关于有源电力滤波器在地铁站低压配电系统中的应用分析

摘要：节能降耗作为国家提出的绿色电网，已成为现代企业的目标和亟待解决的问题。配电系统是地铁站等市政公共交通建筑的关键系统。绿色电网的实现本质上是解决电网中的各种电力问题，主要涉及谐波和无功率问题。就地铁线路目前的电力系统状态而言，低压配电系统配备了谐波处理的有源电力滤波器，但APF事实上，没有投资。系统中的谐波问题仍然存在，因此有必要对网站和有源电力滤波器进行详细的测试APF评估后续新线路有源滤波器设置的必要性，并提出参考意见。

关键词：地铁负荷、电能质量、谐波处理、无功补偿

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地铁电能质量分析

目前，城市轨道交通中常见的主要电能质量问题是道路交通中常见的主要电能质量问题。目前，3555KV和0.4KV大量使用电缆时，夜间所有负荷基本停止，因为大部分电力负荷都是感性负荷。此时，感性无功率基本接近零，容性无功率甚至可以达到几个Mkvar。如果无功率转移到电力系统，线路电压升高，功率因数降低。地铁上的电力机车是典型的非线性负载。由于运行过程中启停频繁，会在短时间内产生冲击负载电流，导致电压波动和闪烁。

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主要研究内容

同时，谐波电流也会对系统运行构成威胁和不安全因素，严重影响甚至中断生产。因此，公司组织了地铁站低压配电室1#和2#变压器的测试。同时，地铁系统的负荷主要是照明、空调、泵、电梯、信号电源，UPS打开有源滤波器等设备APF而不是打开APF测试时，统计分析测试数据，选择合适的治理设备型号，计算设备选择的节能性。

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测试数据及分析

(1)测试说明

本试验主要用于广东地铁站1#、2#变压器、低压配电室。系统负荷主要为照明、空调、泵、电梯、信号电源，UPS开关电源的启动立即形成电流冲击，其他设备在运行过程中会对系统造成谐波电流污染。变压器在系统中的负载性能决定了谐波电流和谐波污染。系统节能照明在运行过程中产生三个谐波电流，三个谐波电流为零序谐波电流，三相矢量角一致，N在线谐波电流叠加，N相电流是相线的三倍，主要针对这些问题。根据工程实践经验，谐波电流不仅对系统运行构成威胁，而且对电缆进行额外加热，加速电缆绝缘老化，造成不安全因素，严重影响甚至中断生产。

(2)测试方法

在现场工作人员的配合下，对两台变压器（1#变压器和2#变压器）进行了详细的电能质量测试。该方案的目标是完全消除系统中的谐波电流污染，特别是3N二次谐波电流叠加导致N线电流增加，N线路电流的增加很容易导致电气火灾，因此在整个电力系统中收集电流数据更为重要。现场处理设备将根据测试值进行设计和选择，以确保系统中谐波电流的过滤。在测试过程中，每个测试点监测24小时，以澄清整个周期中典型的电能质量。

(3)测试数据及分析

①1#变压器低压侧测试数据

根据上述测试数据分析，电压畸变率波动为1.2%~1.10%之间的电流畸变率为10%~基波电流值约为15%A，电流畸变频谱7次，谐波电流11次为主，谐波电流总值约125A，N线路电流主要由三次谐波电流叠加引起。每相输出处理电流至少为125A以上，N线路输出能力是相线的三倍，可以解决中线谐波电流叠加的问题。变压器容量为1250kVA，在现有地铁站的滤波器设计中，考虑到功率因数增加到0。因此，无功补偿应在滤波过程中考虑，一般按变压器容量的30%配置。

②变压器低压侧测试数据

根据上述测试数据，电压畸变率波动为1.4%~1.电流畸变率在5%之间为10%~基波电流值约为20%A，谐波电流主要为三次、五次、七次和十一次，总谐波电流值约为1万A，N线路电流主要由三次谐波电流叠加引起。每相输出处理电流至少为100A以上，N线输出能力是相线的3倍，可以解决中线谐波电流叠加的问题。变压器为125000kVA考虑到地铁站现有滤波器的功率因数已提高到0.92要求，因此需要考虑留有一定容量的无功补偿，一般按变压器容量的30%进行无功补偿配置。

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三次谐波问题相应阐述

(1)三次谐波的概念及不良影响

傅里叶级数分化周期性非正弦电量，可整数倍，统称谐波。其中，频率为基波三倍的功率称为三次谐波。随着社会的快速发展，人们和社会对电能的需求越来越大，对电能质量的要求也越来越高。随着各种电子设备在人们生活中的广泛普及，具有非线性负载特性的电子设备也改变了电力系统中的电压和电流状态。使用傅里叶级分析电压和电流波形时，会发现50Hz，220V1500电力中有一些1500电力Hz正弦波的交流频率为50Hz的三倍的“三次谐波”。

