無功補(bǔ)償技術(shù)在地鐵供電系統(tǒng)的應(yīng)用

曾之煜

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 成都610031)

1 無功補(bǔ)償?shù)谋匾?/h2>

國內(nèi)地鐵供電系統(tǒng)均采用電纜敷設(shè)，其充電的無功功率較大。同時，由于牽引負(fù)荷在一天內(nèi)波動很大，所以不同時段的感性無功變化較大。以成都地鐵2號線為例，該線采用集中式供電，全線共設(shè)2個主變電所，為9個供電分區(qū)供電。在第5個分區(qū)設(shè)置環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)，以實(shí)現(xiàn)主所之間的支援，其無功計算如下:

按現(xiàn)有規(guī)劃情況，成都地鐵2號線沙河堡主變電所各時段的無功理論計算值如表1所示。由上述計算可知，在系統(tǒng)運(yùn)營的各時段，由于主變電所110kV進(jìn)線電纜較長，所以均將向電力系統(tǒng)倒送容性無功。在運(yùn)營初期低谷時，功率因數(shù)低至0.2以下。

根據(jù)《功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)增減查對表(國家統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn))》中的相關(guān)規(guī)定，在地鐵非高峰運(yùn)營時段出現(xiàn)容性無功倒送現(xiàn)象，將被計入罰款區(qū)間。對于地鐵運(yùn)營線路而言，電費(fèi)在其運(yùn)營成本中占有很大比重，若能保證運(yùn)營各時期的功率因數(shù)在0.95～1.0的優(yōu)質(zhì)區(qū)間以內(nèi)，每年由此少交的電費(fèi)與設(shè)置無功補(bǔ)償裝置而避免的罰款電費(fèi)將是一筆可觀的費(fèi)用。鑒于此，推薦該線主變電所設(shè)置無功補(bǔ)償裝置，以提高功率因數(shù)。

表1 沙河堡主變電所各時段的功率分布

2 無功補(bǔ)償裝置的選擇

靜止同步無功發(fā)生器(SVG)是當(dāng)前最先進(jìn)的無功補(bǔ)償裝置，具有動態(tài)響應(yīng)時間極快、濾除諧波、無諧振、低損耗、體積小的優(yōu)點(diǎn)，更重要的是其雙向補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn)是其他無功補(bǔ)償裝置不具備的:一方面可提供感性無功以減少電抗器的投資，另一方面為將來可能出現(xiàn)的重負(fù)荷提供容性補(bǔ)償。2009年，廣州地鐵5號線率先使用SVG，此后佛山、深圳、天津、蘇州、無錫、西安等地均采用過此項(xiàng)技術(shù)。從技術(shù)成熟可靠的角度來說，在成都地鐵2號線使用SVG是完全可行的。

由于工程計算與實(shí)際運(yùn)行情況可能存在一定的偏差，且該工程的兩座主變電所最終的供電范圍及運(yùn)行模式存在不確定性，所以將來系統(tǒng)運(yùn)量增大或負(fù)荷增加可能會產(chǎn)生容性無功的補(bǔ)償需求。SVG為精密電力電子變流設(shè)備，當(dāng)其容量過大時，設(shè)備投資將大大增加。因此，若能將SVG容量控制在合理的范圍內(nèi)，輔以固定電抗器來共同構(gòu)成補(bǔ)償系統(tǒng)，將可以降低工程投資。同時，為了避免固定電抗器頻繁投切，減小電抗器的體積和成本，固定電抗器的容量按接近110kV電纜固有無功定檔，剩余補(bǔ)償容量由SVG提供。

3 采取無功補(bǔ)償?shù)男Ч?/h2>

從已經(jīng)投入運(yùn)營的工程看，西安、成都采用SVG+并聯(lián)電抗器的方案。成都地鐵1號線主變電無功補(bǔ)償設(shè)備已于2013年5月投入試運(yùn)行，火車南站主變電所無功補(bǔ)償設(shè)備容量見表2，其瞬時無功補(bǔ)償情況見圖1。

表2 沙河堡主變電所無功補(bǔ)償設(shè)備容量 kvar

圖1 瞬時無功補(bǔ)償效果

火車南站主變電所無功補(bǔ)償裝置投入運(yùn)行前后成都地鐵公司電調(diào)統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表3。通過表中數(shù)據(jù)看出，并聯(lián)電抗器及SVG投入運(yùn)行后，功率因數(shù)提高到0.95以上，效果良好。

4 無功補(bǔ)償系統(tǒng)方案

成都地鐵2號線主變電所無功補(bǔ)償系統(tǒng)接線見圖2。主變電所35 kV兩段母線分別掛1臺電抗器和SVG，成都地鐵2號線已在主變電所35kV配電裝置室預(yù)留無功補(bǔ)償工程所需4面35 kV C-GIS柜的安裝條件。

