要針對廣東某地鐵站低壓配電室的1#和2#變壓器進(jìn)行了測試。系統中負載主要為照明、空調、泵機類(lèi)、電梯、信號電源、UPS等設備，開(kāi)關(guān)電源的啟動(dòng)瞬間形成電流沖擊，和其它設備在運行過(guò)程中會(huì )對系統產(chǎn)生諧波電流污染。該系統中各變壓器的負荷性質(zhì)決定了在其運行的過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生諧波電流并匯入配電網(wǎng)中對配電系統造成一定的諧波污染問(wèn)題，系統中存在的節能照明在運行過(guò)程中產(chǎn)生3次諧波電流，3次諧波電流為零序諧波電流，三相矢量角度一致，存在N線(xiàn)上諧波電流的疊加情況，N相電流是相線(xiàn)的3倍，本次測試主要是針對這些問(wèn)題進(jìn)行的。根據工程實(shí)踐經(jīng)驗，諧波電流會(huì )導致系統的運行威脅同時(shí)還會(huì )造成電纜的額外發(fā)熱并加速電纜的絕緣老化導致不安全因素的出現，嚴重時(shí)會(huì )影響甚至是中斷生產(chǎn)工作的進(jìn)行。
（2）測試方法
在現場(chǎng)工作人員的配合下對共計2臺變壓器（1#變壓器和2#變壓器）進(jìn)行了詳細的電能質(zhì)量測試，本次方案的目標是*消除系統中諧波電流污染的問(wèn)題尤其是3N次諧波電流疊加導致N線(xiàn)電流變大問(wèn)題，同時(shí)N線(xiàn)電流變大容易導致電氣火災的發(fā)生，因此在整個(gè)用電系統中對于電流數據的采集較為重要。在方案制定時(shí)將會(huì )根據測試值對現場(chǎng)治理設備進(jìn)行設計選型，保證系統中諧波電流的濾除。測試時(shí)每個(gè)測試點(diǎn)均進(jìn)行了24小時(shí)的監測能夠明確整個(gè)周期內的典型電能質(zhì)量狀況。
（3）測試數據及分析
1)1#變壓器低壓側測試數據
1#測試數據表
通過(guò)上述測試數據分析得出，電壓畸變率波動(dòng)在1.2%~1.4%之間，電流畸變率為10%~15%左右，系統基波電流值約為500A，電流畸變頻譜表明其中3次、5次、7次和11次諧波電流為主，總的諧波電流值約為125A，N線(xiàn)電流主要為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(xiàn)輸出能力為相線(xiàn)的3倍，可解決中線(xiàn)諧波電流疊加的問(wèn)題。該變壓器容量為1250kVA，現有地鐵車(chē)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(shí)需要考慮留有一定容量進(jìn)行無(wú)功補償，一般按照變壓器容量的30%進(jìn)行無(wú)功補償配置。
2)2#變壓器低壓側測試數據
2#測試數據表
通過(guò)上述測試數據分析出，電壓畸變率波動(dòng)在1.4%~1.5%之間，電流畸變率為10%~20%左右，系統基波電流值約為500A，電流畸變頻譜表明其中3次、5次、7次和11次諧波電流為主，總的諧波電流值約為100A，N線(xiàn)電流主要為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(xiàn)輸出能力為相線(xiàn)的3倍，可解決中線(xiàn)諧波電流疊加的問(wèn)題。該變壓器為1250kVA的變壓器，現有地鐵車(chē)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(jìn)行無(wú)功補償，一般按照變壓器容量的30%進(jìn)行無(wú)功補償配置。
3、三次諧波問(wèn)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(jìn)行傅里葉級數分解，可得到頻率為基波整數倍的電量，這些電分量被統稱(chēng)為諧波。其中，頻率為基波三倍的電量被稱(chēng)為三次諧波。在社會(huì )的高速發(fā)展下，民眾與社會(huì )對于電能的需求量與日俱增，對電能質(zhì)量的要求也日漸提高。隨著(zhù)種類(lèi)豐富的電子設備在民眾生活中的廣泛普及，其中具有非線(xiàn)性負荷特性的電子設備也使電力系統中的電壓、電流狀態(tài)出現了一些改變。在利用傅里葉級數分解分析電壓、電流波形時(shí)，便會(huì )發(fā)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(zhù)科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，非線(xiàn)性負載的數量占比越來(lái)越多，其在工作時(shí)三次諧波占比較大。這種不良現象除了會(huì )增加整體電力系統的耗損，更會(huì )致使中性線(xiàn)線(xiàn)負載變大，嚴重影響電力系統整體的安全性以及穩定性，甚至會(huì )引發(fā)一系列的安全事故。另外三次諧波使電網(wǎng)出現發(fā)熱的狀況，嚴重時(shí)引發(fā)安全事故；對電子元器件日常的使用和運行產(chǎn)生不良影響，致使其產(chǎn)生錯誤操作；嚴重縮短電力設施使用壽命。三次諧波不僅僅會(huì )產(chǎn)生諸多危害，更會(huì )對電網(wǎng)整體的穩定性以及安全性產(chǎn)生嚴重的不良影響，進(jìn)而影響民眾的日常生產(chǎn)、生活有關(guān)活動(dòng)、行為以及社會(huì )的和諧發(fā)展。所以，有關(guān)部門(mén)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
