城市軌道交通新型無功補償方案研究

趙帥帥 賈琨

【摘 要】城市軌道交通供電系統存在較嚴重的無功功率問題，針對杭州地鐵2號線，根據不同時段系統產生的無功性質不同，主要從安裝無功補償裝置的必要性、無功補償的方案選擇、無功補償裝置的選型、無功補償裝置的容量等進行了研究，提出采用磁控電抗器（MCR）集中補償+有源濾波（APF）分散補償的方式是一套比較適合杭州地鐵2號線的無功補償方案。

【關鍵詞】城市軌道交通 MCR APF 組合式無功補償 容性無功

1 軌道交通供電系統構成

1.1 外部供電系統

由市電力公司所屬變電站、供電網絡至軌道交通受電變電所組成。

1.2 軌道交通供電系統

由受電主變電所、供電網絡、牽引、降壓變電所、電力監控、接觸網、車站及區間動力照明、雜散電流防護、防雷設施和接地系統等組成。

2軌道交通供電系統無功功率新情況

2.1 軌道交通負荷：牽引負荷和動力照明負荷兩類

（1）牽引負荷功率因數較高，0.95以上。（2）車站動力照明系統，存在一定量感性負荷，例如環控設備、給排水設備、自動扶梯、照明等設備。

2.2 車站動力照明負荷新特征

（1）車站照明系統：采用電子鎮流器節能燈或LED照明，照明系統功率因數已達0.9以上。（2）車站動力配電系統：車站通風空調設備、電扶梯，因節能需要，采用了較多的變頻設備，動力負荷功率因數與傳統方式相比，已由原來的0.7左右提高到0.9以上。各降壓變電所0.4kV側設置自動投切電容補償裝置，已無法投用，容性無功的補償已無必要。在低壓側采用諧波治理APF同時輸出感性無功的必要性較為突出。

2.3 通常情況下，電路中的容性無功功率可以抵消部分或全部感性無功功率，進而提高功率因數。但當容性無功功率大于感性無功功率時，將向上一級電路返送容性無功功率

軌道交通網絡一般位于市區內，多采用中壓電纜供電替代架空線路。從110kV主變電所至沿線各牽引降壓所采用幾百km的35kV電纜連接，電纜規格主要有：95mm2、120mm2、150mm2、185mm2 、240mm2、300mm2等。35kV電纜存在分布電容，其充電功率：60～80kvar/km。在主變電所每段35kV母線側將有幾兆千乏的容性無功存在，每天產生大量容性無功電度。

3杭州地鐵2號線供電系統概述

3.1 工程概況

杭州地鐵2號線一期工程（東南段）供電系統采用110/35kV兩級電壓集中供電方式，設置鐵建益主變電所一座。鐵建益主變電所從城市電網引入兩回110kV進線電源，降壓為35kV后由35kV中壓通過地鐵環網系統將電能分配至每一個車站和車輛段內的牽引變電所和降壓變電所。

鐵建益主變電所正常供電范圍為朝陽站～錢江路站，共包含13座車站、1座車輛段，共設置4個供電分區。

3.2本工程供電系統無功功率分析

根據杭州情況，對杭州地鐵2號線各期不同時段總功率因數進行估算如下：

主變電所110kV本側在運營各期高峰小時時段的總功率因數估算結果見表1、2、3

當建設一路主變電所在運營各期高峰小時時段，均不向電力系統返送無功，功率因數處于0.90～1.00的優質區間。

當建設一路主變電所供電負荷位于低谷時段時，均向電力系統返送容性無功。由于建設一路主變電所110kV進線電源路徑較短，110kV進線電纜產生的容性無功對系統的總功率因數影響較小。

