地铁车站动力照明负荷谐波问题分析

吴继珍，赵霖

（广州地铁设计研究院股份有限公司，广东 广州 510010）

地铁车站动力照明负荷由于其负荷种类繁多，特别是近年来大量变频装置、软控制器、开关电源等电力电子设备应用于动力照明设备中，使得动力照明类负荷谐波特征较为丰富。动力照明负荷主要分为三大类：照明类、弱电类及电动机类，而这三类负荷设备含电力电子装置的设备占大多数；
其中，照明负荷中灯具的驱动电源，不管是传统荧光灯还是目前流行的LED 灯，驱动电源均是电力电子装置；
弱电类负荷中交、直流电压之间的转换中开关电源，UPS 装置为实现AC-DC-AC 之间的转换，其本身就是一个电力电子装置；
电动机负荷特别是大功率风机采用变频装置和软启动器，而变频装置和软启动均通过电力电子开关器件实现变频功能和软启功能；
这些设备所含的电力电子装置均为谐波源，且各谐波源的谐波特性不一致，谐波叠加之后对于整个系统所呈现的谐波特性尽管难于分析，但仍可以从这些谐波源结构出发分析其各自的谐波特性[1-3]。

LED 灯借助驱动电源电路将输入的交流市电转换成适用于LED 的低压直流，驱动电源一般均采用电力电子电路，典型的LED 驱动等效电路及波形如图1 所示。图1（a）所示为典型LED 驱动电路原理图，其实际上为电容滤波的单相桥式不可控整流电路（不考虑滤波电感的影响），图1（a）中R为负载等效电阻、C为直流滤波电容。

图1 LED 驱动等效电路及波形

单相桥式不可控整流电路的基本工作过程是，在us处于正半波期间，当us＜ud时二极管D1、D4不导通，此阶段负载R所需电流iR由电容C提供，同时电容C的两端的电压ud由于放电作用将下降；
当us＞ud时D1、D4二极管导通，此阶段负载R所需电流iR由输入的交流电源提供，同时交流电源向电容充电使电容C的两端的电压ud逐渐上升。在us负半波，另一对二极管D2和D3导通，与us正半周的情况一样电容C再次进行充放电[4]，LED 驱动等效电路交直流电压电流波形示意如图1（b）所示。

按文献[5]的方法，以某条线路设备区所采用的功率为16 W 的LED 灯具为例进行仿真，交流侧的电流波形和频谱图如图2 所示，可以看出输入电流的谐波含量较高，电流畸变率（THD）达到129.3%，主要为奇数次谐波。

图2 功率为16 W 的LED 交流侧电流仿真波形和频谱图

标准IEC 61000-3-2：2018 中针对功率≥5 W 且≤25 W照明设备要求输入电流THD 不应超过70%。如果LED 驱动电路采用带功率因数校正电路（PFC）功能的拓扑结构，其谐波将得到较好的治理，但现在市场上LED 灯质量良莠不齐，文献[6]选取了市场18 款不同的LED 灯具进行谐波测量，结果发现仅有2 款灯具输入电流THD 低于70%。LED 灯为单相设备，产生的谐波主要为奇次谐波，奇次谐波叠加到中性线上将使中性线电流增大可能导致中性线电缆过热，同时谐波过大对通信线路、弱电设备都将可能造成干扰。

弱电类负荷主要包括通信信号系统、综合监控系统、电力监控系统、火灾自动报警系统、站台门系统等；
这些设备绝大部分为一级负荷中特别重要的负荷，除两路市电末端配电箱切换外，同时配备不间断电源（UPS）。因此分析弱电类负荷的谐波特征，可以从分析UPS 的结构出发。由于负载对于供电质量要求较高，因此对于用于三相设备的UPS而言，其逆变单元一般均采用IGBT 构成四象限脉宽调制变流器，以保证交流输出电压和电流的质量；
但对于整流单元一般可分为不可控型三相全桥式整流器、半控型三相全桥式整流器和全控型桥式整流器[4，7]。如图3 所示为6 脉波晶闸管整流电路（SCR）型三相UPS 的基本原理图。

图3 六脉波SCR 电路型三相UPS 拓扑图

通过控制晶闸管的触发时刻（即相位角α）就可以控制晶闸管的开通，从而控制直流侧电压实现可控（相控）整流。当相控角α=0 时，SCR 整流电路所表现出外特性与二极管整流电路是相同的。在电流连续情况下，相控角α在0°～180°变化时，一个电源周期中，整流电压ud是6 个相同的、连续的、脉宽都是60°的脉波。当α=60°时SCR整流电路交流侧电流的表达式如下[4]：

由式（1）可知，交流侧的输入电流除基波电流外，主要包含6n±1 次谐波；
如图4 所示为交流侧电流频谱图，仿真模型由于交流侧为配置滤波电路，因此电流畸变率达到30.82%。

