動態無功補償裝置在地鐵供電系統中的應用

鄒欣欣

摘 要：深圳地鐵供電系統采用集中供電方式，主要由110kv主變電所、35kv環網供電、直流1500V牽引供電、車站400V動力用電等系統組成。地鐵供電系統設備分布廣，一座主變電所的供電范圍長達20公里、高壓電纜總計有400多公里長。電纜在運行過程中產生的大量容性無功遠高于地鐵系統內電動機、變壓器等設備產生的感性無功，導致110kv主變電所功率因素不達標，每月需額外支付力調電費。地鐵主變電所增設無功補償裝置后，顯著提高了地鐵供電系統的電能質量，功率因素達標、節能環保、降低地鐵電費支出，有效節省了地鐵運營成本。

關鍵詞：電能質量；動態無功補償；MSVC；節能環保；地鐵主所

1 地鐵系統無功功率的特點

1.1 深圳地鐵西鄉樂鐵線供電范圍要容性無功源一覽表

表1

備注：C0為供電線路單位長度的電容（？滋F/km），L為供電線路的長度，BL為？仔型等值電路等值電納

線路電容的充電功率？駐QB與電壓的平方成正比，當作無功損耗時應取負號，即

線路容性無功功率簡化公式為：Q=U2*2πf*C

U-電壓，此處取值110，000伏

π=3.14，f-頻率，50赫茲

1.2 深圳地鐵西鄉樂鐵線供電范圍主要感性無功一覽表見表2（估值）

通過以上分析可以得出以下結論：

（1）0：00至6：00時段地鐵處于非運營時段、牽引負荷近視為0；大電量的電機、空調、風機、電扶梯等處于停運狀態；感性負荷最小，產生的感性無功功率自然最小。

（2）由于110kv樂鐵線的電纜線路較長，達9300m；35kv電纜線路多達298km，線路越長，線路電容越大，產生的容性無功也就最大。電力電纜是深圳地鐵供電系統中最大的容性負載，且24小時不間斷地輸送無功功率。

（3）由于地鐵運營的特點，分為運營時段和非運營時段。在運營期間，牽引用電、動力照明等用電均較大，系統內的有功電能需求大；非運營期間，由于地鐵車輛的牽引負荷、車站動力負荷、照明等均減少。使系統內的負荷嚴重不均勻，特別是有功負載波動極大，故在輕負載和休車時段系統功率因數明顯下降。

（4）地鐵系統的感性負載相對較少，不足以全時段平衡長電纜以及其他容性設備產生的容性無功，容性無功超值在2～4.5Mvar范圍內。

2 無功補償設備選型

2.1 MSVC磁閥式可控電抗器的工作原理

磁閥式可控電抗器采用了自耦直流助磁設計和新型鐵心設計技術，利用附加直流勵磁磁化鐵心，通過改變控制繞組中直流電流大小來改變鐵心的磁飽和程度，進而改變鐵心磁導率，實現無功輸出容量的連續可調，不僅使所產生的諧波大大減少，而且有功損耗低、響應速度較快。

磁控電抗器輸出容量（電流）的大小由可控硅控制角α決定，α越小，輸出的控制電流越大，磁控電抗器工作鐵心接近磁飽，輸出電流最大。改變可控硅控制角即電抗器磁飽和度，能平滑調節電抗器容量的輸出。

2.2 MSVC動態無功補償方案

MSVC磁可控動態無功補償系統主要由磁控電抗器、閥組箱、控制柜體和濾波支路組成。接入系統的磁控電抗器采用△連接，可以消除3的倍數次諧波分量。控制柜體針對輸電系統電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數等電能數據進行實時檢測。在根據檢測值計算需要補償的無功量和控制角α，然后向閥組箱發送觸發信號，實現最佳的無功補償效果。濾波支路為可選項，MSVC動態無功補償系統自身只產生很小的諧波量，一般小于0.8%，因此補償系統本身不需要配置濾波支路。

