地鐵車站動力照明負荷諧波問題分析

吳繼珍，趙霖

（廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010）

0 引 言

地鐵車站動力照明負荷由于其負荷種類繁多，特別是近年來大量變頻裝置、軟控制器、開關電源等電力電子設備應用于動力照明設備中，使得動力照明類負荷諧波特征較為豐富。動力照明負荷主要分為三大類：照明類、弱電類及電動機類，而這三類負荷設備含電力電子裝置的設備占大多數；其中，照明負荷中燈具的驅動電源，不管是傳統熒光燈還是目前流行的LED 燈，驅動電源均是電力電子裝置；弱電類負荷中交、直流電壓之間的轉換中開關電源，UPS 裝置為實現AC-DC-AC 之間的轉換，其本身就是一個電力電子裝置；電動機負荷特別是大功率風機采用變頻裝置和軟啟動器，而變頻裝置和軟啟動均通過電力電子開關器件實現變頻功能和軟啟功能；這些設備所含的電力電子裝置均為諧波源，且各諧波源的諧波特性不一致，諧波疊加之后對于整個系統所呈現的諧波特性盡管難于分析，但仍可以從這些諧波源結構出發分析其各自的諧波特性[1-3]。

1 照明負荷諧波分析

LED 燈借助驅動電源電路將輸入的交流市電轉換成適用于LED 的低壓直流，驅動電源一般均采用電力電子電路，典型的LED 驅動等效電路及波形如圖1 所示。圖1（a）所示為典型LED 驅動電路原理圖，其實際上為電容濾波的單相橋式不可控整流電路（不考慮濾波電感的影響），圖1（a）中R為負載等效電阻、C為直流濾波電容。

圖1 LED 驅動等效電路及波形

單相橋式不可控整流電路的基本工作過程是，在us處于正半波期間，當us＜ud時二極管D1、D4不導通，此階段負載R所需電流iR由電容C提供，同時電容C的兩端的電壓ud由于放電作用將下降；當us＞ud時D1、D4二極管導通，此階段負載R所需電流iR由輸入的交流電源提供，同時交流電源向電容充電使電容C的兩端的電壓ud逐漸上升。在us負半波，另一對二極管D2和D3導通，與us正半周的情況一樣電容C再次進行充放電[4]，LED 驅動等效電路交直流電壓電流波形示意如圖1（b）所示。

按文獻[5]的方法，以某條線路設備區所采用的功率為16 W 的LED 燈具為例進行仿真，交流側的電流波形和頻譜圖如圖2 所示，可以看出輸入電流的諧波含量較高，電流畸變率（THD）達到129.3%，主要為奇數次諧波。

圖2 功率為16 W 的LED 交流側電流仿真波形和頻譜圖

標準IEC 61000-3-2：2018 中針對功率≥5 W 且≤25 W照明設備要求輸入電流THD 不應超過70%。如果LED 驅動電路采用帶功率因數校正電路（PFC）功能的拓撲結構，其諧波將得到較好的治理，但現在市場上LED 燈質量良莠不齊，文獻[6]選取了市場18 款不同的LED 燈具進行諧波測量，結果發現僅有2 款燈具輸入電流THD 低于70%。LED 燈為單相設備，產生的諧波主要為奇次諧波，奇次諧波疊加到中性線上將使中性線電流增大可能導致中性線電纜過熱，同時諧波過大對通信線路、弱電設備都將可能造成干擾。

2 弱電類負荷諧波分析

弱電類負荷主要包括通信信號系統、綜合監控系統、電力監控系統、火災自動報警系統、站臺門系統等；這些設備絕大部分為一級負荷中特別重要的負荷，除兩路市電末端配電箱切換外，同時配備不間斷電源（UPS）。因此分析弱電類負荷的諧波特征，可以從分析UPS 的結構出發。由于負載對于供電質量要求較高，因此對于用于三相設備的UPS而言，其逆變單元一般均采用IGBT 構成四象限脈寬調制變流器，以保證交流輸出電壓和電流的質量；但對于整流單元一般可分為不可控型三相全橋式整流器、半控型三相全橋式整流器和全控型橋式整流器[4，7]。如圖3 所示為6 脈波晶閘管整流電路（SCR）型三相UPS 的基本原理圖。

圖3 六脈波SCR 電路型三相UPS 拓撲圖

通過控制晶閘管的觸發時刻（即相位角α）就可以控制晶閘管的開通，從而控制直流側電壓實現可控（相控）整流。當相控角α=0 時，SCR 整流電路所表現出外特性與二極管整流電路是相同的。在電流連續情況下，相控角α在0°～180°變化時，一個電源周期中，整流電壓ud是6 個相同的、連續的、脈寬都是60°的脈波。當α=60°時SCR整流電路交流側電流的表達式如下[4]：

由式（1）可知，交流側的輸入電流除基波電流外，主要包含6n±1 次諧波；如圖4 所示為交流側電流頻譜圖，仿真模型由于交流側為配置濾波電路，因此電流畸變率達到30.82%。

