孙晨光

摘 要：随着城市人口与汽车保有量的不断上升，严重的道路拥堵和空气污染令城市居民啮雪餐毡。城市轨道交通作为服务于城市交通的核心，肩负着缓解城市交通压力，提升城市品牌形象的艰巨使命。地铁供电系统为城市轨道交通运营供给所需电能，节能降耗是现在地铁供电系统运行中必须考虑的关键。由于地铁供电系统中存在大量的感性设备，其产生的无功功率使得电力系统的电能质量下降，能耗降低。本文提出了提高地铁变电所功率因数的主要方法和途径，并进行了比较分析，从而得出节能降耗方法。

关键词：城市轨道交通;地铁;电能质量;无功功率;功率因数;谐波畸变

轨道交通是现代城市最有效的客运方式。地铁和轻轨交通的运输工作规模巨大，远远超过了其他类型城市客运的价值。上述观点使我们得出结论，目前地下电力运输在承载能力方面没有真正的替代方案，是未来几十年最有发展前景的[1-2]。

为了既有地铁线路的节能运行，同时考虑到地铁发展的前景，有必要保证高质量的用电。而在供电系统中，功率因数（cos）和谐波畸变（THD）是描述用电效率的主要指标[3-4]。在电能质量分析中，平均质量指数和消耗电流的主要谐波成分可以确定地铁供电系统的发展方向。提高电能质量的主要途径之一是采用无功补偿和谐波畸变补偿。

提高供电系统质量是城市电力运输的重要问题[5-6]。随着工艺技术的发展，出现了无功补偿和非线性高频谐波畸变校正的新方法。本文对现有提高电能质量的方法进行了比较分析比较，从而确定了最佳方案。

1 提高地铁电能质量的措施

1.1 同步电机

同步电机是补偿无功功率的一种方法。这类机器既可以是耗电设备，也可以是无功能量的来源，这取决于其工作模式。主要的可调参数是转子中的励磁电流，在无励磁情况下，电机为电网的有源感性负载，在过励磁模式下，负载具有有源电容特性，即产生无功能量。由于长期运行模式下转子过热，同步电机只能在短时运行模式下产生最大无功功率。因此，为了保证容性电能的稳定产生，有必要减小有源负载。在这种情况下，发动机不会产生最大无功功率。因此在每种特定情况下，使用同步电机作为无功功率补偿应该是经济合理的。这种补偿可以被认为是有功功率产生无功功率的消耗。实践表明在大功率工业电网中使用这种补偿装置是可取的。

1.2 电容电池

电容电池（BC）也是具有电容负载的网络的无源无功元件。电容器单元根据网络要求将一个或多个电容器连接到网络。电容器装置由微处理器根据从电流传感器获得的信息进行自动控制。该调节器通过连接或移除电容器组来避免欠补偿或过补偿效应。

电容电池的主要优点是：（1）最小有功功率损耗;（2）结构简单，安装方便;（3）在无功用电设备附近安装BC的可能性，减少了无功回路，减少了加热导体的损耗;（4）增加装机功率的可能性;（5）低成本。

电容电池的缺点包括：（1）无功发电与电网电压直接相关;（2）负调节效应，即当电网电压下降时，BC降低输出无功功率，使电压下降更大;（3）运行速度极低。

1.3 静态晶闸管补偿器

20世纪下半叶电力电子技术的发展使人们有可能从通过接触器与电网相连的BC向静态晶闸管补偿器（STC）过渡。这类装置通过一对晶闸管将电容器组连接到网络上，从而可以逐步调节无功功率。根据从电流和电压传感器接收到的信息，微控制器监控网络总功率的无功分量的变化。如果超过某一水平，则电容器组被连接或断开。

随着全控功率开关（如GTO晶闸管和IGBT晶体管）的出现，无功补偿技术得到了进一步的发展。新装置被称为STATCOM，它允许补偿无功功率，提供更大的动态稳定性，调节电压，甚至可以对抗更高的谐波。

1.4 有源滤波器

有源滤波器（APF）是一种能够执行多個并行任务的多功能设备。除了补偿基波中的无功功率和校正高次谐波外，有源电力滤波器还可以进行相间负荷分配（消除相位不平衡），这可以显著降低四线制系统中中性线与接地之间的电压。APF对网络中从主电源切换到发电机电源时可能发生的大阻抗变化不敏感。数字控制器的使用确保了功率校正系统的可靠性、通用性和准确性。

APF的主要技术优势：（1）运行速度快，高频谐波畸变校正达50次谐波;（2）抑制电压闪变;（3）补偿问题的复杂解决方案（无功功率、高次谐波、负序电流、相位不平衡）;（4）抑制高次谐波时的多功能性。

1.5 混合滤波器

H.Akagi首先提出了混合电力滤波器在无功补偿领域的概念。他提出将混合动力称为无源和有源滤波器与单一控制系统的组合。并分配以下类型的混合滤波器：串联有源滤波器，并联无源滤波器;并联网络，串联有源和无源滤波器等。

2 比较分析

通过对功率因数校正方法信息的比较分析，可以对某些方法的有效性进行评价。任务的复杂性在于供电系统的效率取决于许多因素，而改善系统工作的手段和方法只影响其中一个因素，而且往往对其余因素产生不利影响。解决这一问题的办法是综合、合理和优化地应用提高电网功率因数的方法和手段。

提高供电效率的组织方法，主要是由于其效率和成本效益，在某些情况下会将功率因数提高到3%～5%。此外，直流电用户的整改方案也应现代化。例如，将6脉冲电路替换为12脉冲电路，可以减少3%～4%的网络电流谐波分量。无功补偿和高次谐波校正的使用取决于特定用户负载的性质。

3 结论

提高地铁供电系统功率因数的技术方法明显超过了简单方法。最通用的设备和最佳的电源质量是有源滤波器。它能够补偿无功功率，消除高频谐波畸变。根据能量效率和成本标准，最理想的方案是由有源滤波器和电容电池组成的混合滤波器。在这种情况下，电容电池补偿无功功率，有源滤波器校正高频失真，均衡相位负载，并在峰值模式下工作，可以明显提升电能质量。

参考文献：

[1]吴龙恩，林欣燕，刘智勇，陈健.城市轨道交通对我国城市空间的影响研究[J].建设科技，2019（21）：27-30.

[2]王传福，刘连连.中国城市轨道交通的发展趋势分析[J].城市轨道交通研究，2019，22（10）：22-24.

[3]刘福宁.地铁牵引供电系统谐波抑制和无功补偿的综合治理研究[D].青岛大学，2018.

[4]黄焕隆.静止型动态无功补偿装置（SVG）在城市轨道交通供电系统中的应用[J].科技创新与应用，2017（18）：10-11.

[5]廖钧.城市轨道供电系统无功补偿方案研究[D].西南交通大学，2017.

[6]李扬.轨道交通对城市配电网的电能质量影响研究[D].华北电力大学，2014.