城市轨道交通供电系统网侧谐波研究

第２２卷第２期２０１０年６月郑州铁路职业技术学院学报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＺｈｅｎｇｚｈｏｕＲａｉｌｗａｙＶｏｃａｔｉｏｎａｌ＆ＴｅｃｈｎｉｃａｌＣｏｌｌｅｇｅＶ０１．２２Ｎｏ．２Ｊｕｎ．２０１０城市轨道交通供电系统网侧谐波研究陶乃彬李建民徐彦河南郑州４５００５２）（郑州铁路职业技术学院摘要：针对城市轨道交通供电系统，对系统产生的谐波进行分析，可知谐波对系统具有危害性。在现实系统中不但含有特征次谐波，而且含有非特征次谐波。采用多重化结构的整流系统，仍然含有已经被认为消除的谐波。应采用分散治理和集中治理的方案，轨道交通供电系统应安装滤波装置或者有源滤波装置ＡＰＦ。关键词：轨道交通供电系统；２４脉波整流机组；有源滤波；特征次谐波；非特征次谐波１前言力能量来源于所在城市的国家电力系统，它直接取自城市或区域电力网。城市轨道交通电力网供电系统就是指国家电力网以何种方式向城市轨道交通供电。因此，城市电网或区域电力网的结构必将对城市轨道交通供电系统起着决定作用。牵引供电系统：城市轨道交通供电系统的核心，负责向城市轨道交通车辆提供电能的任务。主要作用是降压、整流和传输电能。动力供电系统：负责向信号设备、照明、通风、排水、制冷设备馈送电能。主要作用是降压、分配和传输电能。１１０Ｋｖ１１０Ｋｖ理想的公用电网所提供的电压应是单一而固定的频率以及规定的电压。但是，在电力电网中，存在大量非线性负载，引起电网电流波形不再是正弦波。对三相交流电而言，认为基波为正弦波，即波形中基本无直流量和高次谐波分量。但是，这只是理想状态，一般情况都含有高次谐波分量。如图ｌ所示，城市轨道交通供电系统主要有以下三部分构成：一般称中压环网系统、牵引供电系统和动力供电系统。中压环网系统：城市轨道交通电囹代辅｜变电所口代表降压变电所图１城市轨道交通供电系统结构框图注：河南省教育厅２０１０年度自然科学研究计划项目，课题号：２０１０ＣＡ７０００５。收稿日期：２０１０一０４—２８作者简介：陶乃彬（１９６３一），男，河北秦皇岛人，郑州铁路职业技术学院副教授。研究方向：电力系统谐波和电能质量。李建民（１９６６一），男，河南浚县人，郑州铁路职业技术学院教授。研究方向：电力系统谐波和电能质量。徐彦（１９８２一），女，河南汤阴人，郑州铁路职业技术学院讲师。研究方向：电力电子和电能质量。３万方数据其中城市轨道交通牵引供电系统采用整流机组向电动车组提供直流电源，是主要的谐波源。而动力照明信号供电系统是第二大谐波源。可以这么说，对于３５ｋｖ系统而言，其谐波属于内部谐波，由各牵引变电所和降压变电所注入到交流系统３５ｋｖ侧。３５ｋｖ侧的各谐波又注人到交流系统１ｌＯｋｖ系统，而对于１１０系统而言，则属于注入公共节点（ＰＣＣ）的谐波，必须满足国家的标准。当谐波含量超过一定范围时，对城区国家电力系统、城市轨道交通动力照明系统以及３５ｋｖ中压环网系统可能产生以下主要危害：（１）可能使电力系统的继电保护设备和自动装置产生误动或拒动，直接危及电网的安全运行。严重时造成系统崩溃、用户停电事故。（２）使各种电气设备产生附加损耗和发热，使电机产生机械振动及噪声。谐波使无功补偿电容器和其它电气设备因谐振或谐波放大而使其熔丝经常熔断而无法运行，严重时使电容器产生噪音、振动，并使其过热、过电压而损坏。（３）谐波电流在电网中流动，作为一种能量，最终要消耗在线路及各种电气设备上，从而增加损耗，影响电网及各种电气设备的经济运行。