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廣州地鐵供電系統(tǒng)的諧波抑制

1　系統(tǒng)概況
　　廣州地鐵一號(hào)線全長(zhǎng)18.4 km，有16個(gè)車(chē)站、1個(gè)車(chē)輛段和1個(gè)控制中心。全線設(shè)置8座33/1.5 kV DC，33/0.4 kV牽引降壓混合變電所(簡(jiǎn)稱(chēng)TPLS)；25座33/0.4 kV降壓變電所(簡(jiǎn)稱(chēng)PLS)。33 kV線路采用雙回240(300)mm2的XLPE電纜，按4個(gè)供電區(qū)域內(nèi)各車(chē)站變電所分別環(huán)接，組成33 kV環(huán)網(wǎng)供電，并在公園前車(chē)站設(shè)環(huán)網(wǎng)分段點(diǎn)。每個(gè)TPLS內(nèi)均設(shè)置2臺(tái)整流機(jī)組，采用12相全波脈動(dòng)整流方式，通過(guò)直流饋線以1.5 kV向地鐵車(chē)輛供電。每個(gè)TPLS和PLS均設(shè)置2臺(tái)動(dòng)力變壓器，降壓至0.4 kV向車(chē)站、區(qū)間的動(dòng)力、照明、通信、信號(hào)、防災(zāi)報(bào)警、電力監(jiān)控、車(chē)站設(shè)備監(jiān)控和自動(dòng)售檢票等系統(tǒng)供電。
　　地鐵33 kV環(huán)網(wǎng)與廣東電力系統(tǒng)的聯(lián)接點(diǎn)設(shè)在地鐵專(zhuān)用的2座變電站，即110/33 kV坑口(MPS1)及廣和(MPS2)主變所，分別由220 kV芳村站和220 kV天河站各提供2回取自不同母線的110 kV專(zhuān)線電源。MPS內(nèi)均設(shè)置2臺(tái)31.5 MVA，110/35 kV主變壓器，正常運(yùn)行時(shí)，兩臺(tái)主變壓器分裂運(yùn)行；當(dāng)一臺(tái)主變壓器故障或一路電源線路故障時(shí)，另一臺(tái)主變壓器負(fù)擔(dān)全站負(fù)荷用電。
　　地鐵供電系統(tǒng)中的波形畸變主要來(lái)源于車(chē)輛牽引供電的整流、逆變裝置，其次是直流電源成套裝置及其他電子裝置。為了保證電網(wǎng)和用電設(shè)備安全經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行，廣州地鐵總公司對(duì)地鐵供電系統(tǒng)的高次諧波采取了抑制措施。

2　模擬計(jì)算供電系統(tǒng)的諧波情況
　　利用西門(mén)子公司的“SALOMON”軟件，計(jì)算分析廣州地鐵一號(hào)線供電系統(tǒng)在初期(1998年)、中期(2008年)及后期(2023年)的諧波情況，對(duì)比加裝濾波裝置的前后結(jié)果，確定裝設(shè)濾波裝置的方案。
2.1　計(jì)算條件
　　a)牽引整流變壓器采用12脈波整流器。
　　b)根據(jù)地鐵近期、中期及遠(yuǎn)期客流分析，供電網(wǎng)中牽引供電的日平均負(fù)荷和高峰小時(shí)負(fù)荷預(yù)測(cè)見(jiàn)表1。

表1　牽引供電的日平均負(fù)荷和高峰小時(shí)負(fù)荷　　MW

　　c)MPS的主變壓器接線組別：YONyou(d)-12，33 kV中性點(diǎn)裝設(shè)中性點(diǎn)接地電阻，每臺(tái)31.5 MVA主變壓器均設(shè)定有5 MW、低壓0.4 kV的連續(xù)負(fù)荷。
　　d)0.4 kV低壓配電系統(tǒng)假定有電容被償器裝置，其扼流線圈電抗在工頻時(shí)占電容器抗的7%。低壓系統(tǒng)66段母線各裝設(shè)1組196 kvar補(bǔ)償電容，具體配置見(jiàn)第3.2節(jié)。
　　e)110 kV系統(tǒng)短路容量：坑口主變電所為4 GVA，廣和主變電所為3 GVA。
　　f)公共連接點(diǎn)220 kV芳村變電站和220 kV天河變電站各次背景諧波電壓畸變率測(cè)量值見(jiàn)表2。
表2　注入公共連接點(diǎn)背景諧波　　　　%

