濾波和無功補償裝置在地鐵行業中的應用

王勇

電網中的電力負荷如電動機、變壓器等，大部分屬于感性電抗，在運行過程中需要向這些設備提供相應的無功功率。在電網中安裝并聯電容器、同步調相機等容性設備以后，可以供給感性電抗消耗的部分無功功率小電網電源向感性負荷提供無功功率、也即減少無功功率在電網中的流動，因此可以降低輸電線路因輸送無功功率造成的電能損耗，改善電網的運行條件。

本文以地鐵行業為例，闡述了濾波和無功補償裝置的作用，諧波產生的原因及解決諧波的方案。

1 供電系統

供電系統采用集中110/35 kV兩級供電方式，每條線設兩座110/35 kV主變電所，牽引變電所:電動車組通過AC35 kV/DC 1 500 V架空接觸網受電，降壓變電所:35 kV/400 V車站動力照明供電，降壓所400 V側采用單母線分段接線方式，兩段母線之間設母聯斷路器。

2 對于已經投運10年的降壓變電所

2.1 諧波的來源

1 )高壓側:35 kV側牽引變電所24脈沖整流機組產生23，25次諧波。2)低壓側:變頻自動扶梯、UPS、電子整流器、軟啟動器。

三相非線性負荷產生的5，7，11，13等次諧波，單相非線性負荷產生的3，9等次諧波。

35 kV側電壓諧波實測值:電壓畸變率95%的概率大值超過標準規定的3%上限(見表1)。

表1 35 kV側電壓諧波實測值 %

400 V側電壓諧波實測值:最大值已經超標(見表2)。

400 V側電流諧波實測值:總諧波電流95%概率大值60 A，主要是3，5，7，11，13，23，25次諧波(見表3)。

2.2 諧波造成的主要問題

1 )低壓電容器損壞:以前設計的低壓無功補償裝置沒有抗諧波能力(沒有串聯電抗器)，諧波流入電容器造成電容器長期過載運行而損壞，尤其在引發共振的情況下，電網無法安全供電。2)損耗增加:諧波流經電纜因集膚效應造成損耗增加電纜過熱，諧波流經變壓器因磁滯和渦流效應造成的銅損和鐵損導致溫升增加，噪聲增大用戶有功損耗增加，支付更多電費。3)斷路器誤動作，過載保護提前啟動;發熱增加，熔絲提前熔斷。4)直接影響馬達的轉矩的大小和規律性，降低馬達性能。5)需要采用更大截面的電纜和導線。6)零點電位飄移，三相電壓不平衡。7)損壞敏感的控制設備，如:控制用PLC誤動和損壞、儀表錯誤顯示。8)干擾電子通訊。

表2 400 V側電壓諧波實測值 %

表3 400 V側電流諧波實測值 A

3 對于目前的降壓變電所

1 )高壓側:35 kV側牽引變電所24脈沖整流機組產生23次，25次諧波，車輛密度將大大增加:從以前車輛間隔5 min(每小時12對)提高到間隔2 min(每小時30對)，因此諧波將成倍增加。

2 )低壓側:a.變頻自動扶梯;b.UPS;c.電子整流器;d.根據節能減排20%的目標，變頻器取代軟啟動器，新增變頻排熱風機，變頻回排風機，變頻空調箱，單臺變頻功率22 kW，45 kW，90 kW不等，每個車站將新增6臺～8臺變頻裝置，新增變頻總功率在300 kW左右。

若新增300 kW變頻裝置按照40%諧波含量考慮，則新增諧波電流量=300×1 000×40%/(1.732×400×0.90)=193 A，需要重新考慮諧波的影響。

綜上所述，諧波來自電網35 kV側，無功補償裝置需要避免串聯諧振。因為串聯諧振在共振頻率下呈現極低阻抗，即使很低的諧波電壓也將會產生非常大的諧波電流。諧波來自400 V低壓負荷側，無功補償裝置需要避免并聯諧振。因為并聯諧振在共振頻率下呈現極高阻抗，即使很低的諧波電流也將會產生非常大的諧波電壓。

4 濾波和無功補償低壓400 V解決方案對比

4.1 無源濾波器

無源濾波器實現濾波和無功補償功能。

1 )優點:a.40%～50%左右諧波被濾除;b.價格相對便宜。

2 )缺點:a.需要為每一種諧波單獨配置一套調諧濾波器(無法濾除35 kV側耦合來的高次諧波);b.濾多次諧波需要更多安裝空間;c.易因過載而退出運行;d.無法擴展;e.濾波效率低且受電網參數的影響;f.如果形成新的諧振將帶來嚴重后果;g.總是伴隨產生無功補償(不適合功率因數高但諧波分量大的交流變頻負荷)。

4.2 有源濾波器

有源濾波器實現濾波和無功補償功能。

1 )優點:a.95%以上諧波被濾除;b.能同時濾除2次～50次諧波中15種不同諧波;c.可濾除相線和零線諧波(單相節能燈，電子整流器);d.根據設定目標功率因數產生無功電流，實現無級補償(無浪涌);e.通過設定可用于改善相不平衡;f.不會形成新的諧振;g.不會過載，易于擴展。

2 )缺點:價格高昂。

4.3 有源濾波器+調諧電容柜

有源濾波器實現濾波功能和調諧電容柜實現無功補償功能。

優點:1)95%以上諧波被濾除;2)能同時濾除2次～50次諧波中15種不同諧波;3)可濾除相線和零線諧波(單相節能燈，電子整流器);4)調諧電容柜根據設定目標功率因數進行補償;5)有源濾波器通過設定可用于改善相不平衡;6)不會形成新的諧振; 7)不會過載，易于擴展;8)價格適中。

5 結語

在正常情況下，用電設備不但要從電源取得有功功率，同時還需要從電源取得無功功率。如果電網中的無功功率供不應求，用電設備就沒有足夠的無功功率來建立正常的電磁場，這些用電設備就不能維持在額定情況下工作，用電設備的端電壓就要下降，從而影響用電設備的正常運行。但是從發電機和高壓輸電線供給的無功功率遠遠滿足不了負荷的需要，所以在電網中要設置一些無功補償裝置來補償無功功率，以保證用戶對無功功率的需要，這樣用電設備才能在額定電壓下工作。無功補償是把具有容性功率負荷的裝置與感性功率負荷并聯接在同一電路，能量在兩種負荷之間相互交換。這樣，感性負荷所需要的無功功率可由容性負荷輸出的無功功率補償。

［1］ 楊幫文.實用電源電路集錦［M］.北京：電子工業出版社，2010.

［2］ 王水平，付敏江.開關穩壓電源概述［EB/OL］.中國電子網.www.ec66.com.

［3］ 路秋生.采用UC3854的有源功率因數校正電路工作原理與應用［Z］.北京信息職業技術學院，2010.

［4］ 毛明平，吳志紅，陶生桂.有源功率因數校正技術在開關電源中的應用研究［J］.通信電源技術，2009(3)：55-56.