广州地铁供电系统的谐波抑制

1　系统概况
　　广州地铁一号线全长18.4 km，有16个车站、1个车辆段和1个控制中心。全线设置8座33/1.5 kV DC，33/0.4 kV牵引降压混合变电所(简称TPLS)；25座33/0.4 kV降压变电所(简称PLS)。33 kV线路采用双回240(300)mm2的XLPE电缆，按4个供电区域内各车站变电所分别环接，组成33 kV环网供电，并在公园前车站设环网分段点。每个TPLS内均设置2台整流机组，采用12相全波脉动整流方式，通过直流馈线以1.5 kV向地铁车辆供电。每个TPLS和PLS均设置2台动力变压器，降压至0.4 kV向车站、区间的动力、照明、通信、信号、防灾报警、电力监控、车站设备监控和自动售检票等系统供电。
　　地铁33 kV环网与广东电力系统的联接点设在地铁专用的2座变电站，即110/33 kV坑口(MPS1)及广和(MPS2)主变所，分别由220 kV芳村站和220 kV天河站各提供2回取自不同母线的110 kV专线电源。MPS内均设置2台31.5 MVA，110/35 kV主变压器，正常运行时，两台主变压器分裂运行；当一台主变压器故障或一路电源线路故障时，另一台主变压器负担全站负荷用电。
　　地铁供电系统中的波形畸变主要来源于车辆牵引供电的整流、逆变装置，其次是直流电源成套装置及其他电子装置。为了保证电网和用电设备安全经济地运行，广州地铁总公司对地铁供电系统的高次谐波采取了抑制措施。

2　模拟计算供电系统的谐波情况
　　利用西门子公司的“SALOMON”软件，计算分析广州地铁一号线供电系统在初期(1998年)、中期(2008年)及后期(2023年)的谐波情况，对比加装滤波装置的前后结果，确定装设滤波装置的方案。
2.1　计算条件
　　a)牵引整流变压器采用12脉波整流器。
　　b)根据地铁近期、中期及远期客流分析，供电网中牵引供电的日平均负荷和高峰小时负荷预测见表1。

表1　牵引供电的日平均负荷和高峰小时负荷　　MW





　　c)MPS的主变压器接线组别：YONyou(d)-12，33 kV中性点装设中性点接地电阻，每台31.5 MVA主变压器均设定有5 MW、低压0.4 kV的连续负荷。
　　d)0.4 kV低压配电系统假定有电容被偿器装置，其扼流线圈电抗在工频时占电容器抗的7%。低压系统66段母线各装设1组196 kvar补偿电容，具体配置见第3.2节。
　　e)110 kV系统短路容量：坑口主变电所为4 GVA，广和主变电所为3 GVA。
　　f)公共连接点220 kV芳村变电站和220 kV天河变电站各次背景谐波电压畸变率测量值见表2。
表2　注入公共连接点背景谐波　　　　%


　　g)参照国际GB/T14549—93对谐波的要求［1］。
　　h)主变所低压侧设备装置情况：第一种情况，设4组3 MVA电容补偿器，其扼流线圈电抗在工频时占电容器容抗的7%(简称电容补偿器)；第二种情况，装设5次、11次谐波滤波装置(简称滤波装置)。
2.2　模拟计算结果分析
　　从计算结果(表3、表4)可看出：33 kV电网的电压总谐波畸变率较高，尤其后期严重。
表3　预测初、中、后期
在设置电容补偿器的情况下谐波计算结果　　%


表4　预测初、中、后期
在设置滤波装置的情况下谐波计算结果　　%

2.2.1　初期
　　在1998年，无论是装电容补偿器，还是装滤波装置，电压总谐波畸变率和各次谐波电压含有率没有超过国标规定的限值。但对于改善电网质量和电压总谐波畸变率，装设滤波装置比装设电容补偿器更为显著。
　　国家电力电子产品质量监督检验中心，于1998年4月对广州地铁运营初期谐波进行测试，结果表明：滤波装置未投入，1号主变所33 kV侧电压总谐波畸变率少于1.5%，各次谐波电压含有率少于1.2%，完全符合国标要求。
2.2.2　中期
　　若装设电容补偿器，则33 kV电网的电压总谐波畸变率超过国标规定值，11次谐波电压含有率接近国标规定值，110 kV电网则符合国标规定值。而装设滤波装置，则33 kV，110 kV电网的电压总谐波畸变率和各次谐波电压含有率均符合国标规定值。
2.2.3　后期
　　若装设电容补偿器，则33 kV电网的电压总谐波畸变率超过国标规定值，11次、13次谐波电压含有率均接近国标规定值，110 kV电网则符合国标规定值。而装设滤波装置，则33 kV，110 kV电网的电压总谐波畸变率和各次谐波电压含有率均符合国标规定值，且能改善电网的电能质量。