　　g)參照國(guó)際GB/T14549—93對(duì)諧波的要求［1］。
　　h)主變所低壓側(cè)設(shè)備裝置情況：第一種情況，設(shè)4組3 MVA電容補(bǔ)償器，其扼流線圈電抗在工頻時(shí)占電容器容抗的7%(簡(jiǎn)稱(chēng)電容補(bǔ)償器)；第二種情況，裝設(shè)5次、11次諧波濾波裝置(簡(jiǎn)稱(chēng)濾波裝置)。
2.2　模擬計(jì)算結(jié)果分析
　　從計(jì)算結(jié)果(表3、表4)可看出：33 kV電網(wǎng)的電壓總諧波畸變率較高，尤其后期嚴(yán)重。
表3　預(yù)測(cè)初、中、后期
在設(shè)置電容補(bǔ)償器的情況下諧波計(jì)算結(jié)果　　%

表4　預(yù)測(cè)初、中、后期
在設(shè)置濾波裝置的情況下諧波計(jì)算結(jié)果　　%

2.2.1　初期
　　在1998年，無(wú)論是裝電容補(bǔ)償器，還是裝濾波裝置，電壓總諧波畸變率和各次諧波電壓含有率沒(méi)有超過(guò)國(guó)標(biāo)規(guī)定的限值。但對(duì)于改善電網(wǎng)質(zhì)量和電壓總諧波畸變率，裝設(shè)濾波裝置比裝設(shè)電容補(bǔ)償器更為顯著。
　　國(guó)家電力電子產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，于1998年4月對(duì)廣州地鐵運(yùn)營(yíng)初期諧波進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：濾波裝置未投入，1號(hào)主變所33 kV側(cè)電壓總諧波畸變率少于1.5%，各次諧波電壓含有率少于1.2%，完全符合國(guó)標(biāo)要求。
2.2.2　中期
　　若裝設(shè)電容補(bǔ)償器，則33 kV電網(wǎng)的電壓總諧波畸變率超過(guò)國(guó)標(biāo)規(guī)定值，11次諧波電壓含有率接近國(guó)標(biāo)規(guī)定值，110 kV電網(wǎng)則符合國(guó)標(biāo)規(guī)定值。而裝設(shè)濾波裝置，則33 kV，110 kV電網(wǎng)的電壓總諧波畸變率和各次諧波電壓含有率均符合國(guó)標(biāo)規(guī)定值。
2.2.3　后期
　　若裝設(shè)電容補(bǔ)償器，則33 kV電網(wǎng)的電壓總諧波畸變率超過(guò)國(guó)標(biāo)規(guī)定值，11次、13次諧波電壓含有率均接近國(guó)標(biāo)規(guī)定值，110 kV電網(wǎng)則符合國(guó)標(biāo)規(guī)定值。而裝設(shè)濾波裝置，則33 kV，110 kV電網(wǎng)的電壓總諧波畸變率和各次諧波電壓含有率均符合國(guó)標(biāo)規(guī)定值，且能改善電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