為使地鐵供電系統不向電力系統返送容性無功以避免罰款，且使功率因數處于優質區間，推薦建設一路主變電所設置無功功率補償裝置。

4無功功率補償方式及裝置選擇

4.1 無功功率補償方式

無功功率補償技術經過數十年的發展，產生了種類繁多的無功功率補償裝置。從補償方式上可以分為靜態無功功率補償和動態無功功率補償兩類。

4.1.1動態靜止無功功率補償裝置

動態靜止無功功率補償裝置是指其主要部件無運動部分，其輸出能及時快速做出變化，以達到設計的各種控制目標的無功功率補償裝置。目前，動態靜止無功功率補償裝置的種類很豐富，主要包括相控電抗器、磁控電抗器、靜止無功發生器等。能夠滿足地鐵供電系統無功功率補償的要求。

4.1.2動態無功功率補償裝置方案比選

動態無功功率補償裝置種類繁多，根據前節的計算分析結論，建設一路主變電所的無功功率補償主要是向系統補入感性無功功率，據此對三種比較成熟的動態無功功率補償裝置方案——相控電抗器（TCR）、磁控電抗器（MCR）、靜止無功功率發生器（SVG）進行分析并進行經濟比較，見表4。

由上可知，TCR、MCR、SVG裝置的技術性能均能滿足地鐵供電系統主變電所對容性無功功率補償的需要。但相對于而言：傳統的軌道交通行業多選擇SVG裝置，具有補償原理先進、補償能力強、占地面積小、響應速度快等諸多優勢。

4.2 無功功率補償裝置的選擇

結合前文提到的目前軌道交通行業出現的新特點，尤其是：（1）目前運營時段與非運營時段無功功率波動情況，對無功補償設備的響應速度的要求在分鐘級別，而不是毫秒級。時段內無經常劇烈的無功負荷波動。（2）集中供電方式，提供了獨立的110kV變電所，有著充足的設備安裝空間和散熱條件。（3）諧波治理的濾波通道已經在低壓側APF具備功能。

我們提出新的觀點：建設一路主變電所設置的動態無功功率補償裝置采用磁控電抗器（MCR）集中補償+有源濾波（APF）分散補償的方式。

即先在車站變電所底層400V母線上，將分組投切電容器換為分組投切電抗器（各站全部投入容量不大于1000 kvar）。由APF有源濾波裝置控制。即起到濾波功能，兼顧補償35電纜部分無功功能。

由于本系統計算容量并不大（原設計2×2000kvar），在實際中2號線第一、二、三、四供電分區各降壓變電所400V側一、二段有源濾波裝置，使其輸出固定感性無功，來抵消由35kV電纜線路產生的部分容性無功。11個降壓所，共22臺400V一、二段有源濾波器均感性無功輸出容量進行調整，以此來降低磁控電抗器（MCR）設備容量投資。收到了很好的效果（容量：2×1000kvar）。如圖1所示。

這種組合式補償方式，打破了原有單一設備集中補償的局限。

（1）新線（共享主變電所）或延伸線建設時，無需對原有電抗器設備進行擴容改造，在延伸線增加分散補償即可。（2）將由原來在主變電所集中無功補償的部分容量，變為各車站分散補償的方式，主變電所補償設備投資大量減少。（3）每個區段35V電纜無功可被大量平衡，有效降低線纜損耗。（4）主變電所設置磁控電抗器，需設置通風空調設備。APF的應用可簡化主變電所的通風空調設備的設置。

5結語

本文對杭州地鐵2 號線供電系統無功補償方案的研究，主要從安裝無功補償裝置的必要性、無功補償的方案選擇、無功補償裝置的選型、無功補償裝置的容量等進行了研究，結果表明供電系統有必要采用磁控電抗器（MCR）集中補償+有源濾波（APF）分散補償的方式。

以上所做的工作是在杭州2 號線進行的研究，從理論計算和上海軌道交通10號線的現場實測結果基本一致的情況看，證明了方案研究的可行性。為新形勢下的城市軌道交通無功治理提供新思路。

參考文獻：

[1]陸安定.功率因數與無功補償[M].上海：上海科學普及出版社，2004.

[2]程 陳.新編電力系統無功補償技術實用手冊[M]，2009.