城市軌道交通供電無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備安裝及容量確定

耿 亮 虞蒼璧 劉寶誠(chéng)

（榮信電力電子股份公司，遼寧 鞍山 114051）

城市軌道交通供電負(fù)荷主要為機(jī)車(chē)動(dòng)力和車(chē)站通風(fēng)裝置及照明等，供電回路以電纜為主，與其他供電系統(tǒng)相比，具有特殊性。研究軌道交通供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量特點(diǎn)及相應(yīng)的治理措施，對(duì)提高供電的可靠性具有十分重要的意義。

1 軌道交通供電問(wèn)題和無(wú)功補(bǔ)償

中國(guó)絕大部分城市軌道交通供電系統(tǒng)采用集中供電制式，由地方變電站提供兩回路110 kV 高壓交流電源，接入專(zhuān)用主變電站后，通過(guò)站內(nèi)主變壓器變換為35kV 或10kV 電壓向各個(gè)車(chē)站的降壓變電所和牽引變電所供電。對(duì)國(guó)內(nèi)已運(yùn)營(yíng)的城市軌道交通供電系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，在供電系統(tǒng)中存在較嚴(yán)重的無(wú)功損耗問(wèn)題。

軌道交通供電系統(tǒng)中有數(shù)量較多的變壓器、電纜、機(jī)車(chē)動(dòng)力負(fù)荷。根據(jù)這些設(shè)備的等效電路模型[1]，變壓器和機(jī)車(chē)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)消耗大量的感性無(wú)功功率，電纜則是容性無(wú)功功率（充電功率）。在日常機(jī)車(chē)運(yùn)行時(shí)，需要進(jìn)行感性無(wú)功功率補(bǔ)償。夜間停運(yùn)階段負(fù)荷較低時(shí)，電纜的充電容性無(wú)功功率大于系統(tǒng)消耗的感性無(wú)功功率，供電系統(tǒng)的無(wú)功功率呈容性，功率因數(shù)較低，需要進(jìn)行容性無(wú)功功率補(bǔ)償，以提高系統(tǒng)的功率因數(shù)。此外，機(jī)車(chē)運(yùn)行的非連續(xù)性使得無(wú)功補(bǔ)償呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)化。

軌道交通用戶(hù)的自然總平均功率因數(shù)較低，并存在不同時(shí)段系統(tǒng)無(wú)功性質(zhì)不同的情況，因此必須安裝無(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)備，以滿(mǎn)足供電部門(mén)的要求。提高功率因數(shù)對(duì)于提高設(shè)備利用率、降低網(wǎng)損和改善電壓質(zhì)量有益，但是裝配無(wú)功補(bǔ)償裝置不僅增加了供配電設(shè)備初期的投資成本，而且還需要日常的運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。因此，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度考慮，需要合理確定無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)方案和無(wú)功補(bǔ)償容量。

2 無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備選擇及安裝方式

無(wú)功功率的平衡程度直接影響著電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定程度[2]，宜采用就地補(bǔ)償原則。根據(jù)《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》（JGJ/T 16-92），軌道交通屬于高壓電力用戶(hù)，計(jì)費(fèi)在110kV 側(cè)，系統(tǒng)功率因數(shù)應(yīng)補(bǔ)償?shù)?.9 以上[3]。

2.1 設(shè)備選擇

目前采用的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備主要有：并聯(lián)電容器（電抗器），SVC、SVG 等?？紤]軌道交通的實(shí)際情況，宜采用SVG 設(shè)備進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。圖1給出了不計(jì)及損耗的SVG 等效電路及相量圖。

與其他補(bǔ)償設(shè)備相比，SVG 優(yōu)勢(shì)明顯。

1）占地面積小。軌道交通變電站因城市用地緊張而成本增加較高，SVG 設(shè)備占地面積較小，可減小變電站征地費(fèi)用和土建造價(jià)。

2）運(yùn)行范圍寬。一套SVG 設(shè)備就可做到即補(bǔ)償感性無(wú)功又補(bǔ)償容性無(wú)功，所發(fā)出的無(wú)功電流不受電網(wǎng)電壓影響，補(bǔ)償效果穩(wěn)定。

3）響應(yīng)時(shí)間快。SVG 響應(yīng)時(shí)間通常約5ms，城市軌道交通供電系統(tǒng)的無(wú)功負(fù)荷為頻繁波動(dòng)的負(fù)荷，更快的響應(yīng)時(shí)間可以取得更好的補(bǔ)償效果。

4）不產(chǎn)生諧波。SVG 采用正弦脈寬調(diào)制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）技術(shù)以及多個(gè)功率單元的適當(dāng)連接，不會(huì)產(chǎn)生諧波注入供電系統(tǒng)，避免造成諧波污染。

