地鐵供電系統無功補償方案

摘 要：無功補償就是采用外置的電流源補償負載運行過程中所消耗的無功功率，提高系統的功率因數，降低供電變壓器及輸送線路的損耗，提高供電效率，改善供電環境。大多數的電力電子裝置的功率因數很低，給電網帶來額外的負擔，并影響供電的質量。

關鍵詞：地鐵供電系統；無功補償；SVC；SVG

1 引言

電動機需要建立和維持旋轉磁場，使轉子轉動，從而帶動機械運動，電動機的轉子磁場就是靠從電源取無功功率建立的。變壓器也同樣需要無功功率，才能使變壓器的一次線圈產生磁場，在二次線圈感應出電壓，從而完成能量的傳遞。需要強調的是：無功并不是“無用”電功率，只是它不對外做功而已。

無功功率用Q表示，它的大小可以用功率因數cosφ這個參數表示：

功率因數是有功功率P與視在功率S的比值，反映了電源輸出地有功功率被有效利用的程度。功率因數越小，系統需要從電網上吸收的無功功率越大。

2 地鐵無功特點及地鐵現狀

2.1 地鐵電力系統的特點

大部分城市地鐵采用110/35kV主變電所集中供電方式，地鐵供電系統中包含了大量的低壓供電設備及長電纜線路，其自然功率因數較低。以深圳地鐵一號線為例，110kV西鄉變電站的年平均功率因數不到0.8，因此需支付大量力調電費。由于地鐵本身的工作特性，晚上地鐵停運后母線處于無功倒送狀態。根據已經運行的地鐵觀測，牽引負荷的功率因數比較高，均在0.9以上，0.4KV動力照明負荷則較低，在0.5左右。并且地鐵空載狀態下功率因數最低，在0.01左右，低負載狀態下在0.05左右，滿載狀態時一般大于0.9，基本不需要補償。

2.2 地鐵無功特點

①電纜的充電無功影響較大。②夜晚功率因數低。③無功波動大。④存在沖擊性負荷。

2.3 地鐵現狀

根據目前深圳地鐵一號線110kV西鄉變電站的實測值，天鐵進線在秋冬季負荷率較低的情況下功率因數平均不到0.7（功率因數0.9為達標值），需要額外支付大量功率因數調整電費。地鐵供電系統無功功率不能實現內部平衡，功率因數不符合要求，有必要安裝無功補償裝置。

3 地鐵無功補償

3.1 地鐵無功補償方式

根據地鐵供電方式運行特點，為抑制無功倒送、降低電壓波動和消除諧波，我們采用的無功補償方式有兩種：

3.1.1 在主變電所集中補償。在主所35kv GIS母線上裝設無功補償裝置。

3.1.2 在變電所低壓集中補償，在0.4kv開關柜裝設電容無功補償裝置。

由于0.4kV裝設的補償裝置采用的是電容組循環投切的方式，已經有比較成熟的運行經驗和維護方法，其補償效果也已在其他城市地鐵中檢驗是可行的，因此本文不做討論，主要討論35kv GIS裝設的補償裝置。

3.2 中壓補償方式分類

目前常用的補償方案有：集中式補償，分區集中補償，分布式補償三種，分布式補償方式需要的設備最多，補償效果相對來說最好，集中式補償設備最少，投資最少，效果和其他兩種方式相比較差。

3.3 無功補償的定義和意義

3.3.1 系統功率因數過低，對電力系統和供電企業的影響很大。

3.3.2 當用戶功率因數偏低時，需要從電網上吸收無功功率，這樣發電機組就要多發無功，降低了發電機效率。

3.3.3 無功負荷在電網上傳送，白白占用了輸、變、配電設備的資源，使這些設備的利用率降低，達不到額定出力，增加設備投資。

3.3.4 無功會影響系統電壓，無功的傳輸和大量消耗，產生無功電壓降，線路末端電壓會很低，使系統電壓不能滿足要求，造成用電設備不能啟動或者達不到額定功率。

3.3.5 會使線路及電氣設備中的諧波增大，使損耗增大，增加線損，增大了電費支出。

并且根據供電企業規定：高壓供電的用戶，其功率因數不應小于0.9；低壓供電的用戶，其功率因數不小于0.85。功率因數過低會收取功率因數調整費，所以對于地鐵供電這種高壓用戶，必須安裝無功補償裝置。