3　諧波抑制措施
3.1　33 kV側(cè)裝設(shè)濾波裝置
　　計(jì)算結(jié)果分析表明：廣州地鐵供電系統(tǒng)110 kV側(cè)可不裝設(shè)濾波裝置，僅需在33 kV側(cè)裝設(shè)能分別消除5次和11次諧波的1.5 Mvar，33 kV，240 Hz和1.5 Mvar，33 kV，600 Hz調(diào)諧濾波電路。所設(shè)的5次和11次濾波裝置同時(shí)也對(duì)7次、13次等鄰近的諧波進(jìn)行有效的抑制，使整個(gè)地鐵的供電網(wǎng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的要求。
3.2　0.4 kV電網(wǎng)電感性無(wú)功功率和諧波的補(bǔ)償
　　地鐵各車(chē)站兩端變電所在0.4 kV兩段母線處裝設(shè)電容器組進(jìn)行集中補(bǔ)償。補(bǔ)償后的功率因數(shù)不小于0.9。每段0.4 kV母線上均裝有無(wú)功功率自動(dòng)補(bǔ)償裝置，根據(jù)不同的功率因數(shù)自動(dòng)逐級(jí)投入或切除電容器。
　　為了能在具有非線性用電設(shè)備的0.4 kV電網(wǎng)中進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償，除了裝設(shè)補(bǔ)償電容器外，還在電容器前面串接扼流線圈，從而構(gòu)成一個(gè)LC串聯(lián)諧振電路。通過(guò)諧振電路的調(diào)整，使諧振頻率低于第5次諧波，或者說(shuō)使諧振頻率低于0.4 kV電網(wǎng)中出現(xiàn)的最低諧波的頻率(參閱ABB公司出版的Reactive power compensation)。
　　扼流作用率P的大小表明扼流線圈電抗XL在工頻時(shí)應(yīng)占電容器容抗XC的百分?jǐn)?shù)，西門(mén)子和ABB公司推薦的典型值為5.67%、7%和12.5%。
　　廣州地鐵0.4 kV電網(wǎng)使用配備有扼流線圈的電容器，選取扼流作用率P=7%，調(diào)諧頻率189 Hz，僅吸收少量的第5次諧波，但對(duì)含有高次諧波的33 kV電網(wǎng)卻起到了阻隔作用。
3.3　變流器諧波抑制
　　為了減少整流機(jī)組產(chǎn)生的諧波含量，廣州地鐵在車(chē)輛段試用順德特種變壓器廠生產(chǎn)的2臺(tái)24相脈波整流變壓器代替德國(guó)生產(chǎn)的2.5 MVA、33 kV 12脈波整流變壓器。
　　理論上12脈波整流機(jī)組只產(chǎn)生11次、13次、23次和25次諧波，24脈波整流機(jī)組只產(chǎn)生23次、25次諧波。實(shí)際上由于交流系統(tǒng)三相阻抗及電壓，尤其是整流變壓器三相阻抗的不平衡，12脈波整流機(jī)組還產(chǎn)生5次、7次諧波，24脈波整流機(jī)組也產(chǎn)生5次、7次、11次、13次諧波，這些諧波的大小主要決定于整流機(jī)組的制造技術(shù)。一般11次、13次諧波經(jīng)電纜放大的程度較大，是造成諧波超標(biāo)的主要因素。在一號(hào)線車(chē)輛段24脈波變壓器掛網(wǎng)試驗(yàn)前，對(duì)西門(mén)子2.5 MV/33 kV 12脈波變壓器諧波進(jìn)行測(cè)量，并與24脈波變壓器掛網(wǎng)后諧波測(cè)量值(由國(guó)家電力電子產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心測(cè)試)比較。檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5、表6，表中所記錄值為相電壓或線電流。

　　比較表5和表6可知：24脈波整流機(jī)組諧波電流總含量較12脈波整流機(jī)組降低30%以上，其中11次、13次諧波電流含量較12脈波整流機(jī)組約降低80%。

4　結(jié)束語(yǔ)
　　廣州地鐵供電系統(tǒng)按三個(gè)水平年的不同運(yùn)行方式進(jìn)行諧波預(yù)測(cè)，其結(jié)果是：在33 kV側(cè)使用調(diào)諧的濾波電路，在0.4 kV側(cè)使用失諧設(shè)定的濾波電路，可使供電系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的諧波滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)對(duì)諧波管理的要求，提高電能的質(zhì)量，使各車(chē)站電氣設(shè)備安全經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。今后將對(duì)投運(yùn)后的效果進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以便了解負(fù)荷增長(zhǎng)變化時(shí)的情況，驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果。
　　33 kV環(huán)網(wǎng)使用單回電纜約45 km，電容率為0.223 μF/km，牽引負(fù)荷功率因數(shù)達(dá)0.95以上，0.4 kV系統(tǒng)的動(dòng)力、照明負(fù)荷功率因數(shù)經(jīng)電容器補(bǔ)償后可達(dá)0.9以上。因此，補(bǔ)償電容器容量選擇應(yīng)將濾波電容器及長(zhǎng)電纜的電容效應(yīng)考慮在內(nèi)。
　　用24脈整流機(jī)組取代12脈波整流機(jī)組，抑制諧波的效果顯著，在地鐵一號(hào)線車(chē)輛段TPLS掛網(wǎng)試運(yùn)行中已取得初步經(jīng)驗(yàn)，為地鐵供電系統(tǒng)諧波抑制提供了新的途徑。