5）不產(chǎn)生系統(tǒng)串、并聯(lián)諧振。SVG 中不含有大容量的電抗器或電容器，避免了在特定頻率下發(fā)生諧振的可能性，設(shè)備和系統(tǒng)運(yùn)行更加可靠。

2.2 安裝方式

根據(jù)軌道交通的供電方式[4]，可以采用如圖2所示的集中式補(bǔ)償、分區(qū)集中式補(bǔ)償和分布式補(bǔ)償3 種方案。

考慮軌道交通供電系統(tǒng)中需要補(bǔ)償大量的電纜無(wú)功，采用分布式參數(shù)對(duì)地鐵中電纜兩端的電壓變化進(jìn)行計(jì)算。

以長(zhǎng)10km 電纜線為例，分布式參數(shù)等效電路見(jiàn)圖3。其中，各電氣參數(shù)取為：R0=78 mΩ，L0=0.1725 H,C0=66.85μF，由分布式參數(shù)計(jì)算公式可知

圖3 電纜分布式參數(shù)示意圖

當(dāng)電纜長(zhǎng)度較短時(shí)，電纜末端電壓與始端電壓基本相同，約差萬(wàn)分之五，兩端的電能質(zhì)量情況非常接近，此時(shí)在電纜的任一端進(jìn)行補(bǔ)償，效果相差不大。軌道交通內(nèi)變電所之間距離一般1～3km，分區(qū)之間距離大約5～6km，如果一臺(tái)變壓器發(fā)生故障，那么兩端最長(zhǎng)電氣距離小于15km。分布式補(bǔ)償、分區(qū)集中補(bǔ)償和集中式補(bǔ)償三者總體效果相差無(wú)幾，采用任一種方式均能滿(mǎn)足要求。

從經(jīng)濟(jì)性角度考核，安裝無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)，不僅要考慮補(bǔ)償裝置本身的投入，還需要考慮工程土建費(fèi)用以及城市土地費(fèi)用等。城市軌道交通供電系統(tǒng)所建設(shè)的變電站均處于城市中心地帶，在建設(shè)中需要較高的城市土地費(fèi)用和土建施工費(fèi)用；設(shè)備投入運(yùn)行后亦需要較高的設(shè)備維護(hù)費(fèi)用和人員費(fèi)用。采用集中補(bǔ)償方式安裝SVG 設(shè)備，可有效的減少占地面積，降低施工費(fèi)用。同時(shí)，設(shè)備數(shù)量少也會(huì)降低設(shè)備后期的維護(hù)和人員費(fèi)用。

采用3 種補(bǔ)償方式效果接近，集中式補(bǔ)償在經(jīng)濟(jì)性上優(yōu)于其他兩種補(bǔ)償方式，因此，推薦集中式補(bǔ)償方式用于城市軌道交通供電系統(tǒng)中的無(wú)功功率補(bǔ)償。

3 補(bǔ)償容量計(jì)算

3.1 參數(shù)

在軌道交通供電系統(tǒng)中，在確定無(wú)功補(bǔ)償容量時(shí)，需要對(duì)電纜、變壓器、機(jī)車(chē)動(dòng)力和通風(fēng)照明等不同類(lèi)型設(shè)備的有功功率和無(wú)功功率分別進(jìn)行計(jì)算[4-3]。其中，計(jì)算所需要的設(shè)備資料包括：①電纜的長(zhǎng)度和單位長(zhǎng)度的電氣參數(shù)；②變壓器的額定參數(shù)和不同運(yùn)行情況下負(fù)載率；③機(jī)車(chē)負(fù)荷的額定功率和功率因數(shù)；④通風(fēng)照明負(fù)荷的額定功率和功率因數(shù)。

軌道交通供電系統(tǒng)中可產(chǎn)生充電無(wú)功的電纜包括110kV 電纜、35 kV 電纜和400V 電纜；變壓器包括主變壓器、牽引變壓器和動(dòng)力變壓器。

軌道交通供電系統(tǒng)在夜間處于低載狀態(tài)，白天高峰時(shí)刻則為滿(mǎn)載狀態(tài)，其他時(shí)間段則處于這兩種情況之間。因此，應(yīng)當(dāng)計(jì)算出低載狀態(tài)和滿(mǎn)載狀態(tài)時(shí)相應(yīng)的有功功率和無(wú)功功率，并按照將功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)?.9 以上確定無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的容量。

3.2 算例

根據(jù)國(guó)內(nèi)某城市軌道交通供電系統(tǒng)的資料，利用各類(lèi)設(shè)備參數(shù)，可以得到該供電系統(tǒng)中主變電站相關(guān)功率情況見(jiàn)表1。

表1 主變電站功率計(jì)算結(jié)果和功率 因數(shù)補(bǔ)償?shù)?.95 需要的容量

由表1可知，在低載時(shí)確定的補(bǔ)償容量可以保證在滿(mǎn)載時(shí)將站內(nèi)的無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償。