對于單相整流電路非線(xiàn)性負荷而言，傳統的無(wú)源濾波器并不適用。這主要是由于其濾波效果較差，同時(shí)還會(huì )生成較大容性無(wú)功，而這部分容性無(wú)功既是非線(xiàn)性負荷不會(huì )用到的，也是整體電網(wǎng)所不需要的。因此，有關(guān)部門(mén)應當采用有源濾波器進(jìn)行治理。在單獨使用此類(lèi)濾波器對線(xiàn)路中諧波電流進(jìn)行檢測的時(shí)候，能夠生成將其抵消的補償類(lèi)電流。然而從整體效果上來(lái)看，此類(lèi)濾波器只能夠確保安裝部位上游的諧波電流變小，卻不能對下游線(xiàn)路產(chǎn)生效果。所以，當對上述特征加以了解后，便能夠針對性地處理三次諧波污染，即將有源的濾波器安裝到存在三次諧波的下游線(xiàn)路中。除此之外，經(jīng)過(guò)多年實(shí)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。與此同時(shí)，若三次諧波的過(guò)濾器為并聯(lián)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并聯(lián)于非線(xiàn)性的負荷比較大供電點(diǎn)處時(shí)，能夠將三次諧波影響的危害控制在較低。
4、諧波治理整體解決方案
（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、輸出電流控制、驅動(dòng)電路以及主電路組成。它采用電流型變流器，經(jīng)連接電抗器接入系統，通過(guò)調整交流側逆變輸出電壓的瞬時(shí)幅值與相位，或直接控制交流側輸出電流，使裝置發(fā)出或吸收寬頻譜無(wú)功功率?；陔娏﹄娮拥挠性措娏V波器裝置并聯(lián)于電網(wǎng)中，相當于一個(gè)可控的無(wú)功及諧波電流源，其無(wú)功及諧波電流可以快速地跟隨負荷無(wú)功電流的變化而變化，自動(dòng)補償電網(wǎng)系統所需無(wú)功及諧波，并且可以實(shí)現從感性無(wú)功到容性無(wú)功的全范圍補償，同時(shí)對電網(wǎng)電壓進(jìn)行動(dòng)態(tài)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、諧波抑制和無(wú)功補償功能為一體，方便運維人員安裝拆卸，同時(shí)也方便將來(lái)用電負荷發(fā)生變化擴展補償容量。
該有源濾波裝置主要特點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：
1）補償方式靈活：既可補諧波，又可兼補無(wú)功，可對2-51次諧波進(jìn)行全補償或特定次諧波進(jìn)行補償，同時(shí)可治理三相不平衡問(wèn)題；
2）線(xiàn)性補償，全響應時(shí)間≤5ms；
3）具有人性化的人機交互界面，可通過(guò)該界面看到系統和本體的實(shí)時(shí)電能質(zhì)量信息，操作簡(jiǎn)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制系統和進(jìn)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(guò)PC機實(shí)時(shí)監控；
6）標準模塊化設計，縮短交付周期，同時(shí)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柜方式安裝，同時(shí)可實(shí)現集中和就地治理，如圖2所示的產(chǎn)品，給安裝、 維護及日后升級帶來(lái)了便捷，提高了整體的安裝效率。
圖2 有源電力濾波器產(chǎn)品示意圖
5、案例分析
（1）項目背景
廣東某地鐵改造項目，系統中負載主要為照明、空調、泵機類(lèi)、電梯、信號電源、UPS等設備，開(kāi)關(guān)電源的啟動(dòng)瞬間形成電流沖擊，和其它設備在運行過(guò)程中會(huì )對系統產(chǎn)生諧波電流污染。其諧波主要包括3、5、7、9次；不進(jìn)行合理治理，將對其他電氣設備產(chǎn)生危害，如：大量的3次諧波造成中線(xiàn)過(guò)熱甚至發(fā)生火災；大量諧波造成變壓器局部嚴重過(guò)熱；繼電保護發(fā)生誤動(dòng)作等。
（2）治理方案
根據以往測量經(jīng)驗進(jìn)行諧波分析與估算，諧波主要由UPS和一些非線(xiàn)性直流電源產(chǎn)生，該項目有1#、2#兩個(gè)配電站，1#配電站有2臺800kVA的變壓器，2#配電站有2臺1000KVA的變壓器，分別采用集中治理方案，在每臺變壓器下加裝ANAPF系列有源電力濾波器，由于安裝空間有限，選擇我司壁掛式有源電力濾波器進(jìn)行嵌入式安裝，1#配電站中#1和#2變壓器下安裝型號均為ANAPF75-380/BBL，2#配電站中#1和#2變壓器下安裝均為2臺型號為ANAPF60-380/BBL的有源電力濾波器并機使用，保障了整個(gè)供電系統的穩定性。
（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 治理之后電流波形和各次諧波電流畸變率
治理前電流波形發(fā)生畸變，三相電流畸變率分別為10.8%、11.1%、12.5%；在加裝ANAPF系列有源電力濾波器后電流波形趨向正弦波，各次諧波得到抑制，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(chǎng)
6、結論
本文主要地鐵負載電能質(zhì)量治理方案的相關(guān)內容，通過(guò)對地鐵電能質(zhì)量方面出現的問(wèn)題進(jìn)行分析，并結合電能質(zhì)量相應測量數據，給出相應的治理方案。最后結合廣東某地鐵電能質(zhì)量改造項目案例，并通過(guò)現場(chǎng)實(shí)際應用證明了濾波器設備的實(shí)用性，驗證了有源濾波器設備可快速地治理無(wú)功及諧波電流，并且解決地鐵用電負荷增長(cháng)帶來(lái)的電能質(zhì)量惡化問(wèn)題，對地鐵電子設備、儀器儀表的計量和整體供電能力、安全運行及經(jīng)濟效益具有重要的意義。
參考文獻
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