MSVC無功補償系統有別于SVG系統不需要額外的隔離降壓變壓器，而是通過GIS開關柜直接接入35kv輸電側，西鄉主變電所無補償方案如圖1。

2.3 控制策略

方案一：本地實時動態補償

MSVC安裝于西鄉110kv主變電內可以采集35kv進線側可110kv側的電壓、電流，由MCR智能控制單元進行就地無功補償，即由314開關的無功智能控制器實時采集母線PT、主變低壓側電流進行計算無功大小，由控制器根據結果反饋給MSVC進行等量反相補償，經一段時間的數據表明此方法只能在本地實際動態補償本地效果能達至0.99以接近1，關口計費點的無功有所減少，功率因數有所提高，全時段依然不達標遠低于0.9，詳見圖2，分析發現此方法不能有效對110kv電纜線路所產生的容性無功進行補償從面導致了補償效果不理想。

圖2 2014年3月樂鐵線本地實時動態補償本側及關口

計費側補償效果表

通過以上分析發現在地鐵計量表側功率因數近為1時（無功功率約為0kvar）對側計費點，容性無功高達1200～2000kvar；此線路的無功量主要是由樂鐵線路自身產生的倒送系統無功。

方案二：模擬異地動態補償模式

為了能實現對異地計費點進行有效補償，需采集對側實時cosφ進行動態調整無功輸出是最理想的方式，而目供電局不對外開放實時采集關口計費的計量數據，我們只能另相辦法。

計算供電局關口計費點至無功補償裝置設置點電纜無功量（110kv樂鐵線線路長3.1公里，非品字型安裝），通過理論計算樂鐵線110kv線路電容量為1823.3 kvar。

西鄉110kv主變電所，110kv樂鐵線路容性無功功率計算如下：

（1）QC=U×IC IC=U/XC XC=1/2πfC

由上述三個公式得知：QC=U2×2πfC

其中QC為電纜容性無功功率、U為電纜供電電壓、IC為容性電流、XC為電纜容抗、f為供電頻率、C為電纜電容。

（2）電纜電容C的計算endprint

110kv交流聚氯乙烯3×400電纜每公里電容值為0.165微法每千米，其中樂鐵線長度為5080m則樂鐵線整體電容C=3.1km×0.165μF/km=0.5115μF

（3）由公式QC= U2×2πfC得：

QC=110000×110000×2×3.14×50×0.5115×10-6=1823var≈1.8MVar

計算結果表明樂鐵線線路電容無功功率高達1800kvar，為了驗證理論計算值正確性，分別同時采集計費關口電源輸出點、本側電輸入電源端無功數據；數據分析表明地鐵關口計費點至補償點成容性負荷且無功量在1200kvar至容性2300 kvar之間波動變化，作者分析論為差值不一致是由于兩側采集數據不同步、設備采相樣率及上傳速率不一致、兩側計量表變比過大（供電局側高達88萬倍）等引起的正常偏差值。

計算值及現場實測數分析樂鐵線兩端無功差成容性、因地鐵負荷變化兩側無功也同樣呈現相同化趨勢且差值始終處于容性1200kvar至容性2300 kvar之間波動；基于地鐵負荷瞬時變化較大（無功處于動態值），為避免向系統過補償感性無功，我們將MSVC控制器的平衡參數設為本側過補償1900kvar的動態無功鎖定，本側無功潮流動穩值為1900kvar，不考慮本側功率因數cosφ的變化，使對側計費點的無功量近視0值，從而使關口計費點率因數cosφ保障0.95以上。

通過以上兩種補償模式的實際效果測試，充分表明了在地鐵內部同樣能實現異地動態補償，通過鎖定動態補償量使異地關口計費點功率因數cosφ達到0.95以上甚至接近1，從而避免了功率因不達標交納考核電費。

4 異地動態補償優勢

4.1 無需實時采集供電局計費側的表計數據，能夠僅采集變電站側的表計數據即可實現計費側功率因數的全補償要求。

4.2 動態補償調整方式簡單通用，無論供電方式和負荷情況如何變化，都能對系統功率因數進行有效補償。

4.3 動態補償靈敏度高，對有功功率及功率因數進行實時追蹤實現高效快速的自動補償投切。

4.4 通過無功補償裝置的投入，能夠有效穩定線路電壓，減少電壓波動的影響。

4.5 降低電能損耗。提高了系統的功率因數，能夠有效的減少線路上的電能損耗，達到節能環保要求。

4.6 減少用戶電費支出。功率因數的提高直接減少了向電網公司的力調電費支出，獲得了明顯的經濟效益，依據目前投運的效果測算投入運行MSVC西鄉主所每年減少及獎勵考核電費約310萬元，線路損耗約120萬元，經濟效益非常可觀，一年可收回投資成本。

