地铁供电系统有源滤波协同无功补偿装置的研究分析

地铁供电系统有源滤波协同无功补偿装置的研究分析

游林瑾  郑津华

福州地铁集团有限公司运营事业部，福建 福州 350000

摘要：随着轨道交通的迅猛发展，地铁供电系统对电能质量的要求越来越高。为了满足地铁供电系统在不同负荷条件下对电能质量的不同要求，目前常用的无功补偿装置主要有静态无功补偿装置、动态无功补偿装置以及混合型有源滤波器等。随着电力电子技术的发展，越来越多的新型电力电子器件在电力系统中得到了应用，这些新型器件的出现给电力系统带来了诸多新的特点，如非线性负荷、谐波源等，这些特点给传统的无功补偿装置提出了新的要求。同时，随着现代电子技术、通信技术及计算机技术在轨道交通领域中的广泛应用，对轨道交通供电系统提出了更高要求。在传统无功补偿装置的基础上，结合新型电力电子器件和电力电子控制技术等技术手段，提出并研究了有源滤波协同无功补偿装置在地铁供电系统中的应用方案，分析了有源滤波协同无功补偿装置在地铁供电系统中对谐波抑制、无功补偿及节能减排等方面所起到的作用。最后通过仿真分析验证了有源滤波协同无功补偿装置对地铁牵引供电系统稳定性、电能质量和节能减排等方面具有重要意义。

关键词：地铁供电系统、有源滤波、无功补偿

随着城市化进程的加快和城市轨道交通的迅猛发展，城市轨道交通系统中的牵引负荷也得到了迅猛的发展，地铁供电系统中所用到的牵引变电所数量不断增加，同时列车运行速度也不断提高，这些都对地铁供电系统的电能质量提出了更高要求。但传统无功补偿装置存在一些不足之处，如补偿后的谐波电流畸变率较高、三相不平衡度较大、有源部分容量相对较小等。而采用新型电力电子器件作为主开关元件的动态无功补偿装置则具有响应速度快、控制精度高、体积小、成本低等优点。基于此，本文在研究有源滤波协同无功补偿装置原理的基础上，结合地铁供电系统中牵引负荷的特点，设计了一种基于有源滤波协同无功补偿装置在地铁供电系统中的应用方案。

一、地铁牵引供电系统及工作原理

地铁牵引供电系统由整流变压器、整流器、直流开关柜、直流断路器和接触网或接触轨等组成。当机车以恒定速度运行时，其通过牵引变电所变幅后的交流电压经牵引变压器降压后，通过接触网或接触轨传递电能给列车受电弓进入到电力机车内部供机车使用，同时向机车上的蓄电池充电。地铁牵引供电系统一般由整流变压器、整流装置和接触网三部分组成。地铁牵引供电系统的基本工作原理是将三相交流电经整流变压器及整流器转变为模拟直流电向列车供电【1】。整流装置通过整流器把交流电整流为直流电，再经由直流断路器及接触网或接触轨在地铁沿线向列车进行时时供电。地铁牵引供电系统中的三大主要设备是整流变压器、整流器和接触网，在地铁线路上分布有各个牵引变电所时时给接触网供电，列车通过受电弓时时在接触网上取电供列车牵引动力使用。由于地铁供电均采用集中供电方式，列车启停频繁指示牵引负荷波动极大又因为地铁是集中供电所以牵引负荷波动会引起动照电源一同波动倒闸电梯、电扶梯、动力照明等设备受到冲击极大。因此地铁牵引供电系统对电能质量、能耗和污染等方面有很高的要求。

二、基于APF的无功补偿装置的设计方案

基于APF的无功补偿装置的工作原理是通过并联电容器组来进行无功补偿，以达到补偿效果最佳且经济适用的目的。其主要由两个基本单元组成，即有源滤波器（APF）和电抗器。其中，APF通过检测与某一特定频率点相对应的电流波形来计算出电流值，再通过控制开关模块控制电抗器对该特定频率点下的电流进行缓冲，以达到补偿效果最佳的目的【2】。通过理论分析可知，当 APF与电抗器串联时，APF可实现无功补偿与谐波抑制的双重作用，既可提高系统电压质量，又可实现节能减排。