（４）由于电网中谐波电流的存在，通过电磁感应、电容耦合以及电气传导等作用，对周围的通信系统产生干扰，从而降低信号的传输质量。高次谐波对通讯线路和控制信号产生电磁和射频干扰。（５）谐波使电网中广泛使用的各种仪表，如电压表、电流表、有功及无功功率表、功率因数表、电度表表１ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ５７１４．３１１．Ｏ０１ｌ９．１４．５１３７．７２．９等产生误差。（６）增加电网中发生谐波谐振的可能，从而造成过电流或过电压引起的危险。过电压会造成绝缘毁坏，从而影响电气设备的正常运行。由于谐波对电力系统危害很大，为保证系统的正常运行，就必须研究谐波的基本情况和产生的原因，并探讨采取合理的方法进行治理，以确保整个系统的安全可靠运行，减少对其它设备的影响，减少对国家电力系统的影响。２城市轨道交通牵引供电系统谐波的种类分析高次谐波产生的原因主要是由于电力系统中存在非线性元件及负载产生的。如：电容性负载、感性负载及开关变流设备，诸如电动机、整流装置等。由于其为储能元件或变流装置，故使电压、电流波形发生畸变。城市轨道交通供电系统的谐波主要由城市轨道交通牵引供电系统产生的，而城市轨道交通牵引供电系统的谐波主要是由整流机组产生的。此外，由于２４脉波整流方式，产生非特征次谐波，在理想情况下，对于２４脉波整流方式，网侧电流中只含有２３和２５次及以上特征谐波。实际上由于各种非理想因素的存在，不可避免地产生非特征次数的谐波，也不可避免地出现在理想状态下不应出现的谐波。２４脉波整流方式，网侧电流中还含有５、７、ｌｌ、１３、２３和２５次谐波，按照整流器厂家和电力工业部电气设备质量检测测试中心测试报告中提供的数据，对２４脉波整流机组而言，２３次谐波最大，其次为２５次、５次、７次、１１次、１３次。理想状态下的特征谐波和实际状态下的特征谐波比较Ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌｈａｒｍｏｎｉｃｏｒｄｅｒａｎｄ１７５．９ｌｅｖｅｌｓ（％）１９０．５２３２５ｔｏｔａｌ６一ｐｕｌｓｅ（Ｉ）２０１７．５４．３Ｏ．９４．３２．３４．３４．０Ｏ．８４．０Ｏ．８４．Ｏ２９％２１．５％１５．５％１０．４％５．９％３．８％６一ｐｕｌｓｅ（Ｐ）１２一ｐｕｌｓｅ（１１１２一ｐｕｌｓｅ（Ｐ）２４一ｐｕｌｓｅ（Ｉ）１．５ＯＯ．２ＯＯ．２ｌ００．１ＯＯ．１Ｏ２．６９．１７．９７．７５．５ＯＯ．４１．６０１．６Ｏ２．６ＯＯ．７２４一ｐｕｌｓｅ（Ｐ）１．９０．８Ｉ—－ＩｄｅａｌｓｑｕａｒｅｗａｖｅＰ—・ｐｒａｃｔｉｃａｌｃａｓｅ４万方数据表２负载５０％７５％１００％实际系统中测得的不同负荷状态下的谐波电流偶数次谐波（ｅｖｅｎｈａｒｍ）１１７．２９．２７．１２０．８１．４０．８４Ｏ．５３．Ｏ０．９６Ｏ．１Ｏ．１１．５８０．２０．３Ｏ．１１０Ｏ．２１．４Ｏ．６奇数次谐波（ｏｄｄｈａｒｍ）ＴＨＤｉ３２３．１２６．７２６．９１．１Ｏ．７０．６５１６．７２１．１１９．８７１０．８１１．７１３．３９Ｏ．４２．４２．Ｏ表中明确指出了两个现实：一是理想和实际状态下的同次谐波的含量不同；二是理想状态下的一些谐波是不存在的，而实际状态下都有一定的分布；三是在理想状态下，仅含有奇数次谐波，不含有偶数次谐波，而实际状态下各偶数次谐波都有一定的分布。由于城市轨道交通供电系统含有大量的电力电子设备，它们不仅消耗大量的无功功率，同时也产生大量的谐波，如整流器；此外，系统中广泛应用的大量的家用电器的电源，各种消防设备，环控设备，自动售检票系统的电源设备，变压器，荧光灯等，在工作过程中都产生大量的谐波。