5 該補償裝置的不足之處

MSVC無功補償裝置在運行過程中會產生持續的低頻噪音，對值班人員及周邊住戶產生不適影響，因此需配套安裝噪音隔離防護設備，滿足環評標準。

6 結束語

在地鐵設計規劃時應充分考慮同步設計無功補償系統，優選低成本，動態可調無功補償設備；地鐵車站級400V系統主要成感性無功，本地功率因數基本達標，不宜在投入補償設備，目前全國各地鐵車站無一投入運行車站級無功補償設備；建議在地鐵新線設計規劃時取消地鐵車站級400V無功補償設備；在集中式供電變電所內集中安裝一套無功補償設備。

參考文獻

[1]周均德.無功補償與節能降耗在電網運行中的重要性分析[J].高科技與產業化，2010（12）：79.

[2]周冬莉，韓國慶.SVG無功補償裝置在供電系統節能降損中的應用[J].煤礦機械，2012，33（4）：200-201.endprint

110kv交流聚氯乙烯3×400電纜每公里電容值為0.165微法每千米，其中樂鐵線長度為5080m則樂鐵線整體電容C=3.1km×0.165μF/km=0.5115μF

（3）由公式QC= U2×2πfC得：

QC=110000×110000×2×3.14×50×0.5115×10-6=1823var≈1.8MVar

計算結果表明樂鐵線線路電容無功功率高達1800kvar，為了驗證理論計算值正確性，分別同時采集計費關口電源輸出點、本側電輸入電源端無功數據；數據分析表明地鐵關口計費點至補償點成容性負荷且無功量在1200kvar至容性2300 kvar之間波動變化，作者分析論為差值不一致是由于兩側采集數據不同步、設備采相樣率及上傳速率不一致、兩側計量表變比過大（供電局側高達88萬倍）等引起的正常偏差值。

計算值及現場實測數分析樂鐵線兩端無功差成容性、因地鐵負荷變化兩側無功也同樣呈現相同化趨勢且差值始終處于容性1200kvar至容性2300 kvar之間波動；基于地鐵負荷瞬時變化較大（無功處于動態值），為避免向系統過補償感性無功，我們將MSVC控制器的平衡參數設為本側過補償1900kvar的動態無功鎖定，本側無功潮流動穩值為1900kvar，不考慮本側功率因數cosφ的變化，使對側計費點的無功量近視0值，從而使關口計費點率因數cosφ保障0.95以上。

通過以上兩種補償模式的實際效果測試，充分表明了在地鐵內部同樣能實現異地動態補償，通過鎖定動態補償量使異地關口計費點功率因數cosφ達到0.95以上甚至接近1，從而避免了功率因不達標交納考核電費。

4 異地動態補償優勢

4.1 無需實時采集供電局計費側的表計數據，能夠僅采集變電站側的表計數據即可實現計費側功率因數的全補償要求。

4.2 動態補償調整方式簡單通用，無論供電方式和負荷情況如何變化，都能對系統功率因數進行有效補償。

4.3 動態補償靈敏度高，對有功功率及功率因數進行實時追蹤實現高效快速的自動補償投切。

4.4 通過無功補償裝置的投入，能夠有效穩定線路電壓，減少電壓波動的影響。

4.5 降低電能損耗。提高了系統的功率因數，能夠有效的減少線路上的電能損耗，達到節能環保要求。

4.6 減少用戶電費支出。功率因數的提高直接減少了向電網公司的力調電費支出，獲得了明顯的經濟效益，依據目前投運的效果測算投入運行MSVC西鄉主所每年減少及獎勵考核電費約310萬元，線路損耗約120萬元，經濟效益非常可觀，一年可收回投資成本。

5 該補償裝置的不足之處

MSVC無功補償裝置在運行過程中會產生持續的低頻噪音，對值班人員及周邊住戶產生不適影響，因此需配套安裝噪音隔離防護設備，滿足環評標準。

6 結束語

在地鐵設計規劃時應充分考慮同步設計無功補償系統，優選低成本，動態可調無功補償設備；地鐵車站級400V系統主要成感性無功，本地功率因數基本達標，不宜在投入補償設備，目前全國各地鐵車站無一投入運行車站級無功補償設備；建議在地鐵新線設計規劃時取消地鐵車站級400V無功補償設備；在集中式供電變電所內集中安裝一套無功補償設備。

參考文獻

[1]周均德.無功補償與節能降耗在電網運行中的重要性分析[J].高科技與產業化，2010（12）：79.