随着科学技术的快速发展，非线性负载的数量越来越大，三次谐波在工作中占很大比例。这种不良现象不仅会增加整个电力系统的损失，还会增加中性线的负荷，严重影响电力系统的整体安全稳定性，甚至造成一系列安全事故。谐波加热电网三次，造成严重安全事故；对电子元件的日常使用和运行有不良影响，导致操作错误；严重缩短电力设施的使用寿命。三次谐波不仅会造成许多危害，还会对电网的整体稳定性和安全性产生严重的不利影响，从而影响人们的日常生产、生活活动、行为和社会的和谐发展。因此，有关部门应采取合理措施，减少甚至避免三次谐波的危害。

(2)合理建议三次谐波治理

传统的无源滤波器不适用于单相整流电路的非线性负荷。这主要是因为它的滤波效果差，也会产生更大的容性无功率。这部分容性无功率不仅不用于非线性负载，而且不需要整个电网。因此，相关部门应使用有源滤波器进行处理。当单独使用此类滤波器检测线路中的谐波电流时，可以产生补偿电流。但从整体效果来看，该滤波器只能确保安装现场上游谐波电流较小，但不会影响下游线路。

因此，在了解了上述特点后，可以处理三次谐波污染，并将有源滤波器安装在三次谐波的下游线路上。此外，经过多年的实践，滤波器离三次谐波电流源越近，防治效果越好。同时，如果三次谐波滤波器并联，也可以降低三次谐波的电压。因此，当三次谐波滤波器与非线性负荷相连时，三次谐波的危害可控制在较低水平。

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谐波治理的整体解决方案

(1)有源电力滤波器的工作原理

有源电力滤波器的工作原理如图1所示，主要由负载电流分离、指令电流调节、输出电流控制、驱动电路和主电路组成。采用电流变流器，通过连接电抗器访问系统，调整交流侧逆变输出电压的瞬时振幅和相位，或直接控制交流侧的输出电流，使设备发出或吸收宽谱无功功率。基于电力电子的有源电力滤波器装置与电网并联，相当于可控的无功和谐波电流源其无功和谐波电流可以快速跟随负载无功电流的变化，自动补偿电网系统所需的无功和谐波，实现从感性到容性的综合补偿，动态稳定地调节电网电压。

图1有源电力滤波器工作原理图

(2)有源电力滤波器的工作原理

有源电源滤波器采用模块化插拔设计，集成了三相不平衡处理、谐波阻力和无功补偿功能，方便了操作和维护人员的安装和拆卸，也方便了未来电力负荷的变化，扩大了补偿能力。

主要特点如下：

①灵活的补偿方法：可补偿谐波或失败，可补偿2-51个谐波或指定的次谐波，同时可控制三相不平衡；

②线性补偿，全响应时间≤5ms；

③通过人机交互界面，可以通过界面看到系统和本体的实时电能质量信息，操作简单，可远程或控制；

④采用DSP数控系统和进口高速检测和操作IGBT，高功率密度，高可靠性；

⑤通过远程通信接口监控和显示具有远程通信接口的监控和显示PC实时监控；

⑥标准化模块化设计缩短了交付周期，提高了使用的可靠性和可维护性。

有源电源滤波器可安装在壁挂式和全柜式，实现集中和局部处理。图2所示的产品易于安装、维护和未来升级，提高了整体安装效率。

图2 有源电力滤波器产品示意图

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案例分析

(1)项目背景

广东某地铁改造工程系统的负荷主要是照明.空调.泵机类.电梯.信号电源.UPS开关电源的启动会立即形成电流冲击，其他设备在运行过程中会对系统造成谐波电流污染。谐波主要包括3个.5.7.9次；未经合理处理，会对中线过热甚至火灾等其他电气设备造成危害，大量谐波会导致变压器局部严重过热、继电保护误操作等。

(2)治理方案

根据以往的测量经验，对谐波分析进行了分析和估算。谐波主要由谐波分析和估计UPS与一些非线性直流电源相比，该项目有1#.2#2个配电站，1#2个配电站800个kVA2#配电站1万台变压器2台KVA变压器采用集中处理方案，安装在每个变压器下ANAPF由于安装空间有限，嵌入式安装选用壁挂式有源电源滤波器。1#配电站#1和#2变压器的安装型号为ANAPF75-380/BBL，#1和#2变压器安装在2#ANAPF60-380/BBL并采用有源电源滤波器，确保整个供电系统的稳定。

(3)治理效果

图3 治理之前电流波形和各次谐波电流畸变率

图4

三相电流畸变率分别为10.8%，11.1%，12.5%；在加装ANAPF在一系列主动电源滤波器后，电流波形趋于正弦波，并抵抗每次谐波。电流失真率显著降低，三相电流失真率降至4.0%，4.1%，4.4%。

(4)现场安装

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结论