城市轨道交通中的FA64有源电力滤波器应用技术

1.概述

中国正处于城镇化的快速发展阶段。近年来，中国城镇化进程以每年约1个百分点的速度增长，每年有1300多万人口从农村转入城市。在此背景下，城市公共交通需求日益旺盛，发展任务十分繁重。“十二五”期间，中国城市公共交通运力总量将继续保持快速增长态势，尤其是轨道交通运量将大幅增长。预计城市公共交通总量与国民经济增长的弹性系数在0.75左右，到2020年，预计城市公共交通总量将超过1200多亿人次，年均增长6%左右。

为了缓解日益严重的城市交通压力，具有运量大、速度快、安全、准点、保护环境、节约能源和用地等特点的城市轨道交通得到快速发展。城市轨道交通作为支撑城市正常运行的大动脉，发展迅速。在下一个十年，中国城市轨道交通的发展将会更加迅速，据不完全统计，其里程大约为2200～2500km，运力与运能成几何增长。

地铁是一个重要的用电部门，地铁的供电不同于一般工业和民用的供电。地铁机车牵引采用直流供电，整流设备工作时会产生大量谐波反馈到电网中。另外地铁低压端装备了EPS、空调、电梯以及复杂繁多的照明系统、信号系统等，这些设备都会产生大量谐波分量。大量谐波的存在给地铁供电系统带来了诸多隐患，严重影响了地铁安全运行，因此地铁供电系统必须进行谐波治理。

2.地铁供电系统分析

地铁集中供电系统一般采用110/35（33）kV或110/20（20）kV两级电压供电方式，如图1所示。地铁牵引供电系统一般采用DC 1500V或DC 750V供电制式，由牵引变电所整流机组降压整流后提供。整流机组采用12脉波整流和等效24脉波整流两种方式，在运行过程中整流机组会产生5、7、11、13、23、25次谐波。同时低压用电设备越来越多地使用变频装置，也造成了低压配电系统谐波畸变。照明系统、荧光灯（电子整流器）主要产生3次谐波；EPS电源屏、通风空调、电梯、扶梯等设备主要产生5、7次谐波。该谐波在地铁供电系统流窜、叠加甚至放大，直接影响了地铁供电系统的安全，并通过主变电站进入电力系统，给城市电力系统造成谐波污染。

图1 地铁集中供电系统示意图

通过对国内地铁实际运行数据进行分析得知，目前国内地铁牵引系统基本采用等效24脉波整流，电力系统公共连接点的谐波含量满足国家规范要求。但地铁供电系统网络内部存在很多的谐波源，主要集中在400V侧信号、动力、照明系统等负荷中，谐波产生后对整个低压侧电气设备产生影响。因此地铁400V系统必须进行谐波治理。同时从节能、保护地铁系统安全等方面考虑也须对谐波进行治理。

3.谐波治理方案

传统的谐波抑制和无功补偿方法是由电力电容器和滤波电抗器等无源器件构成的无源滤波器。这种方法造价低、结构简单，在普通工业场合应用广泛，若在地铁供电系统则存在严重安全隐患：

1）放大电网中谐波分量；

2）一种参数只能补偿基波或针对特定次谐波进行补偿；

3）电力系统阻抗变化时，可能产生谐振；

4）无法控制地铁供电系统负荷的总功率因数；

5）夜间休车时段向电力系统反送的容性无功功率增大。

因此在实际运行过程中地铁公司将无功补偿回路和LC滤波回路统统退出运行。

近年来，以IGBT技术为代表的有源滤波技术开始规模化应用。它通过实时检测负荷电流波形，然后通过控制IGBT的触发，将反向电流注入系统，达到补偿目的，如图2所示。由于有源滤波器可以实现动态补偿，克服传统滤波装置的缺点，并且安全可靠，目前已经在国内上海地铁、西安地铁、宁波地铁、长沙地铁、郑州地铁等得到推广使用，取得较好的补偿效果。

图2 有源滤波器工作示意图

河南森源电气股份有限公司生产的有源电力滤波器SAPF采用自主研发的最新技术，并与清华大学等高校合作，产品具有明显技术优势。

1）可同时滤除2次到50次谐波电流；

2）突破国内传统控制算法，采用柜内最先进无源算法，响应速度快、补偿效果好；

3）保护功能齐全，确保系统或设备异常时安全运行；(www.xing528.com)

4）采用模块化设计，抗干扰能力强、易于安装维护；

5）采用自主产权非晶体材料电抗器，损耗小、噪声小；

6）每台由单独的控制系统，易于多台扩展并联；

7）全触摸屏操作界面，方便实用；

8）具有自动限流功能，不会发生过负荷。

4.实际案例介绍

郑州地铁1号线一期共20个站点，东起市体育中心站，西至西流湖站。全线降压变电所、跟随所及调度中心共28个，56台变压器，容量包括630kVA、1000kVA、1250kVA、1600kVA。有源滤波器根据负荷的大小配置容量包括150A、120A、60A。每一台低压变压器出线端并联安装一台有源滤波器。系统图如图3所示。

图3 郑州地铁黄河南部站一次系统图（部分）

郑州地铁运行后，各个站点有源滤波器安全运行，补偿效果显著。下面以市体育中心站详细运行数据为例表述实际补偿效果（见图4～图8和表1）。

图4 补偿前电流波形图

图5 补偿后电流波形图

图6 补偿前谐波含量柱形图

图7 补偿后谐波含量柱形图

有源滤波投入后，市体育中心站400V线路谐波总畸变率由24.9%下降至4.3%，电流波形趋近正弦波，完全解决了谐波干扰问题。

对照国标电网谐波电流允许值可以清楚地看出，补偿前各次谐波电流明显超过国标，补偿后各次谐波电流均能达到国标要求。对于轨道交通供电系统，安全运行是第一位的。有源滤波投入后，配电系统谐波得到了很好的抑制，提升了供电系统的供电可靠性，消除了谐波对轨道交通系统的供电影响，保障了城市轨道系统的安全运行。

5.结束语

国家未来会重点发展城市轨道交通，缓解日趋严重的交通压力，方便居民的出行，同时可以改变居民出行方式，减少汽车污染物排放，改善城市环境。地铁是否安全运行关系到乘客的人身安全，低压线路中谐波的污染必须进行治理，保障地铁控制信号、监控等系统稳定运行。有源滤波器作为治理谐波的利器，将会在未来城市轨道交通发展中大显身手。

图8 市体育中心站有源滤波器运行图片

表1 投运前后数据对比

（作者：河南森源电气股份有限公司 史谦东 司贞员 尹小正 候可淅）