引言

隨著科學技術的發(fā)展，各種非線性和時變性電子裝置如逆變器、整流器及開關電源等大規(guī)模使用，使得電力系統(tǒng)中諧波成分顯著增加，其負面效應日益顯見?！爸C波污染”已經(jīng)成為影響電能質量的主要因素之一，因此進行諧波治理也成為電力生產(chǎn)發(fā)展的迫切要求。

為確保電網(wǎng)的電壓總諧波畸變率和各次諧波電壓含有率在地鐵投入運營時能滿足國家標準的規(guī)定，防止牽引供電對電網(wǎng)和用戶(包括地鐵)的各種電氣設備、用電器具造成危害，保證電網(wǎng)及設備的安全經(jīng)濟運行，對地鐵接人電網(wǎng)后的諧波進行估算、分的諧波進行估算、分析以及治理是很有必要的。

1 諧波的產(chǎn)生

1．1 諧波的定義

在供配電系統(tǒng)中，當正弦電壓施加在非線性電路上時，電流就變成非正弦波。對于非正弦周期的電壓、電流，可進行傅立葉級數(shù)分解。其中頻率與工頻相同的分量稱為基波，頻率為整數(shù)倍基波頻率的分量稱為諧波。諧波次數(shù)n為諧波頻率．fn與基波頻率，1的整數(shù)比(n=fn／f1)。電工技術領域研究諧波次數(shù)范圍一般為2≤n≤40。供電系統(tǒng)中有時也存在非整數(shù)倍諧波，稱為非諧波(Non—harmonics)或分數(shù)諧波。國際電工標準給出的諧波定義為：諧波是頻率為基波頻率整數(shù)倍的正弦波?；ㄅc諧波波形如圖1所示。

1．2 諧波的國家標準

地鐵是公用電網(wǎng)的一個用戶。地鐵用電必須嚴格遵守《電力法》和相關的電力行政法規(guī)及國家為公用電網(wǎng)制定的技術標準。地鐵對諧波問題應依法治理，依國家標準治理。

早在2001年，國家電力公司下發(fā)了《關于進一步提高用戶電壓質量管理的指導意見》，規(guī)定供電部門應對配電區(qū)的電壓質量進行晝夜連續(xù)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)電能污染超過“標準”的用戶應采取措施，加裝抑制諧波及功率因數(shù)補償設備；注入系統(tǒng)母線的諧波電壓總畸變率、奇次諧波電壓含有率、偶次諧波電壓含有率均應滿足GB／T 14549 1993{電能質量公用電網(wǎng)諧波》的要求。公用電網(wǎng)諧波電壓限值如表1所示。

1．3 地鐵供電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波的原因

地鐵供電系統(tǒng)的諧波主要來源于向車輛供電的牽引供電系統(tǒng)，其次是來自于其它設備，如各種各樣的電視機、監(jiān)控機、計算機等。牽引供電系統(tǒng)的諧波主要是由整流機組產(chǎn)生的。隨著24脈波整流裝置在地鐵牽引供電中的廣泛應用，該裝置在抑制諧波方面取得良好的效果，對電網(wǎng)造成的電流諧波含量比12脈波整流大大下降。

從理論上講，當牽引供電系統(tǒng)采用等效24脈波整流時，整流機組直流側主要含有24次脈動電壓，交流側主要含有23、25次諧波電流。但實際上，由于電網(wǎng)電壓不對稱和整流變壓器三相阻抗不對稱等各種因素的存在，不可避免地產(chǎn)生非特征次諧波，在交流側也將產(chǎn)生5、7、11、13次諧波。

以西安地鐵為例，采用24脈波牽引整流機組向列車提供直流電源。在列車運行期間，由于電源波動、整流件換向、大負載變化、列車起動或制動、供電臂切換、車輛逆變等會產(chǎn)生諧波以及不平衡電流。通過理論計算，西安地鐵1號線桃園主變電站注入系統(tǒng)的諧波如表2所示，金花主變電站注入系統(tǒng)的諧波如表3所示。

