地铁变电站谐波抑制和无功综合补偿技术研究

刘亮、周浩

（太原中铁轨道交通建设运营有限公司，山西太原 030000）

0 引言

地铁作为一种重要的城市交通工具，其供电系统中的变电站对地铁运营起着关键的作用。然而，地铁变电站在运行过程中面临着谐波问题和无功功率不平衡的挑战。谐波会导致电网电压波动、设备过热、功率损耗增加，甚至会导致设备故障。此外，地铁变电站的无功功率因其非线性负载和变化的负荷特性而存在不平衡的问题，这会导致电网电压稳定性下降和能源损耗增加。因此，研究地铁变电站谐波抑制和无功综合补偿技术有重要意义。

1 地铁变电站谐波问题分析

1.1 谐波产生机制与特点

1.1.1 地铁列车对电网谐波的注入

在地铁系统中，列车的牵引系统通常采用大功率电力电子装置，如逆变器和牵引变压器等。这些装置在正常工作过程中会引入谐波电流，进而产生电网谐波。地铁列车的工作频率通常为数十赫兹，而电网的标准频率为50Hz，因此列车的逆变器会产生高次谐波，如5 次、7 次、11 次谐波等。这些谐波电流注入电网中，会引起电网电压和电流的畸变，并扩散到变电站和周围的用户设备中。由于地铁列车数量庞大、运行频繁，其对电网谐波的注入量较大，因此会对电网稳定性和供电质量产生不利影响。

1.1.2 谐波的产生与传播

在地铁变电站中，各种电力设备如变压器、断路器、整流器等都可能产生谐波。这些设备中存在非线性元件，如整流器中的电子器件、变压器中的饱和磁路等，这些非线性元件均会引起电流的非线性变化，导致谐波产生。谐波的传播会导致电压和电流的波形畸变，增加电网的功率损耗和设备的热损耗，甚至对电力设备和用户设备造成不利影响。

1.2 谐波对地铁变电站的影响

1.2.1 影响电网稳定性和可靠性

首先，谐波电流会导致变电设备内部的温升增加，进而影响设备的寿命和可靠性。谐波电流通过变压器和电缆等设备时，会引起设备内部的附加损耗和热损耗，导致设备的温升增加。

其次，谐波电压会导致变电站内部的设备故障和运行不稳定。谐波电压会使变压器的磁路饱和，产生附加磁损耗和噪声，进而影响变压器的性能和寿命。

最后，谐波电压会导致电容器谐振和电磁干扰等问题，进而影响变电站的正常运行和电能质量。

1.2.2 变电设备损耗与寿命影响

第一，谐波电流会使变压器内部的铁心和线圈产生附加损耗。谐波电流通过变压器的铁心和线圈时，会在其导体中引起涡流和皮肤效应，产生额外的电阻和热损耗，使变压器的温度升高。这种附加损耗会导致变压器的工作效率下降，并且缩短变压器的使用寿命。

第二，谐波电压会导致电容器损耗和老化。谐波电压会使电容器内部产生附加电流，导致电容器产生附加损耗和热损耗。这些附加损耗会加速电容器的老化，降低其工作效率和使用寿命[1]。

2 谐波抑制技术

2.1 谐波滤波器的工作原理和分类

谐波滤波器的工作原理基于滤波原理，通过选择合适的滤波元件（如电感、电容和阻抗等），在特定频率范围内形成阻抗匹配，将谐波电流或电压引流到地线或吸收到滤波器内部，实现对谐波的抑制。

根据谐波滤波器的结构和工作方式，可以将其分为被动滤波器和主动滤波器两类。被动滤波器主要由电感和电容组成，根据谐波频率的不同选择不同的滤波元件进行谐波抑制。主动滤波器则通过电子器件和控制系统主动感应和抵消谐波电流或电压，以此实现更精确和高效的谐波滤波效果。谐波滤波器的设计与应用是谐波抑制技术中的重要内容，合理选择滤波器的参数和布置方式，可以有效抑制谐波，降低地铁变电站的谐波污染，保证电网和变电设备的正常运行。

2.2 地铁变电站谐波滤波器的设计方法

合理设计和应用滤波器，可以有效降低谐波污染，提高地铁变电站的供电质量和稳定性[2]。

首先，进行地铁变电站谐波滤波器设计时需要进行谐波分析，了解地铁列车注入电网的谐波频率和幅值。根据谐波分析结果，确定谐波滤波器的工作频率范围和抑制要求。

其次，根据电网的电压等级和负载情况，选择合适的滤波器类型和拓扑结构。常见的谐波器类型包括LC 滤波器、LCL 滤波器、电动机驱动滤波器等，根据滤波器的特性和性能需求，确定滤波器的电感和电容数值。

