有源电力滤波器的在城市轨道交通中的应用——安科瑞 严新亚
应用背景
目前城市轨道交通普遍存在的主要电能质量问题就是功率因数、电压波动与闪变及谐波问题等。当前35KV和0.4KV大量使用电缆，夜晚期间一般所有的负荷基本停运，由于该用电负载多数为感性负荷，此时感性无功基本接近为零，产生的容性无功甚至可以达到几Mkvar。若无功功率倒送进电力系统，会导致线路电压升高，同时也会导致功率因数降低。地铁中电力机车属于典型的非线性负荷，由于运行过程中启停频繁，短时间内会产生冲击性负载电流，此类冲击会造成电压的波动与闪变。
案例介绍
以广东某地铁站为例，由于该地铁站高压侧110kV和35kV无功及谐波方面已经治理，本篇文章主要突出治理0.4KV低压设备的无功及谐波等相关问题。线路阻抗随着频率的升高而增加，谐波电流使线路的附加损耗增加，而供电电网的损耗大部分为变压器和线路的损耗，所以谐波是导致电网网损增加的一个重要因素。线路的分布电感和对地电容与产生谐波的设备组成串联或并联回路，在一定的参数条件下，会发生串联谐振或并联谐振，而且所产生的谐振过电压和过电流对相关设备的危害性较大。(此情况一般出现在高压环境下，在0.4KV低压环境中由于线路和变压器的分布电容过小，一般忽略不计）在适当的条件下还会形成谐波放大，而谐波电压、电流放大会引起继电保护装置误动甚至损坏，造成电力火灾。同时谐波电流对线缆的肌肤效应会造成线缆发热过量，绝缘强度降低，造成电缆损耗增加，寿命缩短，额定容量降低。同时谐波电流还会导致系统的运行威胁导致不安全因素的出现，严重时会影响甚至是中断生产工作的进行[3]。故本公司组织针对地铁站低压配电室的1#和2#变压器进行了测试。同时对地铁系统中负载主要为照明、空调、泵机类、电梯、信号电源、UPS等设备进行开启有源滤波APF和不开启有源APF情况下进行测试，对测试数据进行统计分析，选出合适的型号的治理设备，同时计算该设备选择的节能性。
谐波治理整体解决方案
（1）有源电力滤波器的工作原理
有源电力滤波器的工作原理如图1所示，主要由负载电流分离、指令电流调节、输出电流控制、驱动电路以及主电路组成。它采用电流型变流器，经连接电抗器接入系统，通过调整交流侧逆变输出电压的瞬时幅值与相位，或直接控制交流侧输出电流，使装置发出或吸收宽频谱无功功率。基于电力电子的有源电力滤波器装置并联于电网中，相当于一个可控的无功及谐波电流源，其无功及谐波电流可以快速地跟随负荷无功电流的变化而变化，自动补偿电网系统所需无功及谐波，并且可以实现从感性无功到容性无功的全范围补偿，同时对电网电压进行动态稳定调节。
（2）有源电力滤波器的工作原理
有源电力滤波器采用模块化插拔式设计，集三相不平衡治理、谐波抵制和无功补偿功能为一体，方便运维人员安装拆卸，同时也方便将来用电负荷发生变化扩展补偿容量。
该有源滤波装置主要特点有以下几个方面：
1）补偿方式灵活：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，同时可治理三相不平衡问题；
2）线性补偿，全响应时间≤5ms；
3）具有人性化的人机交互界面，可通过该界面看到系统和本体的实时电能质量信息，操作简单，可以远控，也可以本控；
4）采用DSP高速检测和运算的数字控制系统和进口IGBT，功率密度大，可靠性高；
5）监控以及显示具备远程通讯接口，可以通过PC机实时监控；
6）标准模块化设计，缩短交付周期，同时提高了使用的可靠性和可维护性。
有源电力滤波器可采用壁挂和整柜方式安装，同时可实现集中和就地治理，如图2所示的产品，给安装、 维护及日后升级带来了便捷，提高了整体的安装效率。