3　谐波抑制措施
3.1　33 kV侧装设滤波装置
　　计算结果分析表明：广州地铁供电系统110 kV侧可不装设滤波装置，仅需在33 kV侧装设能分别消除5次和11次谐波的1.5 Mvar，33 kV，240 Hz和1.5 Mvar，33 kV，600 Hz调谐滤波电路。所设的5次和11次滤波装置同时也对7次、13次等邻近的谐波进行有效的抑制，使整个地铁的供电网符合国家标准所规定的要求。
3.2　0.4 kV电网电感性无功功率和谐波的补偿
　　地铁各车站两端变电所在0.4 kV两段母线处装设电容器组进行集中补偿。补偿后的功率因数不小于0.9。每段0.4 kV母线上均装有无功功率自动补偿装置，根据不同的功率因数自动逐级投入或切除电容器。
　　为了能在具有非线性用电设备的0.4 kV电网中进行无功功率补偿，除了装设补偿电容器外，还在电容器前面串接扼流线圈，从而构成一个LC串联谐振电路。通过谐振电路的调整，使谐振频率低于第5次谐波，或者说使谐振频率低于0.4 kV电网中出现的最低谐波的频率(参阅ABB公司出版的Reactive power compensation)。
　　扼流作用率P的大小表明扼流线圈电抗XL在工频时应占电容器容抗XC的百分数，西门子和ABB公司推荐的典型值为5.67%、7%和12.5%。
　　广州地铁0.4 kV电网使用配备有扼流线圈的电容器，选取扼流作用率P=7%，调谐频率189 Hz，仅吸收少量的第5次谐波，但对含有高次谐波的33 kV电网却起到了阻隔作用。
3.3　变流器谐波抑制
　　为了减少整流机组产生的谐波含量，广州地铁在车辆段试用顺德特种变压器厂生产的2台24相脉波整流变压器代替德国生产的2.5 MVA、33 kV 12脉波整流变压器。
　　理论上12脉波整流机组只产生11次、13次、23次和25次谐波，24脉波整流机组只产生23次、25次谐波。实际上由于交流系统三相阻抗及电压，尤其是整流变压器三相阻抗的不平衡，12脉波整流机组还产生5次、7次谐波，24脉波整流机组也产生5次、7次、11次、13次谐波，这些谐波的大小主要决定于整流机组的制造技术。一般11次、13次谐波经电缆放大的程度较大，是造成谐波超标的主要因素。在一号线车辆段24脉波变压器挂网试验前，对西门子2.5 MV/33 kV 12脉波变压器谐波进行测量，并与24脉波变压器挂网后谐波测量值(由国家电力电子产品质量监督检验中心测试)比较。检验结果见表5、表6，表中所记录值为相电压或线电流。

　　比较表5和表6可知：24脉波整流机组谐波电流总含量较12脉波整流机组降低30%以上，其中11次、13次谐波电流含量较12脉波整流机组约降低80%。

4　结束语
　　广州地铁供电系统按三个水平年的不同运行方式进行谐波预测，其结果是：在33 kV侧使用调谐的滤波电路，在0.4 kV侧使用失谐设定的滤波电路，可使供电系统正常运行时产生的谐波满足国标对谐波管理的要求，提高电能的质量，使各车站电气设备安全经济地运行。今后将对投运后的效果进行监测，以便了解负荷增长变化时的情况，验证计算结果。
　　33 kV环网使用单回电缆约45 km，电容率为0.223 μF/km，牵引负荷功率因数达0.95以上，0.4 kV系统的动力、照明负荷功率因数经电容器补偿后可达0.9以上。因此，补偿电容器容量选择应将滤波电容器及长电缆的电容效应考虑在内。
　　用24脉整流机组取代12脉波整流机组，抑制谐波的效果显著，在地铁一号线车辆段TPLS挂网试运行中已取得初步经验，为地铁供电系统谐波抑制提供了新的途径。