再次，在设计过程中，需要考虑滤波器的额定电流和电压容忍度，以确保滤波器的可靠性和安全性。

最后，需要考虑滤波器的安装位置和接线方式，以便与地铁变电站的电网连接。需要注意的是，设计完成后，需要进行滤波器的仿真和试验验证，以确保其能够切实满足谐波抑制要求。

2.3 主动谐波抑制技术

2.3.1 主动滤波器控制策略

主动谐波抑制技术是一种先进的谐波抑制方法，其能够通过主动滤波器控制策略，实时调整滤波器的工作参数，以抑制谐波污染。主动滤波器控制策略主要包括开环控制和闭环控制两种类型。

开环控制是根据电网的负载特性和谐波源的特点，预先确定滤波器的补偿参数，以提前抑制谐波污染。闭环控制是基于实时监测的反馈信息，通过控制算法动态调整滤波器的补偿参数，以实现精确的谐波抑制效果。

2.3.2 谐波抑制器的设计和应用

谐波抑制器是一种专门设计的电力设备，用于抑制电网中的谐波成分。谐波抑制器通常由滤波器、控制器和功率电子开关组成。滤波器是谐波抑制器的核心部件，用于滤除谐波成分，其设计包括滤波器的拓扑结构、参数选取和滤波器元件的选择。滤波器可以采用各种类型的电容、电感和电阻等元件，以实现对不同谐波频率的抑制。控制器是谐波抑制器的智能部分，负责监测电网的谐波情况，计算谐波滤波器的补偿参数，并控制功率电子开关的工作状态。功率电子开关用于控制滤波器的通断，以实现对谐波的抑制。谐波抑制器的应用通常需要进行系统建模和仿真，以确定最佳的设计参数和控制策略。此外，谐波抑制器的设计和应用还需要考虑电网的特性、谐波源的特点以及对抑制效果的要求，以实现高效、稳定的谐波抑制。

3 地铁变电站无功综合补偿技术

3.1 无功功率的特点与补偿需求

3.1.1 地铁变电站的无功功率问题

地铁变电站在运行过程中会产生大量的无功功率，这是电网的电力负荷和变电设备的电力特性所引起的。无功功率是指电力系统中产生的不做功的电能，主要表现为电流滞后于电压，导致电网的功率因数下降。地铁变电站的无功功率问题主要表现在以下几个方面：第一，无功功率的存在会导致电网的功率因数降低，造成电网能效下降和电能浪费；第二，大量的无功功率会引起电压的波动和不稳定，对电网的稳定性和可靠性造成影响。

3.1.2 无功功率对电网和设备的影响

先天性脊柱畸形是由于脊柱发育缺陷导致的脊柱形态及结构功能异常，在婴儿中其发生率约为1/1 000［1］。颈椎半椎体畸形是先天性脊柱畸形的一种，常见于Klippel-Feil综合征，与胸腰椎畸形相比，此类畸形在临床上更为罕见。Deburge等［2］和Winter等［3］分别于1981年首次报道颈椎半椎体畸形及其治疗方法，Ruf等［1］在2005年对其进行详细阐述。近年来，临床报道了多例颈椎半椎体畸形病例，治疗方法各有不同［4-6］。本院2015年收治C5半椎体畸形并上胸椎重度脊柱侧凸1例，现将诊疗过程报告如下。

无功功率的特点是在电力系统中不进行有用功的能量交换，主要表现为电流滞后于电压，其主要是感性负载（如电动机、变压器等）引起的。无功功率会对电网和设备产生一系列影响：

首先，无功功率会导致电网的功率因数下降，降低电网的能效和经济性，增加电网的线损。

其次，无功功率会引起电网的电压波动和不稳定，影响电网的电压质量，甚至可能导致电压崩溃。

最后，无功功率还会导致电力设备的运行效率下降，增加设备的损耗和热量，降低设备的寿命[3]。

3.2 无功综合补偿技术

3.2.1 无功补偿设备的选择和设计

无功综合补偿技术能够通过对多种设备进行选择和设计，实现对地铁变电站无功功率的补偿。选择无功补偿设备时，需要考虑变电站的具体情况、负载类型以及无功功率的特点。常见的无功补偿设备包括静态无功补偿器（SVC）、静止无功发生器（STATCOM）和并联电容器等。静态无功补偿器（SVC）能够通过调节补偿电流的相位和幅值来实现对无功功率的补偿。静止无功发生器（STATCOM）则能够通过电子器件控制无功电流的注入和吸收，从而实现对无功功率的精确补偿。并联电容器则通过将电容并联连接到电网，提供对无功功率的补偿。设计无功补偿设备时，需要考虑变电站的负载特性、功率因数目标、设备容量等因素，并结合实际情况进行优化设计。