2 諧波對供電系統(tǒng)的危害

諧波對供電系統(tǒng)會造成如下危害。

1)對電力電容器的影響：隨著諧波電壓的增高，會加速電容器的老化，使電容器的損耗系數(shù)增大、附加損耗增加，從而容易發(fā)生故障和縮短電容器的壽命。另一方面，電容器的電容與電網(wǎng)的感抗組成的諧振回路的諧振頻率等于或接近于某次諧波分量的頻率時，就會產(chǎn)生諧波電流放大，使得電容器因過熱、過電壓等而不能正常運行。

2)對繼電保護和自動裝置的影響：諧波對電力系統(tǒng)中以負序(基波)量為基礎的繼電保護和自動裝置的影響十分嚴重。這是由于這些按負序(基波)量整定的保護裝置，整定值小、靈敏度高。如果在負序基礎上再疊加上諧波的干擾，則會引起負序電流保護誤動、變電站主變的復合電壓啟動過電流保護裝置負序電壓元件誤動、母線差動保護的負序電壓閉鎖元件誤動，以及線路各種型號的距離保護、高頻保護、故障錄波器、自動準同期裝置等發(fā)生誤動，嚴重威脅電力系統(tǒng)的安全運行。

3)對旋轉電機、變壓器的影響：諧波對旋轉電機的危害主要是產(chǎn)生附加的損耗和轉矩。由于集膚效應、磁滯、渦流等隨著頻率的增高而使在旋轉電機的鐵心和繞組中產(chǎn)生的附加損耗增加。諧波電流產(chǎn)生的諧波轉矩對電機會產(chǎn)生顯著的脈沖轉矩，可能出現(xiàn)電機轉軸扭曲振動的問題。諧波電流使變壓器的銅耗增加，特別是3次及其倍數(shù)次諧波對三角形連接的變壓器，會在其繞組中形成環(huán)流，使繞組過熱，使變壓器附加損耗增加。

4)使測量、計量儀器的指示和計量不準確：由于電力計量裝置都是按50 Hz標準的正弦波設計的，當供電電壓或負荷電流中有諧波成分時，會影響感應式電能表的正常工作。

5)干擾通信系統(tǒng)的工作：電力線路上流過的3、5、7、11等幅值較大的奇次低頻諧波電流通過磁場耦合，在鄰近的通信線路中產(chǎn)生干擾電壓，會干擾通信系統(tǒng)的工作，影響通信線路通話的清晰度，甚至在極端情況下，還會威脅通信設備和人員的安全。

6)對電網(wǎng)的污染：諧波電流及諧波電壓的出現(xiàn)，對電網(wǎng)是一種污染，使用電設備所處的環(huán)境惡化。諧波電流會在電網(wǎng)阻抗上產(chǎn)生同頻率的諧波電壓，并疊加在電網(wǎng)正弦電壓上，使電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變?；兒蟮恼译妷菏┘釉谒须娖髟O備端，會對這些設備正常工作帶來危害。因為電氣設備均按正弦電壓設計制造，當電壓有畸變時，將會使設備發(fā)熱，力矩不穩(wěn)，甚至損壞。

因諧波對電力系統(tǒng)危害很大，為保證電力系統(tǒng)正常運行，就必須研究諧波的基本情況和產(chǎn)生原因，并探討采取合理的方法進行治理，以確保整個電力系統(tǒng)的安全可靠運行，減少對其它設備的影響。

3 諧波的治理

電網(wǎng)中抑制諧波的方法很多，地鐵供電系統(tǒng)常采用以下幾方面措施：

1)采用高脈波數(shù)的整流機組且三相整流變壓器采用Y／△(或△／Y)接線。采用Y／△ 或△／Y聯(lián)接可以消除3的整數(shù)倍高次諧波，這樣電網(wǎng)中的諧波電流只有5、7、11、13等奇次諧波。

又因整流機組產(chǎn)生的高次諧波次數(shù)與整流機組輸出脈波數(shù)有關，理想情況下，反映到整流機組高壓側產(chǎn)生的諧波電流次數(shù)n=K×P±1(式中P為整流機組脈波數(shù)，K為正整數(shù))。即高次諧波的次數(shù)是整流機組脈波數(shù)的整倍數(shù)，這樣整流機組脈波數(shù)越高，產(chǎn)生較低次諧波越少，對電力系統(tǒng)影響也越小。