4 補償的常見方法

4.1 采用SVC無功補償裝置

SVC是靜止無功補償器的簡稱。其典型代表是晶閘管投切電容器（TSC）、晶閘管控制電抗器+固定電容器（TCR+FC）等。

TSC使用高壓可控硅組投切高壓補償電容器。一般情況下，按照一定的比例設計成多組支路的濾波器，在基波頻率下成容性，分級改變補償裝置的無功出力，濾波支路在某次諧波下偏調諧，兼濾該次諧波。

特點：能快速跟蹤變化的負荷，實現動態投切；保證電容器投切瞬間無沖擊涌流；自身功耗小；自身不產生諧波；對系統內有沖擊性負荷，無功補償需要頻繁變化的場合。

缺陷：電容器分組投切，補償容量有臺階，在需要精確補償場合，電容器分組要多，相對成本增加。

TCR+FC通過調節晶閘管的觸發角α，實現連續調節補償裝置的無功功率。利用TCR回路吸收的感性無功功率，可以對無功功率進行動態補償，使得并聯濾波器中多余的無功功率得到平衡，確保補償點的電壓接近維持不變。

特點：使用可控硅調節相控電抗器或磁飽和電抗器的輸出電流，與電容器組配合實現動態無功連續補償。

缺陷：①裝置本身產生低次諧波，需要配置濾波電容器對自身產生的諧波進行濾波；②配置的感性無功容量與容性無功容量基本相等，需雙倍投資；③裝置占地面積大；電抗器噪音較大；④裝置自身功耗比較大，發熱嚴重。

4.2 采用SVG無功補償裝置

SVG是靜止無功發生器的簡稱，原理是將變流器并聯在電網上，適當地調節變流器交流側輸出電壓的相位和幅值，就可以使其吸收或發出滿足要求的可連續調節的無功電流。

其主要特點有：（1）裝置體積小。（2）補償電流諧波含量低，動態響應速度快。（3）雙向、連續調節無功功率輸出等優點。（4）該裝置產生無功和消除諧波主要是靠其內部電子開關的頻繁動作產生無功電流，取消了傳統無功補償裝置中的電容器、電抗器，不會發生串聯或并聯諧振。

缺點是造價高，初期投入比較大；設備比較復雜，自身損耗大。

4.3 H.SVG裝置

H.SVG響應速度快，功耗和發熱量小，可廣泛適用各種負荷狀況，起到穩定系統電壓，增加變壓器帶載能力，抑制系統諧波的作用。如：因大量使用感應電動機，負荷沖擊波動非常大，造成系統功率因數偏低。H.SVG能自動跟蹤負荷變化，平滑無級輸出與負荷的無功電流大小相等、方向相反的容性無功電流，使系統的功率因數達到0.98以上；另外，對于負載呈現容性或者是處在容性，感性反復變化的狀態的現場，傳統的無功功率補償器無法達到補償效果，使用該產品可使系統的功率因數達到0.98以上，節能和諧波抑制效果顯著。

采用高壓連接變壓器把系統電壓降到適合功率單元工作的電壓等級上，通過連接變壓器把無功送入電網，H.SVG結構是基于逆變橋的并聯結構模式。采用大功率的IGBT管組成三相逆變橋，可動態雙向連續調節無功功率，可補償感性無功，又可補償容性無功。H.SVG調節速度快，適合于電網頻繁波動的場合。

自身功耗低，發熱量小，節能效果明顯。取消了傳統的無功補償裝置中的補償電容器，克服了傳統補償器易與系統發生諧振的缺點。輸出無功電流是標準的正弦波，不產生諧波，在系統諧波電流較大環境下，H.SVG仍可正常運行。保護措施齊全、具有過流、過壓、欠壓、過熱，電子元器件監測等多重保護。采用大容量，高清晰的人機界面彩色觸摸屏，可顯示和記錄系統運行參數；菜單中文顯示，圖文并茂，顯示界面能觸摸設定，人機對話。可實時顯示裝置運行參數和歷史事件記錄。通過RS485接口、RS232接口或其他通訊方式，可與上位機進行通訊。

5 結束語

以上所有的研究均是從理論計算方面對補償方案進行分析，但實際補償效果如何，以后正常運行時是否投入等，還需要在地鐵運行的情況下進行實際檢驗，進而為其他線路的設計提供參考依據。

參考文獻

[1]耿亮，虞蒼璧，劉寶誠.城市軌道交通供電無功補償設備安裝及容量確定[J].電氣技術.2012（05）：36-37.