地鐵變電站諧波抑制和無功綜合補償技術研究

劉亮、周浩

（太原中鐵軌道交通建設運營有限公司，山西太原 030000）

0 引言

地鐵作為一種重要的城市交通工具，其供電系統中的變電站對地鐵運營起著關鍵的作用。然而，地鐵變電站在運行過程中面臨著諧波問題和無功功率不平衡的挑戰。諧波會導致電網電壓波動、設備過熱、功率損耗增加，甚至會導致設備故障。此外，地鐵變電站的無功功率因其非線性負載和變化的負荷特性而存在不平衡的問題，這會導致電網電壓穩定性下降和能源損耗增加。因此，研究地鐵變電站諧波抑制和無功綜合補償技術有重要意義。

1 地鐵變電站諧波問題分析

1.1 諧波產生機制與特點

1.1.1 地鐵列車對電網諧波的注入

在地鐵系統中，列車的牽引系統通常采用大功率電力電子裝置，如逆變器和牽引變壓器等。這些裝置在正常工作過程中會引入諧波電流，進而產生電網諧波。地鐵列車的工作頻率通常為數十赫茲，而電網的標準頻率為50Hz，因此列車的逆變器會產生高次諧波，如5 次、7 次、11 次諧波等。這些諧波電流注入電網中，會引起電網電壓和電流的畸變，并擴散到變電站和周圍的用戶設備中。由于地鐵列車數量龐大、運行頻繁，其對電網諧波的注入量較大，因此會對電網穩定性和供電質量產生不利影響。

1.1.2 諧波的產生與傳播

在地鐵變電站中，各種電力設備如變壓器、斷路器、整流器等都可能產生諧波。這些設備中存在非線性元件，如整流器中的電子器件、變壓器中的飽和磁路等，這些非線性元件均會引起電流的非線性變化，導致諧波產生。諧波的傳播會導致電壓和電流的波形畸變，增加電網的功率損耗和設備的熱損耗，甚至對電力設備和用戶設備造成不利影響。

1.2 諧波對地鐵變電站的影響

1.2.1 影響電網穩定性和可靠性

首先，諧波電流會導致變電設備內部的溫升增加，進而影響設備的壽命和可靠性。諧波電流通過變壓器和電纜等設備時，會引起設備內部的附加損耗和熱損耗，導致設備的溫升增加。

其次，諧波電壓會導致變電站內部的設備故障和運行不穩定。諧波電壓會使變壓器的磁路飽和，產生附加磁損耗和噪聲，進而影響變壓器的性能和壽命。

最后，諧波電壓會導致電容器諧振和電磁干擾等問題，進而影響變電站的正常運行和電能質量。

1.2.2 變電設備損耗與壽命影響

第一，諧波電流會使變壓器內部的鐵心和線圈產生附加損耗。諧波電流通過變壓器的鐵心和線圈時，會在其導體中引起渦流和皮膚效應，產生額外的電阻和熱損耗，使變壓器的溫度升高。這種附加損耗會導致變壓器的工作效率下降，并且縮短變壓器的使用壽命。

第二，諧波電壓會導致電容器損耗和老化。諧波電壓會使電容器內部產生附加電流，導致電容器產生附加損耗和熱損耗。這些附加損耗會加速電容器的老化，降低其工作效率和使用壽命[1]。

2 諧波抑制技術

2.1 諧波濾波器的工作原理和分類

諧波濾波器的工作原理基于濾波原理，通過選擇合適的濾波元件（如電感、電容和阻抗等），在特定頻率范圍內形成阻抗匹配，將諧波電流或電壓引流到地線或吸收到濾波器內部，實現對諧波的抑制。

根據諧波濾波器的結構和工作方式，可以將其分為被動濾波器和主動濾波器兩類。被動濾波器主要由電感和電容組成，根據諧波頻率的不同選擇不同的濾波元件進行諧波抑制。主動濾波器則通過電子器件和控制系統主動感應和抵消諧波電流或電壓，以此實現更精確和高效的諧波濾波效果。諧波濾波器的設計與應用是諧波抑制技術中的重要內容，合理選擇濾波器的參數和布置方式，可以有效抑制諧波，降低地鐵變電站的諧波污染，保證電網和變電設備的正常運行。

2.2 地鐵變電站諧波濾波器的設計方法

合理設計和應用濾波器，可以有效降低諧波污染，提高地鐵變電站的供電質量和穩定性[2]。

首先，進行地鐵變電站諧波濾波器設計時需要進行諧波分析，了解地鐵列車注入電網的諧波頻率和幅值。根據諧波分析結果，確定諧波濾波器的工作頻率范圍和抑制要求。

其次，根據電網的電壓等級和負載情況，選擇合適的濾波器類型和拓撲結構。常見的諧波器類型包括LC 濾波器、LCL 濾波器、電動機驅動濾波器等，根據濾波器的特性和性能需求，確定濾波器的電感和電容數值。