这些谐波不仅会影响邻近的其它设备的工作，也会对大电网造成影响。一般认为，城市轨道交通供电系统的谐波源主要来源于向车辆供电的整流设备，其次是来自于其它设备，如各种各样的电视机、监控机、计算机等。由于其内部都含有开关电源，因而其谐波污染也越来越严重，因此必须引起足够的重视。３城市轨道交通牵引供电系统谐波产生的原因分析各种特征次谐波可以根据富氏（Ｆｌｏｕｒｉｅｒ）变换原理推导出来，可以定量地进行分析和计算，但是对于各种非特征次谐波就无法定量地计算。因为其产生的原因较多，控制参数太多而难以分析，只能局部地进行定量分析。本文重点从定性和定量两个角度研究城市轨道交通供电系统非特征次谐波存在的原因。城市轨道交通供电系统的负荷一般都属于阻感负载，而且为精确期间考虑了脉动的影响。下面的分析都是基于上述考虑的。ｊ．１交流侧电源电压不是纯正的正弦电压，存在谐波和不对称等因素由于交流侧电源直接取自国家电网，因此其质量受不同电源的影响。由于整个电网系统的复杂性，难免出现三相不对称的情况。同时由于受到其它负荷的影响，也难免含有不同谐波。３．２各相的交流侧阻抗不全相等交流侧阻抗不全相等与交流侧电源三相电压不对称引起的非特征次谐波性质一样。３．３直流侧平均电流不恒定，而且易于受到负载的影响由于城市轨道交通牵引供电系统最终要通过直流馈线、接触线、受电弓输送到动车组各个电机上，而动车组上采用的都是异步交流电动机，因此在此万方数据过程中存在逆变过程，属于逆变器负载。因此其直流侧电流会受到负载的调制，从而在交流侧产生非特征次谐波。一般情况下，如果直流侧注入一个小的ｋ次谐波，则交流侧会产生其它次的谐波。３．４三相的触发电路不对称，间隔不相等尽管城市轨道交通牵引供电系统整流机组采用不可控方式，但是它仍然存在触发迟延的问题。原因主要是整流二极管的性能不可能完全一致，而且它们各自的工作状态也不一样。３．５设备设计与制造过程中存在的工程误差除上述原因之外，还有一个重要的原因是：由于整流变压器一般是多相整流电路，采用特殊的变压器。如城市轨道交通供电系统，其牵引变电采用外延三角形接线，目的是为了实现１５。移相。由于移相角决定于网侧绕组延边段匝数Ⅳ，和三角段绕组匝数％，匝数的选择必须是整数，因此难免造成其实际移相角小于或大于１５。，这样就造成网侧非特征次谐波的出现。此外，当整流变压器中的△与Ｙ接线两套绕组中的匝数比无法达到怕的完全配合时，因为匝数总是取整数值，这样难免出现误差，引起负荷的不平衡，进而产生谐波分量。４措施由上述分析可知，定量地分析各种谐波是非常困难的，因为影响谐波的可控制变量太多。基于以上的分析和认识，笔者认为，谐波问题的解决要依据实际的系统，采取有针对性的方法。其原则是对于特征次谐波可以在理论的指导下，采取特定的措施；而对于非特征次谐波则以实际的测量数据为依据，采取有针对的方法。值得庆幸的是随着瞬时无功理论的发展，可以将上述措施合二为一。特别是在处理非特征次谐波的问题上更具有实际意义。由于电力系统的谐波参数和背景谐波难以分析计算，目前谐波影响评估都采用设计阶段进行模拟计算，工程投运前后进行谐波电流、电压实测，然后根据线路的运行情况，进行技术经济比较，以确定减少谐波影响的措施。不过，目前的方法，有以下几种。各运营单位可以根据实际情况，进行技术经济比较后，采取适当的措施。４．１城市轨道交通供电系统减少谐波影响的措施主要是采用高脉波数的整流机组以及三相整流５变压器采用Ｙ／Ａ或Ａ／Ｙ接线。