浅谈有源滤波装置在轨道交通行业的应用与选型

摘要：轨道交通运行中需要大量的变频设备，导致其电网中含有大量的谐波，这些谐波影响到电网供电稳定性，从而威胁到城市轨道交通运输的安全性和稳定性。有源滤波装置在城市轨道交通中的应用，可以消除电网中的谐波，确保电网运行安全性。

关键词：有源滤波；城市轨道交通；谐波治理

0引言

本文主要介绍了有源滤波装置、谐波对城市轨道交通的影响以及有源滤波装置在某市地铁4号线的应用，取得了良好的效果，电流谐波畸变率从27%降低到2.3%，功率因素从0.8提高到0.95，谐波改善效果非常显著。

1有源滤波装置

有源滤波装置，就是一种用语动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，能够对任何谐波进行治理，在当前已经广泛的应用到了轨道交通行业中。有源滤波装置，是采用现代电力电子技术和基于高速DSP器件的数字信号处理技术，制成的新型电力谐波治理设备，它由指令电流电路和补偿电流发生电路构成。指令电流电路对实时电流进行监控，并将模拟电流信号转换为数字电流信号，然后通过通信通道传输到数字信号处理器中，数字信号处理器对数字信号进行处理，将谐波和基波进行分离，并将脉宽调制信号向补偿电流电路输送驱动脉冲，驱动IGBT和IPM模块，其生产的电流幅值和电网谐波电流幅值相等，然后将极性不同的补偿电流注入到电网中，从而对电网中产生的谐波电流进行补偿和抵消，消除电网中的电力谐波。有源滤波器打破了过去传统滤波器只能固定补偿或者无功补偿的缺点，可以实现对电网电流进行动态跟踪补偿，既可以消除谐波，又可以达到无功补偿的目的[1]。

2谐波对城市轨道交通功的影响

谐波指的频率为50Hz基波频率整数倍的周期性正弦能量。谐波是影响供电质量的重要因素，城市轨道交通运行过程中，需要直流牵引网为列车供电，直流电源需要通过硅整流获得，整流在交、直流变换过程中产生谐波。同时，地铁列车为了提高舒适性、安全性和可靠性，安装大量的调频装置、风机、监控系统、电力机车等设备，这些设备数量比较多，在运行过程中，对城市轨道交通产生重要影响。

2.1影响电网安全性

地铁低压电气系统包括AC400V开关柜进线、配电箱、动力配电系统、照明系统、应急电源装置、接地与安全系统。地铁电网系统产生大量的谐波，导致电网接地保护装置失效，增加电力损耗，影响到电网的安全性和可靠性。轨道交通产生大量的谐波，需要无功补偿装置进行补偿，增加了电力设备的损耗，导致电力设备绝缘体破裂、设备老化等问题。无功补偿装置长期运行，可能导致电力设备和线路温度过高，加速设备的老化时间，从而导致断路器电弧熄灭时间延长，断路器出现误断现象，导致电力故障。

2.2增加变压器的损耗

谐波增加变压器内部电阻损耗、导体中的涡流损耗以及外部损耗，导致变压器发热。目前地铁工程低压配电网的配电变压器大多数采用星型或者三角形接线方式，这增加了电网零序谐波为变压器一侧绕组提供了环流桐庐，抑制谐波向电源端的传输，然而这种接线方式不会阻止其他频率的谐波传输到电源端，从而增加变压器的损耗，进一步增加电力损耗，影响到供电质量。其次，谐波还会增加变压器的铁耗，导致变压器发热变形，这主要是由于变压器内的铁芯中的磁滞损耗增加，谐波让电压的波形变差，从而增加了磁滞损耗。变压器内部电阻损耗、铁耗的增加，减少变压器实际电压，从而影响到变压器的发电容量，无法达到实际设计要求的电压容量。

2.3对补偿装置的损耗

为了保证地铁列车正常用电，城市轨道交通变压器要保证长时间供电，电压器长期处于饱和状态下，自身产生一定的谐波。安装电容器以后，电容器可以够抵消一些谐波，但是如果谐波的的含量过大，造成电容器发热，增加电容器表面绝缘物质的老化，从而影响到电容器的使用时间。如果电容器投入到电压已经出现问题的电网，则可以进一步加剧谐波现象，大量的谐波让电压出现尖顶波形，顶尖电压波可能诱发局部放电，由于电压升降变压化，导致局部电流过大，从而加剧绝缘介质的老化程度，影响到电容器的使用寿命。如果电压升高10%，电容器的使用寿命缩短一半。

3有源滤波装置在城市轨道交通中的应用效果

3.1工程概况

某市地铁4号线工程起于航天新城，止于北客站，线路总长35.2km，共设置29座车站。考虑到地铁列车的配电系统在运行过程中，产量大量的谐波，为了改善配电系统的电能质量，某市地铁4号线在全线所有车站均安装有源滤波装置，实现对谐波的治理。