[2]周冬莉，韓國慶.SVG無功補償裝置在供電系統節能降損中的應用[J].煤礦機械，2012，33（4）：200-201.endprint

110kv交流聚氯乙烯3×400電纜每公里電容值為0.165微法每千米，其中樂鐵線長度為5080m則樂鐵線整體電容C=3.1km×0.165μF/km=0.5115μF

（3）由公式QC= U2×2πfC得：

QC=110000×110000×2×3.14×50×0.5115×10-6=1823var≈1.8MVar

計算結果表明樂鐵線線路電容無功功率高達1800kvar，為了驗證理論計算值正確性，分別同時采集計費關口電源輸出點、本側電輸入電源端無功數據；數據分析表明地鐵關口計費點至補償點成容性負荷且無功量在1200kvar至容性2300 kvar之間波動變化，作者分析論為差值不一致是由于兩側采集數據不同步、設備采相樣率及上傳速率不一致、兩側計量表變比過大（供電局側高達88萬倍）等引起的正常偏差值。

計算值及現場實測數分析樂鐵線兩端無功差成容性、因地鐵負荷變化兩側無功也同樣呈現相同化趨勢且差值始終處于容性1200kvar至容性2300 kvar之間波動；基于地鐵負荷瞬時變化較大（無功處于動態值），為避免向系統過補償感性無功，我們將MSVC控制器的平衡參數設為本側過補償1900kvar的動態無功鎖定，本側無功潮流動穩值為1900kvar，不考慮本側功率因數cosφ的變化，使對側計費點的無功量近視0值，從而使關口計費點率因數cosφ保障0.95以上。

通過以上兩種補償模式的實際效果測試，充分表明了在地鐵內部同樣能實現異地動態補償，通過鎖定動態補償量使異地關口計費點功率因數cosφ達到0.95以上甚至接近1，從而避免了功率因不達標交納考核電費。

4 異地動態補償優勢

4.1 無需實時采集供電局計費側的表計數據，能夠僅采集變電站側的表計數據即可實現計費側功率因數的全補償要求。

4.2 動態補償調整方式簡單通用，無論供電方式和負荷情況如何變化，都能對系統功率因數進行有效補償。

4.3 動態補償靈敏度高，對有功功率及功率因數進行實時追蹤實現高效快速的自動補償投切。

4.4 通過無功補償裝置的投入，能夠有效穩定線路電壓，減少電壓波動的影響。

4.5 降低電能損耗。提高了系統的功率因數，能夠有效的減少線路上的電能損耗，達到節能環保要求。

4.6 減少用戶電費支出。功率因數的提高直接減少了向電網公司的力調電費支出，獲得了明顯的經濟效益，依據目前投運的效果測算投入運行MSVC西鄉主所每年減少及獎勵考核電費約310萬元，線路損耗約120萬元，經濟效益非常可觀，一年可收回投資成本。

5 該補償裝置的不足之處

MSVC無功補償裝置在運行過程中會產生持續的低頻噪音，對值班人員及周邊住戶產生不適影響，因此需配套安裝噪音隔離防護設備，滿足環評標準。

6 結束語

在地鐵設計規劃時應充分考慮同步設計無功補償系統，優選低成本，動態可調無功補償設備；地鐵車站級400V系統主要成感性無功，本地功率因數基本達標，不宜在投入補償設備，目前全國各地鐵車站無一投入運行車站級無功補償設備；建議在地鐵新線設計規劃時取消地鐵車站級400V無功補償設備；在集中式供電變電所內集中安裝一套無功補償設備。

參考文獻

[1]周均德.無功補償與節能降耗在電網運行中的重要性分析[J].高科技與產業化，2010（12）：79.

[2]周冬莉，韓國慶.SVG無功補償裝置在供電系統節能降損中的應用[J].煤礦機械，2012，33（4）：200-201.endprint