圖4 SCR 整流電路交流側電流頻譜圖

為了抑制交流側的諧波，SCR 整流器前端一般會設置LC 濾波電路或LCL 濾波電路或有源濾波電路以及隔離變壓器，此時SCR 整流器輸入電流的諧波含量將大大降低，一般市場采用SCR 整流電路質量較好的UPS，由于配置了PFC 電路和濾波單元，其功率因數能夠達到0.9 以上，諧波含量能夠抑制在10%以下。

隨著全控型電力電子器件的制造水平的發展，目前部分UPS 逐漸使用全控型器件IGBT 構成整流電路，采用PWM調制策略實現對整流器交直流側電壓電流的有效控制，三相PWM 整流器具有響應速度快、輸入電流總畸變率低和可提高功率因數等優點；但PWM 由于開關頻率較高將導致輸入電流含有高次諧波。如圖5 所示為三相PWM 整流器構成的UPS 拓撲圖。PWM 整流器一般采用雙閉環控制策略，電壓外環控制直流電壓的穩定，電流內環控制交流側電流的大小和相位，最后通過PWM 調制策略從而實現整流器交直流側能量之間的交換。

圖5 PWM 整流電路型三相UPS 拓撲圖

為了驗證PWM 整流器的優越性能，對一臺額定功率為25 kW 的整流器進行仿真，直流電壓穩定在432 V，直流負載采用電阻代替，其仿真波形如圖6 所示。在0.4 s ～0.5 s 時間段整流器處于50%負荷狀態，其輸入電流THD 值為3.61%；在0.5 s 時增加負載使整流器處于滿載狀態，其輸入電流THD 值為2.69%。對比圖4 和圖6，顯然PWM 型整流器的輸入電流的質量更為優越。

圖6 PWM 整流器交流側電流仿真波形

從上文分析所知，對于電子和計算機負載，特別的是電源為UPS 時，其諧波特性與UPS 的結構有關。文獻[1]某地鐵站UPS 實測波形，從實際波形中可以看出，負載三相不平衡，A 相交流輸入電流總畸變率為16.7%，電流的諧波次數主要以5 次和7 次為主。電子和計算機負荷種類繁多，難于特定去分析某一種設備的諧波特性，即使同一用途的設備不同的設備商不同的結構引起的諧波也無法具體分析，因此弱電類設備的諧波治理需要各個專業之間相互配合，而不僅僅依靠供電系統專業采取相關措施治理。

3 電動機類負荷諧波分析

電動機類負荷分類水泵類、風機類和電梯類，大部分小功率（低于55 kW）水泵和風機基本上采用直接啟動。如圖7 所示為地鐵常用2.2 kW 電動機（水泵、風機）穩態時電流，忽略其啟動電流的影響，在0.1 s ～2.5 s 時電機處于空載狀態，2.5 s 后電機帶額定負載。從仿真電流波形來看，電機負荷電流質量較好，電流畸變率較低。

圖7 2.2 kW 電動機穩態時電流仿真波形

但實際上，由于功能的需要和電路保護的需要，排熱風機、空調機組、電扶梯等電機負荷采用變頻控制，冷水機組和隧道風機為了避免啟動電流過大采用軟啟動，各種控制方式下的電機所表現出來的諧波特性不盡相同。

3.1 軟啟動器

地鐵車站中部分電機容量較大，全壓啟動時啟動電流較大對于其他負荷影響較大，因此部分電機采用軟啟動的方式，軟啟動方式示意圖如圖8 所示。軟啟動器主電路為晶閘管交流電壓控制電路，如圖8（a）所示，通過逐漸增大晶閘管的導通角，平滑增大電機的端電壓和電流直到電機處于額定工作狀態，從而減小啟動電流對電源處的沖擊。圖8（b）為電機軟啟動一次原理圖，當啟動結束后，旁路接觸器KM 閉合，軟啟動器退出運行。說明采用軟啟動器的電機負荷只在啟動過程中將產生一定的諧波，進入穩態運行后諧波含量將大大減少。

圖8 軟啟動方式示意圖

3.2 變頻器

為了滿足節能需求部分電機采用變頻調速，如空調系統、電扶梯系統，低壓變頻器主電路拓撲如圖9 所示。變頻器為交直交變流器，前端整流單元常見為三相二極管整流電路，這種整流電路在沒有濾波裝置的情況下，諧波含量較大[1，4]。環控風機中采用變頻器控制目前基本串聯了濾波器，諧波問題相對控制得較好；電扶梯使用的變頻器前端整流單元目前逐步采用PWM 整流電路，PWM 整流電路諧波問題已在第2 節進行了分析，此處不再展開。

圖9 低壓變頻器主電路拓撲圖

4 結 論

車站低壓設備眾多，諧波源眾多，各個諧波源產生的諧波之間存在耦合現象。建議通過嚴格要求各種設備所產生的諧波標準值，同時在降壓所0.4 kV 母線處設置濾波裝置從而實現對整個車站低壓負荷的諧波抑制。