在SVG接入35 kV系統(tǒng)的方案選擇上，目前國內(nèi)有兩種常見做法:一種是直接接在35 kV母線上，即直掛式;另一種是35 kV經(jīng)變壓器降壓到10kV再接SVG，即降壓式。直掛式的優(yōu)點(diǎn)是免去了變壓器的檢修維護(hù)工作，功率電力電子器件的工作電流小，損耗較小;其缺點(diǎn)是工作電壓增高必然導(dǎo)致功率電力電子器件的數(shù)量增加，既增加了成本，還增大了設(shè)備體積。降壓式的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備體積小、成本較低，缺點(diǎn)是增加了變壓器的檢修維護(hù)工作。以本工程為例，若采用直掛式，將使SVG的功率模塊由33個增加到60個，考慮到功率模塊的核心器件均為進(jìn)口、價格較高，故在滿足技術(shù)要求的前提下，優(yōu)先選擇降壓式的方案。

表3 火車南站主變電所功率分布情況

圖2 無功補(bǔ)償接線

SVG、并聯(lián)電抗器、隔離變壓器設(shè)于新建的房間內(nèi)，考慮電抗器噪聲影響，SVG單獨(dú)設(shè)于一間，SVG采用強(qiáng)迫風(fēng)冷的方式。考慮到電抗器及變壓器的發(fā)熱量較大，在其所在房間設(shè)置軸流風(fēng)機(jī)及空調(diào)設(shè)施。

結(jié)合表1中的理論計算值，考慮一定的裕度，設(shè)備容量選取見表4。

5 無功補(bǔ)償關(guān)鍵設(shè)備

5.1 并聯(lián)電抗器

出于消防安全考慮，選用干式并聯(lián)電抗器。干式電抗器主要有空心的和鐵芯的:空心電抗器的主要優(yōu)點(diǎn)是抗大電流沖擊、抗飽和能力強(qiáng)、線性度好，其缺點(diǎn)是體積大、成本較高;鐵芯電抗器的主要優(yōu)點(diǎn)是成本較低、體積小，其缺點(diǎn)是抗飽和能力弱、噪聲較大。本工程在滿足技術(shù)要求的條件下，選擇使用干式鐵芯電抗器。

表4 設(shè)備容量選取

5.2 靜止無功補(bǔ)償器

靜止無功補(bǔ)償器(SVG)應(yīng)實(shí)現(xiàn)無功容量連續(xù)調(diào)節(jié)與平滑輸出，滿足無功功率、電壓調(diào)節(jié)、功率因數(shù)及諧波治理等的技術(shù)要求;保證主變電所的對側(cè)變電所110kV間隔出線計量點(diǎn)的實(shí)時功率因數(shù)值大于0.95(滯后、無過補(bǔ))，滿足注入系統(tǒng)的諧波電流和35 kV母線電壓的總諧波畸變率低于GB/T 14549—93中的相關(guān)規(guī)定。

電力電子元器件IGBT的性能對SVG至關(guān)重要。本工程全部采用原裝英飛凌系列的IGBT，其換流閥采用高壓級聯(lián)式結(jié)構(gòu)，采取多重化控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高頻低脈動，輸出電流諧波含量小。SVG功率器件由33個相同的變流模塊組成，每相11個，三相Y形連接，采用10+1式的冗余設(shè)計，在1組模塊故障時還可以工作，其結(jié)構(gòu)見圖3。

SVG控制系統(tǒng)結(jié)合DSP、FPGA及CPLD技術(shù)，保證了系統(tǒng)的處理能力、可維護(hù)性、可測試性以及可靠性。

5.3 其他設(shè)備

由于電抗器線路采用真空斷路器投切，切電抗器產(chǎn)生的高頻過電壓可能超過電抗器的絕緣水平，所以對設(shè)備安全運(yùn)行造成的隱患不容忽視。在抑制操作過電壓上升陡度及高頻振蕩方面，阻容吸收器較避雷器效果要好，故本工程在電抗器進(jìn)線處設(shè)置阻容吸收器。

6 結(jié)語

圖3 SVG變流器拓?fù)?/p>

早期國內(nèi)地鐵線路一般未考慮在主變電所集中補(bǔ)償無功，或者是在主變電所預(yù)留無功補(bǔ)償設(shè)備場地，根據(jù)初期地鐵投入運(yùn)營情況決定是否增設(shè)無功補(bǔ)償裝置。事實(shí)證明，在城市軌道交通建設(shè)中，以集中供電方式為例，主變電所的110kV電纜長達(dá)數(shù)十公里，其產(chǎn)生的無功是無法忽視的。在新建線路時，一般應(yīng)考慮直接在主變電所設(shè)集中無功補(bǔ)償，線路開通即投入使用，這樣可避免后續(xù)改造工程的一系列麻煩。至于是采用并聯(lián)電抗器+SVG還是只設(shè)SVG，主要取決于110kV的電纜長度。

［1］中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計研究院.工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊［M］.3版.北京:中國電力出版社，2005.

［2］中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司.成都地鐵2號線主變電所無功補(bǔ)償成套裝置技術(shù)協(xié)議［G］.成都，2013.

［3］中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司.成都地鐵2號線主變電所無功補(bǔ)償工程初步設(shè)計文件［G］.成都，2012.

［4］王明飛.城市軌道交通靜止無功發(fā)生器設(shè)置［J］.都市快軌交通，2012，25(4):108-110.

［5］隋佳斌.SVG技術(shù)在城市軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用研究［D］.廣州:華南理工大學(xué)，2012.

［6］陳飛.軌道交通供電系統(tǒng)功率因數(shù)分析及補(bǔ)償方案研究［J］.鐵道工程學(xué)報，2012(4):100-103.

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