無功補(bǔ)償方案在地鐵供電系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

東莞市軌道交通有限公司　許焯毅　譚雪嬌

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無功補(bǔ)償方案在地鐵供電系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

東莞市軌道交通有限公司許焯毅譚雪嬌

【摘要】隨著城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平的不斷提升，地鐵作為對(duì)舒適度、安全性、整體性能、施工技能等方面的要求都非常高的交通方式，已經(jīng)成為現(xiàn)代城市交通水平的重要衡量標(biāo)志，但由于其供電系統(tǒng)幾乎全部采用電纜連接，致使其充電無功功率和牽引負(fù)荷的波動(dòng)性等較大，會(huì)對(duì)城市電網(wǎng)造成功率因數(shù)低、無功功率反送以及諧振過壓等多方面的不利影響，而城市電網(wǎng)的安全性和持續(xù)性對(duì)城市發(fā)展至關(guān)重要，所以通過有效的措施控制地鐵供電系統(tǒng)對(duì)城市供電網(wǎng)的影響至關(guān)重要，本文通過對(duì)供電因數(shù)計(jì)算模型的系統(tǒng)分析，結(jié)合深圳市地鐵對(duì)無功補(bǔ)償方案在地鐵供電系統(tǒng)中的應(yīng)用展開研究，為促進(jìn)城市地鐵快速發(fā)展作出努力。

【關(guān)鍵詞】無功補(bǔ)償方案；地鐵；供電系統(tǒng)

0　引言

地鐵的供電系統(tǒng)是采用兩級(jí)供電制的方式的高壓用電用戶，列車牽引和車站動(dòng)力及照明負(fù)荷是其用電負(fù)荷的主要構(gòu)成，所以其性質(zhì)直接決定了地鐵供電系統(tǒng)的功率因數(shù)，而地鐵列車的設(shè)計(jì)決定其牽引負(fù)荷的功率因數(shù)總額在0.96左右，車站動(dòng)力及照明的功率因數(shù)通常在0.78左右，這與我國電力部門現(xiàn)階段所規(guī)定的高壓供電用戶高峰時(shí)段功率因數(shù)應(yīng)在0.9以上不符，致使地鐵供電系統(tǒng)發(fā)生線路損耗加快、有功輸出容量不足等問題，甚至對(duì)城市供電造成影響，所以采取無功補(bǔ)償方案是地鐵供電系統(tǒng)正常運(yùn)行的必然選擇。

1　供電因數(shù)計(jì)算模型分析

110千伏和35千伏的兩級(jí)電壓制集中供電并覆蓋諸多低壓供電設(shè)備是現(xiàn)階段深圳市地鐵供電系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)形式，其用電負(fù)荷與常規(guī)地鐵一致，其中牽引負(fù)荷與行車密度和客流量呈現(xiàn)出較明顯的正相關(guān)性，而車站動(dòng)力和照明負(fù)荷值相對(duì)比較穩(wěn)定，通過對(duì)其牽引負(fù)荷的變化數(shù)據(jù)分析，其遠(yuǎn)期負(fù)荷會(huì)達(dá)到近期的1.2至1.5倍，而近期又會(huì)達(dá)到初期的1.1至1.2倍，通過計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)其自然功率將超過0.95；而深圳地鐵車站動(dòng)力和照明的負(fù)荷基本穩(wěn)定在0.73至0.81之間[1]。一天中由于城市居民的出行量會(huì)出現(xiàn)明顯的波動(dòng)變化，所以深圳地鐵的主變壓器在一天內(nèi)的負(fù)荷變化也呈現(xiàn)出顯著的波動(dòng)特征，通常0:00至5:30由于地鐵停運(yùn)主變壓器出現(xiàn)低谷負(fù)荷；一天內(nèi)的其余時(shí)間則為高峰負(fù)荷時(shí)期，由于變壓器不僅具有轉(zhuǎn)化電壓的功能，還會(huì)對(duì)感性無功功率進(jìn)行消耗，而電力電纜不僅對(duì)感性無功功率具有消耗的能力，而且當(dāng)其充電功率超過其功率消耗時(shí)會(huì)產(chǎn)生容性無功功率，例如地鐵處于停運(yùn)階段，電纜會(huì)生成容性無功功率，直接對(duì)電網(wǎng)的供電平衡造成影響[2]。由于地鐵的運(yùn)行是機(jī)械式的對(duì)日運(yùn)行的簡單重復(fù)，所以平均功率因數(shù)可以通過地鐵供電系統(tǒng)需要供電部門提供的日有功電度(P∑)和日無功電度(Q∑)表示，即，其中P∑可通過（全線的牽引負(fù)荷+全線的動(dòng)力照明負(fù)荷+供電網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載損耗）×18.5+供電網(wǎng)絡(luò)的空載損耗×24（千瓦/小時(shí)）獲得，而Q∑可通過（全線的牽引負(fù)荷×tan牽引負(fù)荷+全線的動(dòng)力照明負(fù)荷×tan動(dòng)力照明負(fù)荷）× 18.5-電力電纜的充電功率×24（千伏安/小時(shí)）[3]。例如深圳市在5至11月的空調(diào)季節(jié)中其動(dòng)力照明負(fù)荷所產(chǎn)生的平均功率因數(shù)大約在0.74左右，而其余月份構(gòu)成的非空調(diào)季節(jié)其取值為0.71，結(jié)合兩個(gè)時(shí)期功率因數(shù)較低的空調(diào)負(fù)荷有所縮減，牽引負(fù)荷中功率相對(duì)較高的比重會(huì)在原有程度上上升，致使地鐵供電系統(tǒng)的無功功率需求縮減，所以非空調(diào)季的功率因數(shù)較空調(diào)季更高，與平均供電因數(shù)計(jì)算模型一致[4。