基于 APF的无功补偿装置设计方案主要包括以下几个方面：（一）根据地铁牵引供电系统电压等级的不同，确定APF容量的大小。当地铁牵引供电系统中电流谐波含量较高时，如A相电压升高或三相电压不平衡度较大等情况时，若不对APF容量进行适当调整和优化，则有可能使系统谐波含量超过标准规定的限值。（二）采用模块化设计理念。在有源滤波装置中采用模块化设计理念是其设计思想的重要体现之一。模块化设计将单个器件的性能发挥到最大，不仅可以减小装置体积和重量、降低成本、缩短制造周期、降低维护费用、减少调试难度等，而且可以增强系统的灵活性和可靠性。模块化设计理念应用于APF装置中可实现以下目的：由于有源滤波器在补偿谐波和无功时一般都需要进行补偿电流补偿，因此可以将其容量分为两个部分：一是无功补偿容量；二是有源滤波器容量。当APF与电抗器串联时，由于并联电容器组中每个电容器单元都会产生谐波，所以不能仅根据电流检测值来计算出APF容量。APF与电抗器并联时由于每个电容都会产生谐波分量，所以为了满足系统无功补偿要求应将 APF容量分为两部分：一是无功补偿容量；二是有源滤波器容量。（三）采用 PI控制算法和变流器控制技术来实现对 APF装置的控制

【3】。PI控制算法是一种经典的控制算法，它可以使控制器输出的参考电压与参考电流的相位保持一致。变流器控制技术是指通过对变流器输入电流信号进行解耦控制和预测控制等方法来实现 APF装置的良好运行效果。 （四）为了使系统达到最佳的补偿效果，可以采用串联谐振型有源滤波器（HRAPF）进行补偿。串联谐振型有源滤波器是一种新型滤波装置，该装置既可以作为无功补偿装置使用，又可以作为谐波抑制装置使用。

三、仿真分析

为了验证本文所提出的方案对地铁牵引供电系统的稳定性、电能质量和节能减排等方面的影响，进行了仿真分析。在假设系统为某城市轨道交通一号线，负载为静止无功补偿器（SVG）、静止无功发生器（SVC）和混合型有源滤波（HAPF）的情况下，对各种情况进行仿真分析。仿真系统采用的是基于Simulink平台构建的三相三线制牵引供电系统模型。牵引变电所的负荷主要为两台交流三相电压源型换流站，一台交流三相电源通过直流牵引变压器接入到四个变电所，另一台交流三相电源通过直流牵引变压器接入到四个变电所。根据不同的负荷情况，选择不同的电压等级和容量进行仿真分析【4】。通过对系统在各种情况下的仿真分析可知： 在三相三线制牵引供电系统中，采用有源滤波协同无功补偿装置可以有效地降低系统中电流和电压中的高次谐波分量。

结束语：

我国地铁交通保持良好的发展态势，因为地铁结构中广泛利用各种电力电子设备和电缆，因此将会增加无功功率和谐波等，不适合再利用常规的治理措施，本文研究了地铁供电系统有源滤波协同无功补偿装置，可以处理上述问题，推动地铁交通更好地发展。

参考文献：

[1]庞浩,倪海超,郝志升.基于大数据的地铁供电系统运行状态预测与维护[J].价值工程,2024,43(02):45-47.

[2]卿嵩.探讨地铁供电系统中节能降耗技术的运用[J].智能建筑与智慧城市,2023(11):108-110.

[3]张岩,孙继星,刘继永等.线路交叉条件下直流牵引供电系统杂散电流特性[J].电气工程学报,2023,18(03):117-125.

[4]李广明.地铁刚性接触网供电系统弓网状态在线检测装置[J].城市轨道交通研究,2023(S1):152-157.