城市轨道交通供电系统谐波分析及抑制方法

作者：王昶晔

来源：《中国科技博览》2018年第25期

        [摘 要]现如今，城市轨道交通已经逐渐成为城市交通中至关重要的组成部分，在缓解城市交通压力，保障人们出行安全方面发挥着十分重要的作用。鉴于此，本文对城市轨道交通供电系统谐波及抑制方法进行了分析探讨，仅供参考。

        [关键词]城市轨道交通；供电系统；谐波；抑制方法

        中图分类号：U223.63 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）25-0356-01

        一、城市轨道交通牵引系统供电原理

        目前，我国城市轨道交通供电系统大多采取集中供电方式，城市轨道交通系统供电原理图如图1所示。图1中，城市电网（即外部供电系统）为地铁内部的供电系统提供了110kV的三相交流电，电能经主变电站的作用降压成35kV的交流电，然后再经过牵引供电系统的降压、整流等处理，得到列车运行所需的1500V直流电。

        二、城市轨道交通牵引系统列车运行原理

        城市轨道交通系统的列车可分为牵引、惰行和制动3种运行工况。牵引时，列车通过位于车顶的受电弓将来自架空线路的，且合乎城市轨道牵引电压1500V直流电输送给牵引逆变器，得到用于驱动感应电动机的三相交流电。列车内部的多台电动机则通过并联运行，将来自逆变部分的电能转化成供机车运行的机械能，并通过位于编组列车的转向架为其4个轴提供转向力，进而带动整个列车机组完成牵引过程。牵引过程完成后，控制系统通过脉冲控制作用关断列车的牵引逆变器，使其进入惰行状态。惰行期间，列车的电机失电，故整个过程无功率消耗，列车只在惯性作用下前行。

        牵引逆变器作为能量转化的关键部分，不仅用于牵引过程，在列车制动过程中也发挥着巨大的作用。由于牵引逆变器是电压源型驱动，它通过对来自电网电压的情况进行判断并对运行模式进行选择，从而决定执行电阻制动命令或再生制动命令。制动过程中，电机作发电机运行，实现了机械能到电能的转化，将产生的三相交流电整流成直流电。这部分能量再通过回流线回馈到牵引变电所中，实现了能量的回馈和再利用。回收的电能可以继续为其他列车供电，或供应给照明、空调等起辅助作用的车载耗能装置，从而避免了能量的浪费，而没有被回馈的能量通过制动电阻转变成热能直接散发出去，保证了网侧电压的平稳运行。

        三、城市轨道交通供电系统谐波抑制方法

        1、电力系统谐波抑制措施

        在进行城市轨道交通供电系统谐波抑制过程中，可以采用以下三种方法：①受端治理措施：这一治理措施指的是在进行谐波抑制时，选择科学合理的供电方式，提升供电系统设备抵御谐波的能力，尽量避免电容对谐波放大，提升谐波保护水平。在受端治理措施的实际应用中，通过应用各种谐波抑制措施，有利于改善供电系统设备使用性能。②主动治理措施。这一谐波抑制措施指的是通过增加变流装置的相数、改变谐波源工作方式或者采用PWM技术等措施，虽然主动治理能抑制谐波的产生，但是由于非线性元件种类繁多复杂，单独依靠主动治理不可能完全消除谐波。③被动治理措施。被动治理措施指的是在轨道交通谐波抑制过程中，采用外加设备的方式，具体而言，可以采用有源滤波器或在谐波源并联无功补偿装置联合运行。

        2、建立新型整流变压器架构

        新型地铁牵引供电系统是在感应滤波的技术基础上，改变整流变压器两套阀侧接法，由原来的Y型/△型接法改变为延边三角形联结法。在延边三角形公共绕组抽头的位置连接滤波装置，改变公共绕组设计实现零阻抗绕组，借助滤波器给出的短路通路使得阀侧特定次谐波可直接通过，避开变压器铁芯进入网侧这一环节，阻断谐波电流的传输和扩散。整流变压器的接法选用一次侧接Y型，二次侧两套绕组选用D联结，借助绕组方式改变产生电压相位差，两套绕组依次和整流器连接形成12脉波整流，使变压器铁芯中谐波电流磁势倍数达到12（K±1）（K=1，2，3）次。新型整流变压器阀侧接线电压移相角为±15°，两组线电压差角为30°，形成12脉波换相整流变压器；两组阀侧绕组的匝数比一样，使制造更容易。

        3、新型整流滤波器谐波抑制方法

        滤波方案主要是通过改变绕组连接方式，在阀侧公共绕组抽头位置连接5次、7次、11次和13次特征谐波滤波器，相应频次的谐波滤波器产生的支路阻抗是零，使得谐波电流通路短路。在供电系统实际运行过程中，如果谐波电流流经延边绕组，不通过原边绕组，并且直接经过滤波器支路短路，则会使得延边绕组和公共绕组上因谐波电流而产生的谐波磁势相均衡，有效地将阀侧谐波和网侧绕组阻隔。在进行变压器绕组设计时，只需合理布设公共绕组便可将绕组阻抗设计为零。在实际变压器设计过程中，精确的零阻抗设计一般难以实现，但只需合理设计公共绕组等效阻抗不超过网侧绕组等效阻抗的5%，便可满足工业设计需求。

        4、电气化轨道交通谐波抑制措施

        现如今，科学技术发展迅速，在城市轨道交通建设中，电气化轨道交通发展迅速，同时对于电气化轨道交通供电系统电能质量的要求也越来越高。现如今，对于电气化轨道交通谐波抑制，可以采用以下方法：①采用新型的交-直-交型电力机车，更换既有的交-直型电力机车。交-直-交型电力机车所采用的是四象限脉冲变流器，而逆变器采用的是PWM控制方式，因此谐波含量比交-直型电力机车谐波含量有了明显的减少。②主变压器的牵引绕组上直接安装无功补偿装置，在补偿装置实际安装过程中，对于电容器以及电抗器，采用串联的连接方式，其中，电容器能够有效提供容性超前无功功率补偿感性负载消耗的滞后无功功率，从而促进功率因数的提高。③严格执行谐波国家标准，加强对谐波源的监测分析。可在变电所内设置电能质量监测分析装置，及时关注牵引变电所内电能质量的各项指标。

        结束语

        在城市轨道交通供电系统的实际运行过程中，谐波具有多样性特征，会对供电系统电压稳定性造成不良影响，为了尽量减少谐波对于供电系统造成危害影响，提升供电质量，应该注意加强谐波管理，改进城市轨道交通供电系统，提升其运行效益。

        参考文献

        [1]赵大伟.城市轨道交通供电系统谐波分析及抑制方法初探[J].轨道交通装备与技术，2015（04）：26-28.

        [2]李光蕊.北京地铁负荷建模及其对城市配电网影响的分析[D].北京交通大学，2015.

        [3]姚猛.郑州城市轨道交通供电模式及谐波分析[D].郑州大学，2012.

        [4]艾兵.地铁牵引供电系统建模及其对公共电网影响的研究[D].西南交通大学，2010.