地铁供电系统谐波的产生原因和解决方案-电子发烧友网

引言

随着科学技术的发展，各种非线性和时变性电子装置如逆变器、整流器及开关电源等大规模使用，使得电力系统中谐波成分显著增加，其负面效应日益显见。“谐波污染”已经成为影响电能质量的主要因素之一，因此进行谐波治理也成为电力生产发展的迫切要求。

为确保电网的电压总谐波畸变率和各次谐波电压含有率在地铁投入运营时能满足国家标准的规定，防止牵引供电对电网和用户(包括地铁)的各种电气设备、用电器具造成危害，保证电网及设备的安全经济运行，对地铁接人电网后的谐波进行估算、分的谐波进行估算、分析以及治理是很有必要的。

1 谐波的产生

1．1 谐波的定义

在供配电系统中，当正弦电压施加在非线性电路上时，电流就变成非正弦波。对于非正弦周期的电压、电流，可进行傅立叶级数分解。其中频率与工频相同的分量称为基波，频率为整数倍基波频率的分量称为谐波。谐波次数n为谐波频率．fn与基波频率，1的整数比(n=fn／f1)。电工技术领域研究谐波次数范围一般为2≤n≤40。供电系统中有时也存在非整数倍谐波，称为非谐波(Non—harmonics)或分数谐波。国际电工标准给出的谐波定义为：谐波是频率为基波频率整数倍的正弦波。基波与谐波波形如图1所示。

1．2 谐波的国家标准

地铁是公用电网的一个用户。地铁用电必须严格遵守《电力法》和相关的电力行政法规及国家为公用电网制定的技术标准。地铁对谐波问题应依法治理，依国家标准治理。

早在2001年，国家电力公司下发了《关于进一步提高用户电压质量管理的指导意见》，规定供电部门应对配电区的电压质量进行昼夜连续监测，发现电能污染超过“标准”的用户应采取措施，加装抑制谐波及功率因数补偿设备；注入系统母线的谐波电压总畸变率、奇次谐波电压含有率、偶次谐波电压含有率均应满足GB／T 14549 1993{电能质量公用电网谐波》的要求。公用电网谐波电压限值如表1所示。

1．3 地铁供电系统产生谐波的原因

地铁供电系统的谐波主要来源于向车辆供电的牵引供电系统，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。牵引供电系统的谐波主要是由整流机组产生的。随着24脉波整流装置在地铁牵引供电中的广泛应用，该装置在抑制谐波方面取得良好的效果，对电网造成的电流谐波含量比12脉波整流大大下降。

从理论上讲，当牵引供电系统采用等效24脉波整流时，整流机组直流侧主要含有24次脉动电压，交流侧主要含有23、25次谐波电流。但实际上，由于电网电压不对称和整流变压器三相阻抗不对称等各种因素的存在，不可避免地产生非特征次谐波，在交流侧也将产生5、7、11、13次谐波。

以西安地铁为例，采用24脉波牵引整流机组向列车提供直流电源。在列车运行期间，由于电源波动、整流件换向、大负载变化、列车起动或制动、供电臂切换、车辆逆变等会产生谐波以及不平衡电流。通过理论计算，西安地铁1号线桃园主变电站注入系统的谐波如表2所示，金花主变电站注入系统的谐波如表3所示。

2 谐波对供电系统的危害

谐波对供电系统会造成如下危害。

1)对电力电容器的影响：随着谐波电压的增高，会加速电容器的老化，使电容器的损耗系数增大、附加损耗增加，从而容易发生故障和缩短电容器的寿命。另一方面，电容器的电容与电网的感抗组成的谐振回路的谐振频率等于或接近于某次谐波分量的频率时，就会产生谐波电流放大，使得电容器因过热、过电压等而不能正常运行。

2)对继电保护和自动装置的影响：谐波对电力系统中以负序(基波)量为基础的继电保护和自动装置的影响十分严重。这是由于这些按负序(基波)量整定的保护装置，整定值小、灵敏度高。如果在负序基础上再叠加上谐波的干扰，则会引起负序电流保护误动、变电站主变的复合电压启动过电流保护装置负序电压元件误动、母线差动保护的负序电压闭锁元件误动，以及线路各种型号的距离保护、高频保护、故障录波器、自动准同期装置等发生误动，严重威胁电力系统的安全运行。