图4 SCR 整流电路交流侧电流频谱图

为了抑制交流侧的谐波，SCR 整流器前端一般会设置LC 滤波电路或LCL 滤波电路或有源滤波电路以及隔离变压器，此时SCR 整流器输入电流的谐波含量将大大降低，一般市场采用SCR 整流电路质量较好的UPS，由于配置了PFC 电路和滤波单元，其功率因数能够达到0.9 以上，谐波含量能够抑制在10%以下。

随着全控型电力电子器件的制造水平的发展，目前部分UPS 逐渐使用全控型器件IGBT 构成整流电路，采用PWM调制策略实现对整流器交直流侧电压电流的有效控制，三相PWM 整流器具有响应速度快、输入电流总畸变率低和可提高功率因数等优点；
但PWM 由于开关频率较高将导致输入电流含有高次谐波。如图5 所示为三相PWM 整流器构成的UPS 拓扑图。PWM 整流器一般采用双闭环控制策略，电压外环控制直流电压的稳定，电流内环控制交流侧电流的大小和相位，最后通过PWM 调制策略从而实现整流器交直流侧能量之间的交换。

图5 PWM 整流电路型三相UPS 拓扑图

为了验证PWM 整流器的优越性能，对一台额定功率为25 kW 的整流器进行仿真，直流电压稳定在432 V，直流负载采用电阻代替，其仿真波形如图6 所示。在0.4 s ～0.5 s 时间段整流器处于50%负荷状态，其输入电流THD 值为3.61%；
在0.5 s 时增加负载使整流器处于满载状态，其输入电流THD 值为2.69%。对比图4 和图6，显然PWM 型整流器的输入电流的质量更为优越。

图6 PWM 整流器交流侧电流仿真波形

从上文分析所知，对于电子和计算机负载，特别的是电源为UPS 时，其谐波特性与UPS 的结构有关。文献[1]某地铁站UPS 实测波形，从实际波形中可以看出，负载三相不平衡，A 相交流输入电流总畸变率为16.7%，电流的谐波次数主要以5 次和7 次为主。电子和计算机负荷种类繁多，难于特定去分析某一种设备的谐波特性，即使同一用途的设备不同的设备商不同的结构引起的谐波也无法具体分析，因此弱电类设备的谐波治理需要各个专业之间相互配合，而不仅仅依靠供电系统专业采取相关措施治理。

电动机类负荷分类水泵类、风机类和电梯类，大部分小功率（低于55 kW）水泵和风机基本上采用直接启动。如图7 所示为地铁常用2.2 kW 电动机（水泵、风机）稳态时电流，忽略其启动电流的影响，在0.1 s ～2.5 s 时电机处于空载状态，2.5 s 后电机带额定负载。从仿真电流波形来看，电机负荷电流质量较好，电流畸变率较低。

图7 2.2 kW 电动机稳态时电流仿真波形

但实际上，由于功能的需要和电路保护的需要，排热风机、空调机组、电扶梯等电机负荷采用变频控制，冷水机组和隧道风机为了避免启动电流过大采用软启动，各种控制方式下的电机所表现出来的谐波特性不尽相同。

3.1 软启动器

地铁车站中部分电机容量较大，全压启动时启动电流较大对于其他负荷影响较大，因此部分电机采用软启动的方式，软启动方式示意图如图8 所示。软启动器主电路为晶闸管交流电压控制电路，如图8（a）所示，通过逐渐增大晶闸管的导通角，平滑增大电机的端电压和电流直到电机处于额定工作状态，从而减小启动电流对电源处的冲击。图8（b）为电机软启动一次原理图，当启动结束后，旁路接触器KM 闭合，软启动器退出运行。说明采用软启动器的电机负荷只在启动过程中将产生一定的谐波，进入稳态运行后谐波含量将大大减少。

图8 软启动方式示意图

3.2 变频器

为了满足节能需求部分电机采用变频调速，如空调系统、电扶梯系统，低压变频器主电路拓扑如图9 所示。变频器为交直交变流器，前端整流单元常见为三相二极管整流电路，这种整流电路在没有滤波装置的情况下，谐波含量较大[1，4]。环控风机中采用变频器控制目前基本串联了滤波器，谐波问题相对控制得较好；
电扶梯使用的变频器前端整流单元目前逐步采用PWM 整流电路，PWM 整流电路谐波问题已在第2 节进行了分析，此处不再展开。

图9 低压变频器主电路拓扑图

车站低压设备众多，谐波源众多，各个谐波源产生的谐波之间存在耦合现象。建议通过严格要求各种设备所产生的谐波标准值，同时在降压所0.4 kV 母线处设置滤波装置从而实现对整个车站低压负荷的谐波抑制。