城市軌道交通牽引供電系統對電網的影響

李 揚，胡文平，任建文

( 1． 華北電力大學，河北保定071003; 2． 國網河北省電力公司電力科學研究院，石家莊050021)

軌道交通作為一種現代化城市的交通工具,其具有運量大、速度快、安全可靠、綠色環保、空間利用率高等優點,對改善城市交通擁擠的狀況效果明顯，越來越受到人們的重視，已成為國內城市公共交通的重點發展方向。軌道交通列車的動力來自于牽引供電系統，它擔負著為電動列車和各種運營設備提供電能的重要任務，電力牽引供電系統的安全可靠供電，是城市軌道交通的正常運行的保障。我國目前的城市軌道交通采用直流供電，牽引供電系統大多采用的是多脈波(12或24脈波)二極管整流技術，接入系統后對電網將產生諧波，無功功率等方面的影響，因此是需要對其進行進一步分析與研究，以保證電網穩定以及列車安全正常運行。

1 城市軌道交通牽引供電系統介紹

城軌牽引供電系統主要由牽引變電站、架空電網線、車輛、軌道等部分組成。相對于交流供電而言，直流供電具有調速范圍大而且方便、易于控制、牽引網結構簡單、電壓質量高、投資較節省等優點，故地鐵主要以直流方式作為牽引動力。牽引供電系統包括牽引變電所和牽引網，其主要功能是將交流中壓電經降壓、整流變成直流1 500 V或直流750 V，為電動列車提供牽引供電。能量傳輸過程為：首先電能從牽引變電所輸出，經過饋電線、接觸網到電機車組；然后經過走行軌；最終通過回流線返回牽引變電所。

城市電網對城市軌道交通的供電方式有3種：集中供電、分散供電和混合供電[1]。集中供電方式是指沿著軌道交通線路,根據用電量和線路的長短,建立城市軌道交通專用主變電所(中心變電所)，主變電所提供至少兩路獨立的電源,由主變電所對下一級線路牽引變電所和降壓變電所供電，主變電所進線電壓一般為110 kV，經降壓后變成 35 kV或10 kV。分散供電方式是指沿城市鐵路線路沿線，根據需要直接由城市電網引入多路電源,電源電壓等級一般為10 kV,供給各牽引變電所或降壓變電所。分散式供電應保證每座牽引變電所和降壓變電所能獲得雙路電源。混合供電方式即前兩種供電方式的結合,以集中式供電為主，個別地段引入城市電網電源作為集中式供電的補充,使供電系統更加完善和可靠。

2 牽引供電系統對電網的諧波影響分析及處理

2.1 地鐵諧波特征及對電力系統的危害

在地鐵供電系統中，波形畸變主要的來源是車輛牽引供電的整流、逆變裝置，其次是直流電源成套裝置及其他一些電子裝置。諧波電流和電壓的出現，將對電力系統造成影響，降低系統電壓正弦波形的質量，不僅影響電力系統自身，同時危及其他用戶和周邊通信系統。

諧波電流、電壓對電力系統的影響及危害，主要包括：在旋轉電機和電容器中產生附加損耗而發熱； 對通信設備產生干擾；保護系統和控制電路的誤動作；對軌道電路的載波頻率信號造成干擾；測量儀表不能精確工作[2]。

地鐵供電系統大多采用24脈波整流，總體來說，整流機組直流側主要含24次的脈動電壓，交流側主要含23次、25次諧波電流，而低次諧波電流如5次、7次將大幅度降低。2臺整流機組產生的11次、13次諧波因大小相等方向相反，互相抵消，因此，交流側11次、13次諧波也將被削弱。但實際上由于電網電壓不對稱和整流變壓器三相阻抗不對稱等非理想因素，非特征次諧波將不可避免的產生，在交流側也會產生5次、7次、11次、13次諧波。并且存在其他一些問題，如地鐵輕負荷與重負荷下的諧波有差異，近期負荷與遠期負荷相差很大，在遠期客流量很大的時候，諧波較嚴重，仍有造成公共電網電能質量劣化的可能。

對某大城市地鐵線路多條母線電壓數據進行諧波分析，95%概率值統計結果為: 各條母線電壓諧波特性類似，主要含有3、5、7、11、13、17、19、23、25次諧波，其它頻次諧波成分均小于0.1%。其中，只有一段母線的電壓諧波含量超出了國家標準規定的限值，該110 kV母線的總諧波畸變率(THD)95%概率值達到2.1%，超過了國家標準2%，11次諧波含有率95%概率值達到了2.03%，超過了國家標準1.6%，見圖1。

圖1 測試線路總諧波畸變率對比

對電流數據進行諧波分析后，其結果為：在各出線電流中，主要為11次和13次諧波。其中，某110 kV線路的11次諧波電流為14.29 A，超過了國家標準規定的限值兩倍以上；以及線路的11次和13次諧波電流分別為8.75 A和3.62 A，均超過了國家標準規定的限值，同時多條線路諧波電流值接近國家標準規定的限值，見圖2。