再次，在設計過程中，需要考慮濾波器的額定電流和電壓容忍度，以確保濾波器的可靠性和安全性。

最后，需要考慮濾波器的安裝位置和接線方式，以便與地鐵變電站的電網連接。需要注意的是，設計完成后，需要進行濾波器的仿真和試驗驗證，以確保其能夠切實滿足諧波抑制要求。

2.3 主動諧波抑制技術

2.3.1 主動濾波器控制策略

主動諧波抑制技術是一種先進的諧波抑制方法，其能夠通過主動濾波器控制策略，實時調整濾波器的工作參數，以抑制諧波污染。主動濾波器控制策略主要包括開環控制和閉環控制兩種類型。

開環控制是根據電網的負載特性和諧波源的特點，預先確定濾波器的補償參數，以提前抑制諧波污染。閉環控制是基于實時監測的反饋信息，通過控制算法動態調整濾波器的補償參數，以實現精確的諧波抑制效果。

2.3.2 諧波抑制器的設計和應用

諧波抑制器是一種專門設計的電力設備，用于抑制電網中的諧波成分。諧波抑制器通常由濾波器、控制器和功率電子開關組成。濾波器是諧波抑制器的核心部件，用于濾除諧波成分，其設計包括濾波器的拓撲結構、參數選取和濾波器元件的選擇。濾波器可以采用各種類型的電容、電感和電阻等元件，以實現對不同諧波頻率的抑制。控制器是諧波抑制器的智能部分，負責監測電網的諧波情況，計算諧波濾波器的補償參數，并控制功率電子開關的工作狀態。功率電子開關用于控制濾波器的通斷，以實現對諧波的抑制。諧波抑制器的應用通常需要進行系統建模和仿真，以確定最佳的設計參數和控制策略。此外，諧波抑制器的設計和應用還需要考慮電網的特性、諧波源的特點以及對抑制效果的要求，以實現高效、穩定的諧波抑制。

3 地鐵變電站無功綜合補償技術

3.1 無功功率的特點與補償需求

3.1.1 地鐵變電站的無功功率問題

地鐵變電站在運行過程中會產生大量的無功功率，這是電網的電力負荷和變電設備的電力特性所引起的。無功功率是指電力系統中產生的不做功的電能，主要表現為電流滯后于電壓，導致電網的功率因數下降。地鐵變電站的無功功率問題主要表現在以下幾個方面：第一，無功功率的存在會導致電網的功率因數降低，造成電網能效下降和電能浪費；第二，大量的無功功率會引起電壓的波動和不穩定，對電網的穩定性和可靠性造成影響。

3.1.2 無功功率對電網和設備的影響

先天性脊柱畸形是由于脊柱發育缺陷導致的脊柱形態及結構功能異常，在嬰兒中其發生率約為1/1 000［1］。頸椎半椎體畸形是先天性脊柱畸形的一種，常見于Klippel-Feil綜合征，與胸腰椎畸形相比，此類畸形在臨床上更為罕見。Deburge等［2］和Winter等［3］分別于1981年首次報道頸椎半椎體畸形及其治療方法，Ruf等［1］在2005年對其進行詳細闡述。近年來，臨床報道了多例頸椎半椎體畸形病例，治療方法各有不同［4-6］。本院2015年收治C5半椎體畸形并上胸椎重度脊柱側凸1例，現將診療過程報告如下。

無功功率的特點是在電力系統中不進行有用功的能量交換，主要表現為電流滯后于電壓，其主要是感性負載（如電動機、變壓器等）引起的。無功功率會對電網和設備產生一系列影響：

首先，無功功率會導致電網的功率因數下降，降低電網的能效和經濟性，增加電網的線損。

其次，無功功率會引起電網的電壓波動和不穩定，影響電網的電壓質量，甚至可能導致電壓崩潰。

最后，無功功率還會導致電力設備的運行效率下降，增加設備的損耗和熱量，降低設備的壽命[3]。

3.2 無功綜合補償技術

3.2.1 無功補償設備的選擇和設計

無功綜合補償技術能夠通過對多種設備進行選擇和設計，實現對地鐵變電站無功功率的補償。選擇無功補償設備時，需要考慮變電站的具體情況、負載類型以及無功功率的特點。常見的無功補償設備包括靜態無功補償器（SVC）、靜止無功發生器（STATCOM）和并聯電容器等。靜態無功補償器（SVC）能夠通過調節補償電流的相位和幅值來實現對無功功率的補償。靜止無功發生器（STATCOM）則能夠通過電子器件控制無功電流的注入和吸收，從而實現對無功功率的精確補償。并聯電容器則通過將電容并聯連接到電網，提供對無功功率的補償。設計無功補償設備時，需要考慮變電站的負載特性、功率因數目標、設備容量等因素，并結合實際情況進行優化設計。