采用Ｙ／△或Ａ／Ｙ这样联接可以消除３的整数倍的高次谐波，这样电网中的谐波电流只有５、７、ｌｌ、１３等奇次谐波。又因为整流机组产生的高次谐波的次数与整流机组输出脉波数有关，理想情况下，反映到整流机组高压侧产生的谐波电流次数为ｆｌ＝Ｋ搴Ｐ±１，即高次谐波的次数是整流机组脉波数的整倍数，式中Ｐ为整流机组脉波数，Ｋ为正整数。这样整流机组脉波数越高，产生较低次谐波越少，对系统影响也越小。高脉波数的整流即采用多重化结构，大大降低谐波的种类和数量。我国９０年代建成的上海地铁一号线和广州地铁一号线采用１２脉波整流机组，而后建成的地铁线路均采用２４脉波整流机组。由于２４脉波整流机组产生的谐波电流较１２脉波整流机组产生的谐波含量少，尤其１２脉波整流谐波含量最大的ｌｌ、１３次谐波可减少８０％以上，这样从谐波产生的源头减少了谐波含量，因此城市轨道交通牵引供电系统目前都采用２４脉波整流机组。采用２４脉波整流机组大大减少了１ｌ、１３次谐波含量，但是２３、２５次谐波含量较大。同时由于整流机组产生谐波次数较高，与谐波传输路径、电缆特性参数、供电网络构成、设备参数等因素有关，需要结合供电网络实际情况，进行谐波仿真计算，进行分析评估。４．２装设分流滤波器分流滤波器是由Ｒ、Ｃ、Ｌ等元件组成的。串联谐振电路一般采取三相星形联接，它往往接在大型整流设备与电网的联接处，见图２。这种方法主要是进行有针对性的固定次的谐波的治理。电网４．３安装有源谐波器（ＡＰＦ）有源谐波调节器克服了以往滤波器仅固定在某些谐波频段，它采用如图ｌ原理图。它对非线性负载产生的谐波进行采样、分析，建立频谱图，以此频谱图为依据，向电网侧送一个与非线性负载产生的６万方数据谐波相反的谐波，从而达到谐波抑制的效果。据此原理推出了有源谐波调节器，它能将２～２５次谐波有效地抑制。可根据电网的情况调整电压与电流波形的相位角，修正电流波形，提高功率因数，有效地抑制谐波干扰。它的工作原理见图３。图３有源谐波调节器工作原理框图４．４采取２和３项结合的方法进行谐波治理城市轨道交通供电系统谐波治理的基本措施主要有本文所讲的四种。其中第一种已经在多数城市轨道交通供电系统采用。而第二种也有许多地方采用或预留。以上两种方法都属于静态抑制处理方法，一旦采用，其抑制的谐波是特定的，而且一般用于较低次谐波。而第三、第四种方法属于动态抑制方法，而且属于智能化处理方法，其处理的效果非常好，特别有利于对一些瞬态或暂态谐波，对短期运行模式产生的谐波，有很大的适应性和及时性，对非特征次谐波有很好的效果，即这两种方法可以对各种不明来源的谐波进行实时监测和抑制，更有针对性，这将是今后发展的一个方向。二者联合起来的好处是：充分发挥固定硬件滤波器的功能，同时也可以极大地降低ＡＰＦ的容量，提高其运行的质量。５结束语本文分析了城市轨道交通供电系统谐波的危害，指出城市轨道交通供电系统谐波源主要有两个。同时也分析研究了不同整流系统其理想与实际的差别。这为治理谐波的措施研究提供了依据。特别指出了在治理特征次谐波的同时，不能忽略非特征次谐波；治理牵引系统谐波的同时，不能忽略动力系统谐波。参考文献：［１］李建民，孙建设．城市轨道交通供电系统谐波分布研究［Ｊ］．电测与仪表，２００８，（２）．［２］王念同，魏雪亮．城市轨道交通２４脉波牵引整流变电站网侧谐波电流的分析［Ｊ］．变压器，２００３，（１）．［３］王磊，刘小宁，王伟利．大功率整流电路直流侧非特征谐波的分析［Ｊ］．继电器，２００７，（３）．［４］黄俊，王兆安．电力电子技术［Ｍ］．北京：机械工业出版社．２００２．［责任编辑：方艳］