侯红磊
【摘 要】随着科技的发展,大量的电力电子设备被应用在轨道交通行业中,谐波问题日益严重.阐述了轨道交通中谐波产生的原因、危害以及治理措施,详细介绍了有源电力滤波器的基本原理及其优点,并对有源电力滤波器在轨道交通中的应用效果进行了详尽的说明. 【期刊名称】《甘肃科技》
【年(卷),期】2012(028)019
【总页数】3页(P133-135)
【关键词】谐波;有源滤波;轨道交通
【作 者】侯红磊
【作者单位】宁波市轨道交通集团有限公司,浙江宁波315100
【正文语种】中 文
【中图分类】TM71
随着自动化程度越来越高，大量的非线性设备被广泛的应用在轨道交通行业中。机电系统中的荧光灯、开关电源、旋转电机、变频器、软启动器、UPS电源及EPS电源等产生了大量的谐波电流，严重地污染了电网质量，对机电设备也产生了较大危害及用电隐患。 1.1 谐波的危害
理想的电网所提供的电压应该是具有单一固定的频率以及规定的电压幅值。谐波电流和谐波电压的出现，对电网是一种污染，它使用电设备所处的环境恶化。谐波电流、谐波电压对电力系统和用电设备的影响及危害，概括起来，大致可以有以下几个方面:
1)由于谐波的存在，增加了系统中元件的附加谐波损耗，降低了发电、输电及应用设备的使用效率;大量的3次谐波流过中线时会使线路过热甚至发生火灾。
2)使旋转电机和变压器过热、振动和产生噪声，降低变压器额定容量，缩短电机使用寿命。
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3)当谐波频率与输电系统固有的特征频率重合时，可能会放大谐波分量，增加设备的附加损耗和发热，造成设备故障。
4)使线路损耗加大、电缆发热、绝缘老化，严重时会使电缆“放炮”。
5)导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不正确。
6)对邻近的通信系统造成明显的干扰，降低通信质量，而且与弱交流系统连接时可能出现谐波不稳定性。
1.2 谐波的治理措施
谐波抑制是提高电能质量，保证供用电设备安全可靠运行的重要手段之一。减小谐波影响的技术措施可以从两个方面入手:一是从谐波源出发，减少谐波的产生;二是安装滤波装置。目前轨道交通中谐波抑制的措施主要有3种:
1)采用高脉波数的整流机组以及三相整流变压器采用Y/△或△/Y接线。
2)无源滤波器也简称LC滤波器，是由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成的滤波装
置。在交流系统中，无源滤波器不仅可以起到滤波作用，而且可以兼顾无功补偿的需求。 3)有源电力滤波器，其思路是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与谐波大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网电流中只含有基波分量。
上述第一种方法的作用是减少谐波的产生，第二、第三种属于消除谐波的措施，而有源滤波技术相对于无源滤波器用于动态补偿，可以消除多次谐波等优点，应用的越来越广泛。
内外网文件交换2.1 有源电力滤波器的构成及工作原理
有源电力滤波器(APC)是一种基于电压源逆变器的用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置。有源电力滤波器系统由两大部分组成，即谐波电流检测电路和补偿电流发生电路(由补偿电流控制电路、隔离驱动电路和主电路三个部分构成)。其中，谐波电流检测电路的核心是检测出补偿对象电流中的谐波电流分量。补偿电流发生电路的作用是根据谐波电流检测电路得出的补偿电流信号，产生实际的补偿电流。补偿电流控制电路的作用是根据检测到的各个电压和电流，由控制算法计算得出补偿电流的指令信号。主电路用来产生补偿电流，目前均采用PWM变流器。图1为有源电力滤波器的系统构成。
图1 中，es表示交流电源电势，is为交流电源电流，负载为谐波源，它降低了系统功率因数，产生了谐波，iL为负载电流。iC为补偿电流，i*C为补偿电流的指令信号，HPF为高通滤波器。根据基尔霍夫定律有:
上述两式中，iLh非线性负荷电流中谐波电流分量，iLq为非线性负荷电流中基波无功电流分量，iLp为非线性负荷电流中基波有功分量。为了防止谐波流进系统，只要控制iC=iLh则iS=iLq+iLp只剩基波分量，即谐波全部被补偿。如果控制iC=iLh+iLq，即有源滤波器同时补偿谐波和无功电流。所以，采用有源滤波器可以同时较好的解决非线性负荷的动态谐波电流和动态无功电流问题。
2.2 有源电力滤波器的优点
有源电力滤波器的工作原理，可以将其优点归纳为:
1)动态抑制流入电网的谐波电流，以此降低谐波电流的THD含量。
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2)降低电压波动和闪变，提高配电网供电电压质量品质。
硬质合金模具3)降低变压器及电缆的电压损耗，降低变压器和电缆的温升效应。
4)防止电网产生LC谐振现象，提高配电网运行安全可靠性，保护设备。
5)补偿无功功率，提高功率因数、改善电能品质;节约能源。
6)各种不平衡非线性负载进行有效的谐波滤除和不平衡补偿。
在国内轨道交通中，供电系统一般采用两级配电，110kV/35kV(33kV)、35kV(33kV)/0.4kV，在低压侧有两端母线，每段母线的负荷不超过50%，两段母线通过母联进行连接。在轨道交通中一般采取集中补偿的方式，将有源电力滤波器置于AC0.4kV进线柜与馈线柜之间。国内某城市轨道交通采用了有源电力滤波器来进行滤波和无功补偿，图2和图3分别为车站II段母线投入前、后的实际运行电压/电流波形和A功率因数趋势。
由图2分析可以得出，电压波形良好，电流波形畸变较严重，主要以5、7次谐波为主，A相的功率因数波动较小，最小值为0.92，最大值0.98.平均值为0.96。而在APF投入后，由图3分析可得，电压、电流波形良好，都是完美的正弦波形，A相的功率因数波动较小，最小值为0.96，最大值为0.96，平均值为0.99。各相的详细数据见表1。
由APF投入前后的系统波形、谐波数据可以看出，APF可以有效地吸收系统产生的谐波电
流，保证了系统安全稳定运行。同时有源电力滤波器对提高系统的功率因数起到一定的作用，也保证了系统用电设备运转效率。
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目前，北京地铁，上海地铁，苏州轨道交通等众多轨道交通项目都采用有源滤波，对改善电网质量和保证轨道交通的安全运营起到了较大的作用。同时，由于潜在市场的巨大，ABB，西门子，河南许继，北京英博等国内外公司都投入了大量的人力和财力到有源滤波技术的研发当中，势必会提高有源电力滤波器的性能，同时减低有源电力滤波器的市场价格。这些都进一步推动有源滤波技术在国内轨道交通行业的应用。
【相关文献】
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［2］ GB/T 14549－93，电能质量·公用电网谐波［S］.
［3］ 杜占义，王瑜，张毅，等.有源电力滤波器及其在煤矿的应用［J］.煤炭工程，2011，58(2):13-14.
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