2　深圳市地鐵對(duì)無功補(bǔ)償方案在地鐵供電系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

深圳地鐵一號(hào)線在進(jìn)線側(cè)存在5千米左右長度的110千伏電纜，其供電局考核點(diǎn)因此段電纜在輕負(fù)荷時(shí)致使無功倒送，出現(xiàn)功率因數(shù)較低的現(xiàn)象，而其地鐵負(fù)荷起點(diǎn)因主變壓器設(shè)計(jì)容量過高，也會(huì)對(duì)地鐵負(fù)荷構(gòu)成影響；另外，35千伏的電纜沿著地鐵線鋪設(shè)所造成的容性無功功率的倒送也不容忽視，為管理的方便，預(yù)期在一號(hào)線地鐵負(fù)荷的起點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償。

無功補(bǔ)償方案通常有集中式、分區(qū)集中式和分布式三種類型，結(jié)合不同的無功補(bǔ)償類型，確定以下補(bǔ)償方案：第一種是利用35千伏級(jí)別的靜止無功發(fā)生器，在35千伏電纜的起點(diǎn)位置進(jìn)行補(bǔ)償，此方案靜止無功發(fā)生器的電流較小，所以對(duì)散熱的要求較低，而且在運(yùn)行的過程中只會(huì)產(chǎn)生較低的噪音，但是在應(yīng)用此方案的過程中，要求在供電局考核點(diǎn)安裝功率監(jiān)視裝置，并將裝置獲取的數(shù)據(jù)以通信的方式不斷向35千伏電纜的起點(diǎn)進(jìn)行傳送，由靜止無功發(fā)生器對(duì)其進(jìn)行比較，由此構(gòu)成遠(yuǎn)距離閉環(huán)控制系統(tǒng)，但在此系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，靜止無功率發(fā)生器的響應(yīng)速度會(huì)明顯降低，另外，補(bǔ)償裝置的運(yùn)行也會(huì)因?yàn)橥ㄐ艑?duì)穩(wěn)定性的較強(qiáng)依賴而狀況不穩(wěn)定。第二種方案是利用10千伏級(jí)別的靜止無功發(fā)生器安裝在35千伏電纜的起點(diǎn)位置，并利用干式升壓變壓器將其與35千伏的母線連接進(jìn)行補(bǔ)償，此方案雖然也達(dá)到了無功補(bǔ)償?shù)哪康?，但是在運(yùn)行的過程中需要利用通信的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)無功功率的傳輸，傳輸?shù)姆€(wěn)定性和持續(xù)性都難以保證；第三種方案是直接對(duì)供電局考核點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償，這樣無功功率的近距離采集得到保證，其只需要對(duì)110千伏電纜地鐵方向的功率進(jìn)行檢測，無功誤補(bǔ)的現(xiàn)象可以得到有效的遏制，不僅對(duì)靜止無功發(fā)生器快速響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行最大化的挖掘利用，而且達(dá)到的無功補(bǔ)償效果也最理想，但在實(shí)際運(yùn)行中由于其安裝位置隸屬于供電部門范圍，所以維修、養(yǎng)護(hù)、管理等實(shí)際操作會(huì)受到一定的影響。

