淺談有源濾波裝置在軌道交通行業的應用與選型

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，導致其電網中含有大量的諧波，這些諧波影響到電網供電穩定性，從而威脅到城市軌道交通運輸的安全性和穩定性。有源濾波裝置在城市軌道交通中的應用，可以消除電網中的諧波，確保電網運行安全性。

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，在當前已經廣泛的應用到了軌道交通行業中。有源濾波裝置，是采用現代電力電子技術和基于高速DSP器件的數字信號處理技術，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生電路構成。指令電流電路對實時電流進行監控，并將模擬電流信號轉換為數字電流信號，然后通過通信通道傳輸到數字信號處理器中，數字信號處理器對數字信號進行處理，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，其生產的電流幅值和電網諧波電流幅值相等，然后將極性不同的補償電流注入到電網中，從而對電網中產生的諧波電流進行補償和抵消，消除電網中的電力諧波。有源濾波器打破了過去傳統濾波器只能固定補償或者無功補償的缺點，可以實現對電網電流進行動態跟蹤補償，既可以消除諧波，又可以達到無功補償的目的[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、監控系統、電力機車等設備，這些設備數量比較多，在運行過程中，對城市軌道交通產生重要影響。

2.1影響電網安全性

地鐵低壓電氣系統包括AC400V開關柜進線、配電箱、動力配電系統、照明系統、應急電源裝置、接地與安全系統。地鐵電網系統產生大量的諧波，導致電網接地保護裝置失效，增加電力損耗，影響到電網的安全性和可靠性。軌道交通產生大量的諧波，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，斷路器出現誤斷現象，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，導致變壓器發熱。目前地鐵工程低壓配電網的配電變壓器大多數采用星型或者三角形接線方式，這增加了電網零序諧波為變壓器一側繞組提供了環流桐廬，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到電源端，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下，自身產生一定的諧波。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出現問題的電網，則可以進一步加劇諧波現象，大量的諧波讓電壓出現尖頂波形，頂尖電壓波可能誘發局部放電，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在運行過程中，產量大量的諧波，為了改善配電系統的電能質量，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、運行更穩定。既可補諧波，又可兼補無功：模塊化設計，便于生產調試便利的并聯設計：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和原件如下表:

表1為有源濾波裝置相美技術參數表

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號線已經安裝有源濾波裝置的車站使用電力分析儀對配電系統進行檢查。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，采集配電系統的電流、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據，從而測試配電系統的供電質量。經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3、5、7、9、11、13次諧波的電流比較大，功率因數偏低。有源濾波裝置開啟后，配電系統的諧波經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號線的配電系統供電質量，降低了配電系統的無功損耗，消除了配電系統的諧波電流，提高了配電系統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有源濾波器產品選型

4.1產品特點

(1)DSP+FPGA控制方式，響應時間短，全數字控制算法，運行穩定；

(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參數設置和控制，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的影響；

(7)多機并聯，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產品實物展示

ANAPF有源濾波器

5安科瑞智能電容器產品選型

5.1產品概述

AZC/AZCL系列智能電容器是應用于0.4kV、50Hz低壓配電中用于節省能源、降低線損、提高功率因數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，適應現代電網對無功補償的更高要求。

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、頻率、電容器路數及投切狀態、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中，降低了配電系統諧波畸變率，提高了配電網的功率因素，降低了配電系統的損耗，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]安科瑞企業微電網設計與應用手冊2022.05版.

[3]佘軍峰.有源濾波裝置在軌道交通行業的應用

作者簡介

李明君，男,現任職于安科瑞電氣股份有限公司。