3.2.2 无功补偿控制策略的研究与应用

无功补偿控制策略的研究旨在通过对无功补偿设备的控制，实现对地铁变电站的无功功率进行精确调节和补偿。常见的无功补偿控制策略包括基于功率因数的控制、电压调节的控制和谐波抑制的控制等。其中，基于功率因数的控制策略能够通过监测电网的功率因数，根据预设的功率因数目标值，调节无功补偿设备的容量和输出，从而将变电站的功率因数控制在合理范围内。电压调节的控制策略主要通过监测电网的电压，通过调节无功补偿设备的输出电压来实现对电网电压的调节和稳定。谐波抑制的控制策略则通过监测电网的谐波情况，采用相应的滤波器和控制算法，减少谐波对电网和设备的影响。这些无功补偿控制策略可以单独或者组合使用，具体可根据变电站的实际需求和特点进行灵活调整。应用无功补偿控制策略，可以实现对地铁变电站无功功率的准确补偿和控制，提高系统的稳定性和可靠性，并有效降低无功功率带来的负面影响[4]。

4 技术实施与效果评估

4.1 方案设计

4.1.1 地铁变电站谐波抑制与无功补偿系统整体设计

首先，针对谐波抑制，可以基于前期的谐波分析结果确定合适的谐波滤波器配置，包括滤波器的类型、参数和安装位置等。

其次，在无功补偿方面，需要根据地铁变电站的功率因数需求和电网特点，选择合适的无功补偿设备，如静态无功补偿器（SVC）、无功电容器、STATCOM 等，并进行合理布置和配置。

最后，技术实施方案设计还应考虑系统的可行性、可靠性、经济性和安全性等方面的要求，以确保整体设计方案的可行性和有效性。

4.1.2 设备选型与布置

首先，针对谐波抑制，需要选择适合的谐波滤波器设备。根据谐波频率特性和滤波要求，可以选择合适的滤波器类型，如有源滤波器、被动滤波器或混合滤波器等。

其次，根据地铁变电站的功率和谐波水平，确定滤波器的容量和额定电压等参数。

再次，针对无功补偿，需要选择适当的无功补偿设备。常见的无功补偿设备包括静态无功补偿器（SVC）、无功电容器和STATCOM 等。

最后，根据地铁变电站的功率因数需求和电网特点，确定无功补偿设备的容量和参数[5]。

4.2 技术实施效果评估

4.2.1 谐波抑制效果实测与评估

首先，利用专业的谐波分析仪器对地铁变电站的电网进行实时监测，获取各谐波分量的电流和电压数据。通过对比实测数据与国家或行业标准的限值要求，分析并评估谐波抑制技术应用效果。

其次，在实测过程中，需要对不同频率的谐波进行准确测量，并进行数据记录和分析。可以使用谐波分析仪、功率质量分析仪等专业仪器，对电网中的谐波进行精确的测量和分析。通过测量得到的谐波分量的电流和电压数据，可以计算谐波失真率、总谐波畸变率等指标，以便进一步评估谐波抑制效果。

最后，可以进行实地观察和抽样分析，收集与谐波抑制相关的数据。例如，观察电网中的电流波形和电压波形，检查是否存在明显的谐波畸变现象。

4.2.2 无功综合补偿对电网性能的改善评估

首先，通过监测和记录电网中的功率因数、无功功率、电压等关键参数数据，实现对实施无功综合补偿前后的对比分析。通过对比数据的变化，评估无功补偿技术对电网性能的改善效果。

其次，电压的稳定性评估。无功补偿技术可以通过调整无功功率的注入或吸收，对电网的电压进行调节，从而提高电压的稳定性。通过对比实施无功补偿前后的电压数据，可以评估无功补偿对电压稳定性的影响。

最后，关注电网的损耗情况。实施无功综合补偿技术可以降低电网的传输损耗，提高电能的利用效率。通过对比前后的电网损耗数据，可以评估无功补偿对电网损耗的改善效果。

5 结语

综合而言，地铁变电站谐波抑制和无功综合补偿技术对提高电网稳定性、减少设备损耗和提高能源利用效率有重要意义。因此，需要进一步研究和改进相关技术，以适应不断增长的地铁能源使用和环境保护需求，使地铁供电系统更加高效、稳定，为城市交通发展提供有力支持。