摘要：为了进一步满足城市轨道交通多元化的网络运营需求，越来越多的非线性电子设备投入至地铁牵引供电系统，在错综复杂的供电系统中持续增加谐波含量，严重破坏了地铁供电系统乃至城市电网的安全、可靠运行，而传统的滤波技术已然无法满足国家标准和电网要求。本文提出了一种适用于地铁复杂工况下的新型混合滤波方案，并验证了该谐波治理方案的可行性和有效性。
关键词：城市轨道交通；牵引供电系统；混合滤波；谐波治理
0 引言
作为城市电网电力系统中的一级不间断用电负荷，地铁供电系统是一个庞大、复杂且相对独立的基础性能源设施。而牵引供电系统是整个地铁供电系统的核心部分，它能够将高压交流电经降压、整流转换为低压直流电为地铁电力机车提供牵引动力。伴随着整流器、逆变器、电容器等非线性电子装置在地铁供电系统中的大量应用，越来越多不同阶数的谐波流窜在系统内，当谐波含量超过一定范围时，造成电网电能质量降低的同时，给地铁运营带来了极大的安全隐患。因此，研究更加可靠、安全、经济的谐波治理方案，合理的将谐波含量有效控制在国家标准内，对于地铁供电系统的安全、可靠运行乃至整个城市电网的稳定供电具有重要意义。
1 谐波产生的原因及危害
1.1 谐波的产生
地铁牵引供电系统通常采用DC1500V或DC750V供电制式，通过整流机组、逆变器等具有非线性特征的电子装置来降压、整流和传输电能。当正弦波电压施加在非线性负荷时，会产生与其不成线性比例的基波电流，从而发生波形畸变。
如图1所示，当供电系统中施加正弦波电压U时通常会产生正弦波电流I1，此时并未发生畸变。而当有非线性负荷接入供电系统中时，正弦波电压U将产生非正弦波电流I2，此时虽然仍维持着基频频率，但若再增加电压，电流将会成倍增长并形成波形畸变，产生11、13、23、25次等高次谐波，这些谐波在地铁供电系统中不断流窜、叠加、放大，通过地铁牵引网络和110kV主变电站流入城市电网系统。当谐波含量超标时，将对城市电网造成严重的谐波污染。据统计，整流设备运行过程中所产生的谐波约占电网全部谐波的40%，是电力系统最大的谐波源。
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图1 供电系统波形畸变原理图
为了抑制谐波污染，多数城市地铁牵引整流机组采用等效24脉波整流技术，短期内能够满足国家标准，但在地铁发生大客流或远期高负荷运行等情况下仍会产生较为严重的谐波电流。此外，地铁综合监控系统、自动扶梯、垂直电梯、UPS、EPS、给排水设备、AFC、冷水机组、消防设备、屏蔽门等低压用电负荷由于大量使用变频装置也将产生一定量的低次谐波电流。
1.2 谐波的危害
当地铁供电系统内的谐波含量超标且未能得到及时、有效的治理时，将对地铁运营造成极大的危害，主要包括：
（1）谐波会污染城市电网系统，当谐波电流经过系统内导体元件时，电力元件的电阻在“集肤效应”的作用下与频率同步增大，热能和电能损耗增多，输配电效率下降，危害城市电网的安全、稳定运行。
（2）谐波会缩短变压器、电缆、汇流排等设备的使用寿命，造成设备导电能力下降，附加损耗增多，设备过热等一系列问题。
（3）谐波会导致供电系统中发生串联谐振和并联谐振，产生危险的过电压和过电流，加速电气设备的绝缘老化，引起电气事故。
（4）谐波会造成地铁供电系统中的继电保护装置发生误动、拒动，计量装置失真，严重时甚至会发生大面积停电事故。
（5）谐波会通过电磁感应、静电感应及传导耦合等方式干扰地铁信号、通讯、计算机网络、综合监控等系统的正常工作，降低信号传输质量，直接影响地铁行车安全。
（6）谐波会影响地铁电力机车异步电动机的正常运转，当高次谐波电压施加于电容器两端时，电容对高次谐波呈现零阻抗，导致其发生过负荷损坏。
2 谐波治理方案
2.1 无源滤波方案
无源滤波方案通常是按照一定的参数配置和拓扑结构将电感元件、电容元件和电阻元件相互组合成滤波回路，利用谐振回路向系统注入谐波电流，以滤除系统中特定的高次谐波。该方案简单可靠，操作方便且成本低，但滤波稳定性及可靠性较差，系统故障率高，只能实现固定阶次的谐波治理，无法动态跟踪和有效抑制多次谐波。
2.2 有源滤波方案