由于主變電站為單母線分段結(jié)構(gòu)，且2 條母線所帶負(fù)荷容量基本相同，因此需要在1#主變電站安裝2 套SVG 設(shè)備，考慮一定的余量，每套設(shè)備容量可選為9Mvar；在2#主變電站安裝2 套SVG 設(shè)備，考慮一定的余量，每套設(shè)備容量可選為5.5Mvar。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

4.1 直接經(jīng)濟(jì)效益

無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹苯咏?jīng)濟(jì)效益體現(xiàn)在節(jié)能及減排上。根據(jù)相關(guān)的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)[6]，可得出無(wú)功功率與有功功率之間的關(guān)系：在系統(tǒng)中每投入1kVar 無(wú)功功率，在發(fā)電廠的直配電路中節(jié)約有功功率為0.02～0.04kW，在二級(jí)變壓供電時(shí)節(jié)約有功功率為0.05～0.07kW，在三級(jí)變壓供電時(shí)節(jié)約有功功率為0.08～0.09kW。

如果2 套SVG 均投入使用，無(wú)功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量取0.06，1#和2#兩個(gè)主變電站年節(jié)約有功功率分別為：

計(jì)算減排的CO2量時(shí)，煤質(zhì)和燃燒效率不同其轉(zhuǎn)換系數(shù)不同。通常每kW·h 約排放1kg 的CO2。兩個(gè)主變電站年減排 CO2量為：Tj1=7465t；Tj2=4562t。

4.2 間接經(jīng)濟(jì)效益

間接經(jīng)濟(jì)效益體現(xiàn)在提高供電系統(tǒng)電能質(zhì)量等方面。

1）降低系統(tǒng)電壓波動(dòng)，提高電能質(zhì)量。投入的SVG 具有自動(dòng)調(diào)節(jié)作用，在系統(tǒng)電壓較高時(shí)輸出很小容性無(wú)功功率，在系統(tǒng)電壓較低時(shí)輸出最大容性無(wú)功功率，使35 kV 母線電壓的波動(dòng)范圍小于0.3%。

2）快速電壓支撐。SVG 具有快速響應(yīng)能力，在系統(tǒng)出現(xiàn)電壓跌落時(shí)，能夠迅速支撐系統(tǒng)電壓，避免軌道交通內(nèi)部因系統(tǒng)較輕的短路故障發(fā)生停運(yùn)，同時(shí)保障周?chē)脩?hù)不至于因電壓的瞬間跌落造成跳閘停產(chǎn)，減少損失。

3）提高功率因數(shù)。軌道交通負(fù)荷變動(dòng)很大，而在停運(yùn)期間，存在電纜的充電無(wú)功功率倒送問(wèn)題，使得軌道交通供電系統(tǒng)在一天的很多時(shí)刻處于功率因數(shù)低狀態(tài)。SVG 的投入保證了供電系統(tǒng)功率因數(shù)維持在較高水平，從而減少了因功率因數(shù)過(guò)低而造成的損失。

4）減小諧波含量。軌道交通供電系統(tǒng)電能中存在較多諧波。SVG 可在補(bǔ)償無(wú)功功率的同時(shí)兼顧諧波濾除作用，顯著降低了供電的諧波含量，將諧波對(duì)用電設(shè)備的損傷降至最低。

5 結(jié)論

軌道交通供電系統(tǒng)由于其特殊性，存在較嚴(yán)重的無(wú)功功率問(wèn)題，通過(guò)采用集中補(bǔ)償?shù)姆绞桨惭bSVG 設(shè)備，可對(duì)無(wú)功功率問(wèn)題起到較好的治理效果，從而提高供電可靠性，改善電能質(zhì)量[7]，獲得較好的直接和間接經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 程浩忠.電力系統(tǒng)無(wú)功與電壓穩(wěn)定性[M].北京:中國(guó)電力出版社，2004:168-170.

[2] TJE 米勒.電力系統(tǒng)無(wú)功功率控制[M].胡國(guó)根 譯.北京:水利電力出版社，1990:420-429.

[3] 李鯤鵬,吳柳青.地鐵供電系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償方案[J].低壓電器,2006(2):41-46.

[4] 郭其一,周桂法,周巧蓮,毛中亞.城市軌道交通系統(tǒng)混合濾波器的設(shè)計(jì)及仿真[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2009,37(3): 339-343.

[5] 李昕,陳智芳.軌道交通諧波的管理[J].上海電力,2006(1):94-97.

[6] 段立新.動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置在地鐵主變電所的應(yīng)用研究[J].低壓電器,2009(12):53-56.

[7] 馬曉蕾.基于MCR 的牽引系統(tǒng)電能質(zhì)量綜合治理研究[D].北京:華北電力大學(xué),2009.