3)对旋转电机、变压器的影响：谐波对旋转电机的危害主要是产生附加的损耗和转矩。由于集肤效应、磁滞、涡流等随着频率的增高而使在旋转电机的铁心和绕组中产生的附加损耗增加。谐波电流产生的谐波转矩对电机会产生显著的脉冲转矩，可能出现电机转轴扭曲振动的问题。谐波电流使变压器的铜耗增加，特别是3次及其倍数次谐波对三角形连接的变压器，会在其绕组中形成环流，使绕组过热，使变压器附加损耗增加。

4)使测量、计量仪器的指示和计量不准确：由于电力计量装置都是按50 Hz标准的正弦波设计的，当供电电压或负荷电流中有谐波成分时，会影响感应式电能表的正常工作。

5)干扰通信系统的工作：电力线路上流过的3、5、7、11等幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合，在邻近的通信线路中产生干扰电压，会干扰通信系统的工作，影响通信线路通话的清晰度，甚至在极端情况下，还会威胁通信设备和人员的安全。

6)对电网的污染：谐波电流及谐波电压的出现，对电网是一种污染，使用电设备所处的环境恶化。谐波电流会在电网阻抗上产生同频率的谐波电压，并叠加在电网正弦电压上，使电网电压发生畸变。畸变后的正弦电压施加在所有电器设备端，会对这些设备正常工作带来危害。因为电气设备均按正弦电压设计制造，当电压有畸变时，将会使设备发热，力矩不稳，甚至损坏。

因谐波对电力系统危害很大，为保证电力系统正常运行，就必须研究谐波的基本情况和产生原因，并探讨采取合理的方法进行治理，以确保整个电力系统的安全可靠运行，减少对其它设备的影响。

3 谐波的治理

电网中抑制谐波的方法很多，地铁供电系统常采用以下几方面措施：

1)采用高脉波数的整流机组且三相整流变压器采用Y／△(或△／Y)接线。采用Y／△ 或△／Y联接可以消除3的整数倍高次谐波，这样电网中的谐波电流只有5、7、11、13等奇次谐波。

又因整流机组产生的高次谐波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n=K×P±1(式中P为整流机组脉波数，K为正整数)。即高次谐波的次数是整流机组脉波数的整倍数，这样整流机组脉波数越高，产生较低次谐波越少，对电力系统影响也越小。

2)采用无源滤波装置。利用电容器、电抗器和电阻器等无源元件适当组合而构成的滤波装置，对某一频率的谐波呈低阻抗通路，与电网阻抗形成分流的关系，使大部分该频率的谐波流入滤波器，以达到抑制高次谐波的作用。无源滤波器具有投资少、效率高、结构简单及维护方便等优点，现阶段广泛用于配电网中；但由于其滤波特性受供电系统参数影响大，只能消除特定的几次谐波，而对某些次谐波会产生放大作用，甚至谐振现象。

3)采用有源滤波装置。有源滤波装置利用可控的功率半导体器件向供电系统注入与谐波源电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。它与无源滤波器相比，有以下特点：①具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波，即具有高度可控性和快速响应性等特点；②滤波特性不受供电系统阻抗等影响，可消除与供电系统阻抗发生谐振的危险；③不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点，在性价比上较为合理。

4 有源电力滤波器在地铁供电系统中的应用

4．1 有源电力滤波器的工作原理

有源电力滤波器(APF)是一种用于动态抑制谐波的新型电力电子装置，能对大小和频率都变化的谐波进行补偿，可克服LC(电感电容)滤波器谐波抑制的缺点，实现动态跟踪补偿。

APF克服了以往滤波器仅固定在某些谐波频段的缺点。它的工作原理如图2所示。它对非线性负载产生的谐波进行采样、分析，并建立频谱图；以此频谱图为依据，向电网侧基波P送一个与非线性负载产生的谐波P'相反的谐波D'，从而达到谐波抑制的效果。

根据图2原理推出的APF，能将2～25次谐波有效地抑制。可根据供电系统的情况调整电压与电流波形的相位角，修正电流波形，以提高功率因数，有效地抑制谐波干扰。

4．2 有源电力滤波器的补偿方式

APF可以根据负荷和配电系统实际情况，以及需要达到的补偿效果，灵活选择不同的补偿形式，达到滤波效果和投资的最优化设计。按照APF安装位置的不同，分为集中补偿、分组补偿、就地补偿三种补偿方式(如图3所示)；按照补偿目的的不同，分为谐波电流补偿、功率因数动态补偿、谐波与功率因数同时补偿三种不同的配置形式。