有源滤波方案通常是通过电力电子技术和数字信号处理技术来实时检测谐波含量，通过功率逆变器来产生与谐波电流幅值相等、相位相反的补偿电流，以此来达到抑制和抵消谐波的目的。该方案能够实现对谐波的动态跟踪和滤除，但因其容量低，补偿电流生成少，使用成本高，承受电源基波电压的能力有限，因此未能得到广泛的应用。
2.3 混合滤波方案
混合滤波方案能够集有源、无源滤波方案的优点于一身，即在滤波设备安装前，先仿真测算出系统内含量较高的谐波次数并设置无源滤波参数，通过无源滤波方案中的基波串联谐振支路滤除系统内的特定次谐波以达到降低有源滤波设备容量及动态滤除谐波的目的。如图2所示，以24脉波整流机组为例，混合滤波方案中的无源部分选用23、25、47、49次双调谐滤波设备，有源部分选用IGBT驱动电压型逆变设备，将由L0和C0构成的滤波设备接入输出端，以避免开关分合时所产生的高频毛刺。由于C1和L1构成的电路阻抗较小，在耦合变压器的有源部分很难承受基波电压和电流，当谐振时有源部分容量降低。对于高频谐波分量，C1和L1构成的部分阻抗较大，大部分补偿谐波电流将流进电网。利用基波串联谐振电路将有源、无源部分并联接入电网。该方案既解决了有源滤波方案容量低、成本高的缺点，又弥补了无源滤波方案不能动态补偿谐波的劣势，使供电系统的电能质量能够维持在相对稳定和良好的状态。
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Udc-直流电压源；Is-城市电网系统输入电流；Il-负荷电流；If-无源滤波电流；Ic-谐波补偿电流
图2 新型混合滤波方案的拓扑结构图
3 混合滤波方案在地铁牵引供电系统中的仿真分析
根据混合滤波方案的治理原理，通过Matlab中的Simulink工具箱建立牵引供电系统滤波仿真模型，得出未使用滤波方案、无源滤波方案、有源滤波方案及混合滤波方案四种状态下的谐波治理效果，如图3所示。各类滤波方案下110kV城市电网系统谐波电流仿真计算结果如表3所示。
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a) 未使用滤波方案仿真结果 b) 无源滤波治理方案仿真结果
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c) 有源滤波治理方案仿真结果 d) 混合滤波治理方案仿真效果
图3 三种谐波治理方案下的仿真效果对比
表3 各滤波方案下110kV城市电网系统谐波电流含量仿真计算结果
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仿真结果表明，在有源滤波方案下，牵引供电系统的电流波形总谐波畸变率由1.51%增长至19.08%，其中5、7次谐波涨幅较大，未能达到国家标准。主要是因为有源滤波器受自身容量不足影响无法在大容量的场合使用，甚至放大了谐波污染范围。再加上其经济性较差，故不建议在城市轨道交通供电系统中应用。
而在无源滤波方案下，总谐波畸变率由1.51%降低至0.08%，滤波效果明显，能够满足国家标准，可以相对有效的抑制特定次数的谐波电流，但供电系统中的谐波污染不单单包括特定次数谐波，由于在地铁运营时段，多辆列车是同时运行的，再加上一些列非线性设备的大范围使用，无源滤波方案存在滤波效率低、易受电网参数影响、无法滤除高次谐波、易因过载发生故障、扩展性低、谐振抵抗力差等局限性，亦无法满足当前谐波治理需求。
采用新型混合滤波方案，在满足滤波要求的前提下，也能够跟踪补偿各次谐波，同时易扩展、经济性好、谐振抵抗能力强，具有广泛的应用前景。
4 结语
地铁牵引供电系统谐波治理水平关系到城市轨道交通能否安全、可靠、经济运行。本文通过对地铁牵引供电系统中产生的谐波研究及无源、有源、混合三种滤波方案的仿真分析，验证了新型混合滤波方案在地铁牵引供电系统中具有一定的优越性及良好的滤波效果。
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作者简介：
李想，天津轨道交通运营集团有限公司，工程师，研究方向为地铁供电系统；
论文作者:李想
论文发表刊物:《基层建设》2019年第28期
论文发表时间:2020/1/18
标签：谐波论文; 供电系统论文; 方案论文; 无源论文; 地铁论文; 电流论文; 电网论文; 《基层建设》2019年第28期论文;