一、引言

地铁牵引供电系统通过牵引变电所将110kV或220kV市电降压、整流为直流1500V（或750V），为列车提供动力，其中牵引变流器（如两电平、三电平逆变器）是谐波主要来源。据现场监测数据，地铁高峰时段牵引供电系统注入电网的谐波电流可达额定电流的20%-30%，导致：一是电网电压畸变，影响周边工业用户与居民用电（如电压畸变率超5%会导致电机振动噪声增大）；二是牵引设备损耗增加，牵引变压器因谐波附加损耗温度升高10-15℃，寿命缩短20%-30%；三是通信信号干扰，谐波产生的电磁场会干扰地铁调度通信（如无线列调信号误码率升高）。随着地铁网络化运营与列车载客量提升，谐波问题愈发突出，研发适配地铁动态负荷的谐波抑制技术，成为行业亟待解决的关键问题。

二、地铁牵引供电系统谐波的产生机制与危害

2.1谐波产生核心机制

地铁牵引供电系统谐波主要源于两类非线性环节：一是牵引变流器的“开关换流”，列车启动、制动时，IGBT等器件高频开关（频率2-10kHz）会产生周期性电流脉冲，分解为3次、5次、7次等奇次谐波，其中3次谐波因三相不平衡特性，在中性线中叠加（电流可达相电流的1.5倍）；二是列车“负荷波动”，地铁列车频繁启停、调速导致牵引功率快速变化（从0增至额定功率仅需2-3秒），谐波电流幅值随负荷波动呈现“脉冲式”变化（如启动时5次谐波电流可达800A，平稳运行时降至200A），传统固定参数抑制技术难以实时适配。此外，再生制动工况下，列车向电网反馈电能，会产生额外的2次、4次偶次谐波，进一步加剧电网污染。

2.2谐波的主要危害

谐波对地铁供电系统与周边环境造成多维度危害：对电网侧，谐波电流流经输电线路与变压器，产生附加铜损与铁损，某地铁牵引变电所因谐波影响，年额外损耗电量超10万kWh；电压畸变会导致功率因数降低（从0.95降至0.85以下），需投入更多无功补偿设备，增加运营成本；对设备侧，牵引变压器、整流器因谐波过热，绝缘老化加速，某地铁线路曾因5次谐波长期超标，导致2台牵引变压器提前3年退役；对信号侧，谐波产生的电磁辐射会干扰地铁ATP（列车自动防护系统）信号，某城市地铁曾因3次谐波干扰，导致列车紧急制动误触发2起，影响运营效率；对周边用户，地铁谐波通过公共电网传导至附近居民小区，导致家用电器（如空调、冰箱）噪声增大、寿命缩短，引发用电投诉。

三、地铁牵引供电系统谐波抑制核心技术

3.1无源滤波技术优化：适配静态基波负荷

无源滤波技术通过LC谐振回路吸收特定频次谐波，具有成本低、可靠性高的优势，针对地铁特性优化如下：采用“分组式无源滤波器”，按谐波频次（3次、5次、7次）设计独立滤波支路，3次谐波支路采用“星形接线”（抵消中性线叠加电流），5次、7次支路采用“三角形接线”（避免谐波流入电网），同时在滤波器中串联小阻值阻尼电阻（0.5-1Ω），抑制串联谐振（避免滤波器与电网阻抗发生谐振放大谐波）；结合地铁负荷特性动态调整滤波参数，如高峰时段（列车密集运行）投入全部滤波支路，平峰时段（列车间隔超5分钟）关闭部分5次、7次滤波支路，减少无功功率过剩（避免电网电压抬升）；此外，优化滤波器安装位置，将其集成于牵引变电所直流侧（靠近牵引变流器），缩短谐波电流传输路径，降低线路损耗，优化后3次、5次谐波抑制率分别达75%、85%，静态工况下电压畸变率降至5%-6%。

3.2有源滤波技术应用：应对动态负荷波动

有源滤波技术（APF）通过电力电子装置产生与谐波电流大小相等、相位相反的补偿电流，动态抵消谐波，适配地铁负荷波动场景：采用“并联式有源滤波器”，安装于牵引变电所10kV或35kV母线侧，通过电流互感器实时采集电网谐波电流（采样频率20kHz），经DSP芯片计算补偿指令，驱动IGBT模块输出补偿电流，响应时间≤50μs，可跟踪抑制2-50次谐波；针对地铁再生制动产生的偶次谐波，在APF控制算法中加入“制动工况识别模块”，当检测到列车反馈电能（直流侧电压升高5%-10%）时，自动拓宽谐波补偿频段（覆盖2次、4次谐波），避免偶次谐波污染；此外，采用“模块化APF设计”，单模块容量500kvar-1Mvar，可根据地铁线路牵引功率（如单线、双线、换乘站）灵活组合（如换乘站配置3台1Mvar模块），某地铁线路应用后，动态工况下谐波电流抑制率达90%，电压畸变率降至3.5%-4.5%。

3.3混合滤波技术创新：兼顾成本与效果

混合滤波技术结合无源滤波“低成本”与有源滤波“动态性”优势，是地铁牵引供电系统的最优选择：采用“无源滤波+有源滤波”串联结构，无源滤波先吸收70%-80%的基波谐波（如3次、5次），降低有源滤波负荷（容量可从1Mvar降至500kvar），减少设备投资（较纯有源滤波节约成本40%-50%）；在控制策略上，设计“谐波分配算法”，无源滤波负责静态固定频次谐波（3次、5次），有源滤波负责动态变化谐波（如7次以上谐波、偶次谐波），同时有源滤波实时监测无源滤波的谐振状态，当检测到谐振风险（如谐波放大10%以上）时，主动注入阻尼电流抑制谐振；某地铁牵引变电所应用混合滤波系统后，高峰时段电压畸变率从8.5%降至2.8%，谐波抑制效果优于单一技术，且设备年运维成本降低30%。

四、结论

地铁牵引供电系统谐波抑制需根据负荷特性选择适配技术，无源滤波适用于静态工况，有源滤波应对动态波动，混合滤波兼顾成本与效果。实践表明，混合滤波技术可实现谐波畸变率降至3%以下，显著提升供电质量与设备寿命。未来，需进一步推动滤波技术与数字化融合（如结合AI算法预测负荷波动、优化补偿策略）、研发高频高效电力电子器件（如SiC MOSFET），提升谐波抑制的实时性与经济性，助力地铁供电系统向“绿色、高效、智能”转型。

参考文献：

[1]周湘杰,刘晓桂,钱娜,等.抑制电网背景谐波的地铁双向变流器控制策略[J].城市轨道交通研究,2025,28(08):169-174.

[2]李兴.地铁牵引供电系统谐波抑制和无功补偿的研究[D].陕西理工大学,2022.

[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.