圖2 測試線路諧波電流對比

2.2 處理措施

平衡的三相系統中，由于結構上的對稱性，已經消除了偶次諧波。對于三相整流負載，產生的主要諧波是kn±l(n為整流脈波數)次諧波。例如地鐵中24脈波整流機組產生的主要是23次和25次諧波，而12脈波整流機組產生的主要是11次和13次諧波。

為了減小諧波帶來的危害與影響，必須采取諧波抑制措施，主要方式有：降低諧波源的諧波含量；在諧波源處吸收諧波電流；改善供電環境。故可采取的抑制諧波的主要措施分別有[3]：

a. 增加整流脈波數；

b. 改變整流變壓器接線方式；

c. 采用無源濾波器和加裝靜止無功補償裝置；

d. 采用有源電力濾波器。

3 牽引供電系統的無功補償分析及處理

無功功率在供電網絡的傳輸中不僅要產生有功功率損耗,而且還會造成電壓損失,因此，為了提高線路傳輸能力,降低損耗,無功功率宜采取就地平衡的原則,根據用電負荷的實際需要,進行分散或集中的無功補償，以達到把功率因數控制在一個合理水平的目的。

3.1 地鐵供電系統無功特性

地鐵供電系統負荷波動性大，地鐵測量數據表示一般情況下，白天和晚上機車正常運行時，有功負荷高，即變壓器和電力機車等負荷運行消耗大量感性無功功率，需要感性無功功率補償；凌晨機車停運時，有功負荷降低，電纜的充電容性無功功率開始超過系統消耗的感性無功功率，供電系統功率因數降低，將產生無功反送，需要進行容性無功功率補償，以提高功率因數。同時由于機車運行時的不確定性，無功功率的補償是處于動態的。

根據地鐵負荷的日時段特性,理想的補償方案應該能夠跟蹤負荷的變化,進行隨機性適時補償,維持電壓穩定,并且合理設置補償容量

以滿足軌道交通供電系統無功補償的雙向性。如果地鐵牽引變電所無功補償裝置的容量設置不當,在機車負荷變化的過程中,就有可能發生地鐵供電系統向公共電網輸出的無功有時呈感性,有時呈容性,而無功在感性和容性間頻繁變化,可能產生工頻諧振,引起公共電網事故；在夜間功率因數降低時，容性無功功率倒送電網,增設的電容補償裝置可能使得夜間時段向電網倒送容性無功功率更多，這將對電網影響很大,不僅會造成電壓質量下降,而且嚴重的無功倒送可能會引起保護方向性元件的誤動作。目前，國內補償裝置容量設置采用的一般做法是：按照輕載情況下所需要的最大感性補償容量來選擇并聯電抗器,按照重載情況下所需要的最大容性補償容量來選擇并聯電容器。

3.2 無功補償方式

無功功率的補償方式有集中補償，分布式補償以及分區集中式補償[4]。集中補償選擇在110 kV主變電站的出線端35 kV母線上安裝補償裝置，集中對整個供電系統的負荷進行補償；分區集中補償就是指在每個110 kV主變電站所帶分區進行補償；分布式補償是指在每個35 kV的降壓所都進行無功補償。在補償效果和經濟方面進行綜合考慮，集中補償投資最小，設備設置方便；一般情況下，主變電站分區內降壓所距離不遠，分區集中補償方式與分布式補償效果近似，但投資明顯較少，故可采取集中補償和分區集中補償相結合的混合方式，在分區集中補償采用并聯電抗器，而在主變電站35 kV母線采用動態無功補償裝置進行集中補償。

無功補償裝置的選擇上比較好的是采用靜止同步無功發生器SVG，SVG采用第3代無功補償技術，其優勢明顯，占地面積小，經濟性好；響應時間快，可靠性高；運行損耗低且不產生諧波，安全性好；功率因數可以補償到 0.95～1。SVG無功補償技術基于電壓源型逆變器的補償裝置實現了無功補償功能質的飛躍，其既可補償容性無功功率，又可補償感性無功功率，做到迅速吸收或發出所需要的無功電流，實現動態無功功率平滑、連續的補償[5]。

4 結束語

地鐵牽引供電系統采用直流牽引,具有波動性強、系統諧波含量豐富、電纜容性電流大、需要靈活無功補償等特點,為防患于未然, 需要提前進行系統的理論分析并進行相應的預防性措施,從而減少其對電力系統的危害,提高電網的電能質量以及供電可靠性和穩定性,消除地鐵對電網的潛在隱患。

參考文獻：

[1] 徐 政.電力系統諧波-基本原理、分析方法和濾波器設計[M].北京：機械工業出版社，2003.

[2] 胡 靜.城市軌道交通對公用電網的影響研究[D].鄭州：鄭州大學，2012.

[3] 趙 順，曾 志.地鐵24脈波整流機組特性及諧波分析[J].電子元器件應用，2012(5):38-41.

[4] 周方圓,黃燕艷,龍禮蘭,周 靖,邱文俊.地鐵供電系統無功特性分析與補償設計[J].大功率變流技術，2011(4):9-12.

[5] 孫才勤.地鐵供電系統諧波無功功率的綜合治理方案[J].電氣化鐵道，2009(5):40-43.