3.2谐波治理

某市地铁4号线选择的是LBAPF有源滤波器，对于谐波的治理主要是对降压变电所的动力照明系统进行电能质量综合治理。在变压器低压侧母线采取集中治理的方式进行治理。治理效果比较明显，效率高，能够完成谐波的治理，达到轨道交通的相关要求。LBAPF有源滤波装置具有极快的响应时间，主电路拓扑和控制算法，其精度高、运行更稳定。既可补谐波，又可兼补无功：模块化设计，便于生产调试便利的并联设计：具有完盖的桥售过流、保护功能。使用方便，易于操作和维护。LBAPF有源滤波器相关的技术参数和原件如下表:

表1为有源滤波装置相美技术参数表

3.3谐波治理效果

为了检验有源滤波装置对轨道交通供电质量的改善，2019年1月8日到15日对某市地铁4号线已经安装有源滤波装置的车站使用电力分析仪对配电系统进行检查。本次使用的电力分析仪型号为CA8335，这种型号的分析仪具有强大的记录功能，可以对配电系统的电压升降、电压中断、电压频率、电流、电压峰值、有功功率、无功功率、闪变、谐波电压、电流不平衡率等指标进行长时间记录。将电压夹、电流钳等连接地铁车站的配电系统，采集配电系统的电流、电压，然后进行测试。通过测试分析地铁车站安装有源滤波装置以后，电压、电流的变化。测试仪器采集不同时段地铁车站运行数据，从而测试配电系统的供电质量。经过长时间的测试跟踪得出有源滤波装置开启前后功率、功率因素平均值，统计结果如下表：

表2有源滤波装置开启前后功率以及公功率因素平均值

表3为有源滤波装置开启前后谐波电流百分比

3.4结果分析

从上述表格内容可以得出，有源滤波装置开启前，4号线的配电系统3、5、7、9、11、13次谐波的电流比较大，功率因数偏低。有源滤波装置开启后，配电系统的谐波经过有源滤波装置的处理以后，效果比较好，A相总电流畸变率从10.4%降低到2.1%；B相总电流畸变率从20.3%降低到2.8%；C相总电流畸变率从27%降低到3.4%。功率因素从0.8提高到0.95。所以，有源滤波装置改善了4号线的配电系统供电质量，降低了配电系统的无功损耗，消除了配电系统的谐波电流，提高了配电系统的运行效率和电力设备的使用寿命，有源滤波装置的安装达到了设计要求。

4安科瑞APF有源滤波器产品选型

4.1产品特点

(1)DSP+FPGA控制方式，响应时间短，全数字控制算法，运行稳定；

(2)一机多能，既可补谐波，又可兼补无功，可对2～51次谐波进行全补偿或指定特定次谐波进行补偿；

(3)具有完善的桥臂过流保护、直流过压保护、装置过温保护功能；

(4)模块化设计，体积小，安装便利，方便扩容；

(5)采用7英寸大屏幕彩色触摸屏以实现参数设置和控制，使用方便，易于操作和维护；

(6)输出端加装滤波装置，降低高频纹波对电力系统的影响；

(7)多机并联，达到较高的电流输出等级；

4.2型号说明

4.3尺寸说明

4.4产品实物展示

ANAPF有源滤波器

5安科瑞智能电容器产品选型

5.1产品概述

AZC/AZCL系列智能电容器是应用于0.4kV、50Hz低压配电中用于节省能源、降低线损、提高功率因数和电能质量的新一代无功补偿设备。它由智能测控单元，晶闸管复合开关电路，线路保护单元，两台共补或一台分补低压电力电容器构成。可替代常规由熔丝、复合开关或机械式接触器、热继电器、低压电力电容器、指示灯等散件在柜内和柜面由导线连接而组成的自动无功补偿装置。具有体积更小，功耗更低，维护方便，使用寿命长，可靠性高的特点，适应现代电网对无功补偿的更高要求。

AZC/AZCL系列智能电容器采用定式LCD液晶显示器，可显示三相母线电压、三相母线电流、三相功率因数、频率、电容器路数及投切状态、有功功率、无功功率、谐波电压总畸变率、电容器温度等。通过内部晶闸管复合开关电路，自动寻找适宜投入（切除）点，实现过零投切，具有过压保护、缺相保护、过谐保护、过温保护等保护功能。

5.2型号说明

AZC系列智能电容器选型：

AZCL系列智能电容器选型：

5.3产品实物展示

AZC系列智能电容模块AZCL系列智能电容模块

安科瑞无功补偿装置智能电容方案

6结束语

将有源滤波装置投入到城市轨道交通的配电系统中，降低了配电系统谐波畸变率，提高了配电网的功率因素，降低了配电系统的损耗，避免谐波对轨道交通供电、列车调度、通信信号等方面的影响，提高了整个供配电系统的安全性。

参考文献

[1]马雄.浅谈城市轨道交通低压有源滤波装置的应用[J].建筑工程技术与设计，2018（15）：4834.

[2]安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.05版.

[3]佘军峰.有源滤波装置在轨道交通行业的应用