結(jié)合深圳市地鐵一號(hào)線的實(shí)際情況，選擇第一種方案對(duì)其進(jìn)行無功功率補(bǔ)償，在實(shí)際應(yīng)用的過程中其選擇的成套裝置的控制目標(biāo)應(yīng)確定為35千伏方向母線電壓，靜止無功發(fā)生器的補(bǔ)充容量應(yīng)滿足-3.5至3.5之間的無功連續(xù)可調(diào)，其對(duì)地鐵供電系統(tǒng)的電壓變化進(jìn)行實(shí)施的跟蹤，而且會(huì)隨著跟蹤結(jié)果的變化對(duì)無功輸出的實(shí)際值進(jìn)行連續(xù)的調(diào)節(jié)，由此對(duì)電壓的穩(wěn)定性做出貢獻(xiàn)，通常情況下，靜止無功功率器對(duì)電力系統(tǒng)電壓變化的響應(yīng)時(shí)間要控制在5毫秒以內(nèi)。短時(shí)間過載是成套裝置所允許的，成套裝置總?cè)萘康?5%左右為過載無功補(bǔ)償容量的大致范圍，在應(yīng)用方案1的過程中必須保證110千伏母線公共連接點(diǎn)處被注入的諧波的總畸變率在2%及其以下，其中奇次諧波電壓含有率必須在1.6%及其以下，偶次諧波電壓含有率必須在0.8%及其以下，電壓不平衡度必須保持在1.3%及其以下，電壓波動(dòng)必須在2%及其以下，當(dāng)補(bǔ)充容量滿足要求的情況下，使用本方案的深圳地鐵一號(hào)線的月平均功率因數(shù)應(yīng)該在0.95及其以上，補(bǔ)償效果較理想，具體優(yōu)化過程可結(jié)合深圳地鐵一號(hào)線在運(yùn)行過程中的實(shí)際情況逐漸進(jìn)行，提升地鐵的整體性能[5]。

在利用無功補(bǔ)償方案對(duì)地鐵供電系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整的過程中，需要注意站內(nèi)動(dòng)力及照明負(fù)荷的實(shí)際用電量受使用電機(jī)設(shè)備實(shí)際耗電程度和環(huán)控系統(tǒng)、照明系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行模式兩方面有關(guān)，所以在利用靜止無功功率器調(diào)節(jié)供電系統(tǒng)負(fù)荷時(shí)，必須綜合考慮無功功率相對(duì)穩(wěn)定的站內(nèi)照明和動(dòng)力負(fù)荷，以免因設(shè)計(jì)或采購等方面的失誤造成不必要的資本浪費(fèi)。

3　結(jié)論

通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段地鐵供電系統(tǒng)應(yīng)用無功補(bǔ)償方案具有必然性，這是地鐵持續(xù)安全運(yùn)行和城市供電系統(tǒng)穩(wěn)定的必然要求，而且通過時(shí)間里分析可見，無功補(bǔ)償方案在地鐵供電系統(tǒng)中的合理應(yīng)用，可有效緩解甚至消除城市供電網(wǎng)與地鐵供電系統(tǒng)之間矛盾，所以其推廣應(yīng)用具有一定的可靠性性。

參考文獻(xiàn)

[1]朱子棟.地鐵供電系統(tǒng)無功補(bǔ)償方案及補(bǔ)償容量的研究[J].變頻器世界,2014,11:45-47．

[2]鐘駿.淺議動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置SVG在地鐵供電系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].鐵道勘測與設(shè)計(jì),2009,03:84-86．

[3]王繼鋒.動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置SVG在地鐵供電系統(tǒng)的應(yīng)用探討[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2013,12:106-107．

[4]吳金泉.深圳地鐵供電系統(tǒng)無功補(bǔ)償方案研究[J].機(jī)電信息,2013,21:16-17．

[5]周方圓,黃燕艷,龍禮蘭,周靖,邱文俊.地鐵供電系統(tǒng)無功特性分析與補(bǔ)償設(shè)計(jì)[J].大功率變流技術(shù),2011,04:9-12+69．