3.2.2 無功補償控制策略的研究與應用

無功補償控制策略的研究旨在通過對無功補償設備的控制，實現對地鐵變電站的無功功率進行精確調節和補償。常見的無功補償控制策略包括基于功率因數的控制、電壓調節的控制和諧波抑制的控制等。其中，基于功率因數的控制策略能夠通過監測電網的功率因數，根據預設的功率因數目標值，調節無功補償設備的容量和輸出，從而將變電站的功率因數控制在合理范圍內。電壓調節的控制策略主要通過監測電網的電壓，通過調節無功補償設備的輸出電壓來實現對電網電壓的調節和穩定。諧波抑制的控制策略則通過監測電網的諧波情況，采用相應的濾波器和控制算法，減少諧波對電網和設備的影響。這些無功補償控制策略可以單獨或者組合使用，具體可根據變電站的實際需求和特點進行靈活調整。應用無功補償控制策略，可以實現對地鐵變電站無功功率的準確補償和控制，提高系統的穩定性和可靠性，并有效降低無功功率帶來的負面影響[4]。

4 技術實施與效果評估

4.1 方案設計

4.1.1 地鐵變電站諧波抑制與無功補償系統整體設計

首先，針對諧波抑制，可以基于前期的諧波分析結果確定合適的諧波濾波器配置，包括濾波器的類型、參數和安裝位置等。

其次，在無功補償方面，需要根據地鐵變電站的功率因數需求和電網特點，選擇合適的無功補償設備，如靜態無功補償器（SVC）、無功電容器、STATCOM 等，并進行合理布置和配置。

最后，技術實施方案設計還應考慮系統的可行性、可靠性、經濟性和安全性等方面的要求，以確保整體設計方案的可行性和有效性。

4.1.2 設備選型與布置

首先，針對諧波抑制，需要選擇適合的諧波濾波器設備。根據諧波頻率特性和濾波要求，可以選擇合適的濾波器類型，如有源濾波器、被動濾波器或混合濾波器等。

其次，根據地鐵變電站的功率和諧波水平，確定濾波器的容量和額定電壓等參數。

再次，針對無功補償，需要選擇適當的無功補償設備。常見的無功補償設備包括靜態無功補償器（SVC）、無功電容器和STATCOM 等。

最后，根據地鐵變電站的功率因數需求和電網特點，確定無功補償設備的容量和參數[5]。

4.2 技術實施效果評估

4.2.1 諧波抑制效果實測與評估

首先，利用專業的諧波分析儀器對地鐵變電站的電網進行實時監測，獲取各諧波分量的電流和電壓數據。通過對比實測數據與國家或行業標準的限值要求，分析并評估諧波抑制技術應用效果。

其次，在實測過程中，需要對不同頻率的諧波進行準確測量，并進行數據記錄和分析。可以使用諧波分析儀、功率質量分析儀等專業儀器，對電網中的諧波進行精確的測量和分析。通過測量得到的諧波分量的電流和電壓數據，可以計算諧波失真率、總諧波畸變率等指標，以便進一步評估諧波抑制效果。

最后，可以進行實地觀察和抽樣分析，收集與諧波抑制相關的數據。例如，觀察電網中的電流波形和電壓波形，檢查是否存在明顯的諧波畸變現象。

4.2.2 無功綜合補償對電網性能的改善評估

首先，通過監測和記錄電網中的功率因數、無功功率、電壓等關鍵參數數據，實現對實施無功綜合補償前后的對比分析。通過對比數據的變化，評估無功補償技術對電網性能的改善效果。

其次，電壓的穩定性評估。無功補償技術可以通過調整無功功率的注入或吸收，對電網的電壓進行調節，從而提高電壓的穩定性。通過對比實施無功補償前后的電壓數據，可以評估無功補償對電壓穩定性的影響。

最后，關注電網的損耗情況。實施無功綜合補償技術可以降低電網的傳輸損耗，提高電能的利用效率。通過對比前后的電網損耗數據，可以評估無功補償對電網損耗的改善效果。

5 結語

綜合而言，地鐵變電站諧波抑制和無功綜合補償技術對提高電網穩定性、減少設備損耗和提高能源利用效率有重要意義。因此，需要進一步研究和改進相關技術，以適應不斷增長的地鐵能源使用和環境保護需求，使地鐵供電系統更加高效、穩定，為城市交通發展提供有力支持。