2)采用無源濾波裝置。利用電容器、電抗器和電阻器等無源元件適當組合而構成的濾波裝置，對某一頻率的諧波呈低阻抗通路，與電網(wǎng)阻抗形成分流的關系，使大部分該頻率的諧波流入濾波器，以達到抑制高次諧波的作用。無源濾波器具有投資少、效率高、結構簡單及維護方便等優(yōu)點，現(xiàn)階段廣泛用于配電網(wǎng)中；但由于其濾波特性受供電系統(tǒng)參數(shù)影響大，只能消除特定的幾次諧波，而對某些次諧波會產(chǎn)生放大作用，甚至諧振現(xiàn)象。

3)采用有源濾波裝置。有源濾波裝置利用可控的功率半導體器件向供電系統(tǒng)注入與諧波源電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，達到實時補償諧波電流的目的。它與無源濾波器相比，有以下特點：①具有自適應功能，可自動跟蹤補償變化著的諧波，即具有高度可控性和快速響應性等特點；②濾波特性不受供電系統(tǒng)阻抗等影響，可消除與供電系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險；③不僅能補償各次諧波，還可抑制閃變、補償無功，有一機多能的特點，在性價比上較為合理。

4 有源電力濾波器在地鐵供電系統(tǒng)中的應用

4．1 有源電力濾波器的工作原理

有源電力濾波器(APF)是一種用于動態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置，能對大小和頻率都變化的諧波進行補償，可克服LC(電感電容)濾波器諧波抑制的缺點，實現(xiàn)動態(tài)跟蹤補償。

APF克服了以往濾波器僅固定在某些諧波頻段的缺點。它的工作原理如圖2所示。它對非線性負載產(chǎn)生的諧波進行采樣、分析，并建立頻譜圖；以此頻譜圖為依據(jù)，向電網(wǎng)側基波P送一個與非線性負載產(chǎn)生的諧波P'相反的諧波D'，從而達到諧波抑制的效果。

根據(jù)圖2原理推出的APF，能將2～25次諧波有效地抑制?？筛鶕?jù)供電系統(tǒng)的情況調(diào)整電壓與電流波形的相位角，修正電流波形，以提高功率因數(shù)，有效地抑制諧波干擾。

4．2 有源電力濾波器的補償方式

APF可以根據(jù)負荷和配電系統(tǒng)實際情況，以及需要達到的補償效果，靈活選擇不同的補償形式，達到濾波效果和投資的最優(yōu)化設計。按照APF安裝位置的不同，分為集中補償、分組補償、就地補償三種補償方式(如圖3所示)；按照補償目的的不同，分為諧波電流補償、功率因數(shù)動態(tài)補償、諧波與功率因數(shù)同時補償三種不同的配置形式。

在西安地鐵1號線的供電系統(tǒng)、低壓配電與照明系統(tǒng)的工程范圍內(nèi)，19座地下車站及相關區(qū)間、1座車輛段及維修中心、1座停車場的0．4 kV系統(tǒng)，均采用了就地補償方式，安裝了低壓APF。

4．3 有源電力濾波器的仿真實驗及結果分析

以地鐵牽引供電系統(tǒng)采用24脈波整流機組為例，仿真模擬24脈波整流機組產(chǎn)生的諧波信號。假設系統(tǒng)三相對稱，即A、B、C三相波形相似，只有相位差。以A相為例，結果如圖4所示。補償前和補償后的A相電流波形分別見圖5、圖6所示。

將圖5與圖6進行對比可知，采用了APF補償后的電流波形基本上不存在諧波成分，且與電力系統(tǒng)電壓同相位?？梢?，APF抑制了電源電流中的諧波電流。

5 結語

通過對地鐵供電系統(tǒng)的諧波研究，分析了諧波的產(chǎn)生原因以及諧波給供電設備帶來的危害，并提出了合理的治理方案。在采取必要的濾波治理措施后，地鐵供電系統(tǒng)的電能指標可滿足國家有關標準，確保了電力系統(tǒng)安全和經(jīng)濟運行，保證了城市地鐵的安全運行。