地鐵供電系統無功補償設計及應用

馬俊杰，吳　畏（成都地鐵運營有限公司，四川成都610081）

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地鐵供電系統無功補償設計及應用

馬俊杰，吳畏（成都地鐵運營有限公司，四川成都610081）

本文對地鐵牽引供電系統的主要負荷無功特性進行了分析，建立了等值電路模型，給出了一個合理的補償容量計算依據及補償方案。以國內某地鐵工程為例，對該裝置的無功輸出容量、動態無功跟隨能力以及諧波補償效果進行了仿真驗證?，F場實測波形和主要指標結果表明，該方案補償效果顯著，提高了系統的功率因數，且能很好地抑制電壓波動，保證了地鐵供電系統的高效可靠運行。

地鐵供電系統；無功功率；諧波；動態補償；功率因數

引言

城市軌道交通作為公用電網負載，除了采用了大功率整流電路作為列車牽引動力，其動力照明系統中也存在大量電機拖動（電梯、冷水機組、風機等）等非線性負載，導致供電系統中的大量低壓供電設備及長電纜線路充電無功較大；且地鐵運行方式的特殊性（自身供電系統存在高峰、低谷）導致其為不對稱負荷，帶來一系列電能質量問題，因功率因數過低而額外支付大量功率因數調整電費的現象日漸突出［1-2］。

為解決地鐵供電系統的無功倒送、降低電壓波動、消除諧波并提高系統的功率因數指標，選用一種合理的補償方式尤其重要?？紤]到地鐵供電系統的特殊性，本文采用SVG+電抗器的補償方案，其中SVG的容性感性可靈活切換、響應速度快、損耗小且占地面積小，電抗器可進行固定補償。所以此方案更適應于地鐵供電系統的無功補償，具有較好的補償特性及較高的性價比。

1　地鐵負荷無功特性

1.1等值電路模型

為便于地鐵供電系統無功特性的分析，其主要部件包括110kV進線電纜、主變電站變壓器、35kV連接電纜以及牽引、動力照明設備等負荷（視在功率S=P+jQ）分別用等值電路模型代替。由于外部電源容量遠大于負荷端容量，故在分析過程中假設外部電源電壓恒定且不受負荷端電壓和負荷量的影響。將兩端電網在變電站處進行等值處理，得到地鐵供電系統的電路模型如圖1所示。輸電線路用π型等值電路表示，變壓器勵磁支路以導納形式表示。其中R、X、B和G分別為等效電阻、電感、電納和電導。

圖1　地鐵供電系統等效電路模型圖

1.2負荷無功計算

無功補償裝置容量若設置不當，則可能在地鐵負荷變化的過程中，導致系統向電網輸出的無功功率時而呈感性、時而呈容性，在二者之間頻繁變化，因此必須合理計算。

（1）輸電線路無功計算

電纜產生的無功功率包括線路串聯電抗中的無功損耗QS和線路電容的充電無功功率QC。電纜對地電納B=Bol（其中Bo為單位長度電纜對地電納，l為電纜長度），故其充電無功功率和電纜長度成正比。當電纜的長度和電壓固定時，QC也固定，由此可得：

式中：U35-35kV電纜的平均電壓；U110-110kV電纜的平均電壓；I35-35kV電纜電流；I110-110kV電纜電流；X35-35kV電纜的電感；X110-110kV電纜的電感。通常電纜的充電無功都遠大于線路的無功損耗，即QC＞＞QS，故可省略QS不計，將輸電線路視為無功電源。

（2）變壓器無功計算

變壓器等值電路參數計算如式（3）所示，式中SN為變壓器的額定視在功率 （kVA），UN為變壓器的額定電壓（kV），△Ps為變壓器額定電壓下的短路損耗 （kW），△P0為變壓器的空載損耗（kW），I0%為變壓器的空載電流，Uk%為變壓器的短路電壓。

變壓器的無功損耗QLT分為勵磁支路損耗△Qo和繞組漏抗中損耗△QT兩種，其中勵磁支路損耗百分值基本等于空載電流 Io%，約為1～2%；繞組漏抗中損耗的百分值，在變壓器滿載時，基本等于短路電壓Uk%。勵磁功率大致與電壓平方成正比；當通過變壓器的視在功率不變時，漏抗中損耗的無功功率與電壓平方成正比。變壓器的無功損耗計算如下：

因此，無功補償裝置設計容量=110kV電纜充電無功+ 35kV電纜充電無功-變壓器空載無功。

2　無功補償方案設計

2.1工程案例

以某地鐵工程為例，如圖2所示：線路正線全長約18.517km，共設置17座車站、1座車輛段、1處控制中心，2座110/35kV主變電所（1#和2#），共設置6個供電分區，僅考慮一期工程。每座主變電所引入2回110kV進線電源，單母線分段接線。

根據該工程的現場參數，可計算1#主變電所正常運行時35kVⅠ段母線無功功率補償范圍為-2309～+4538kVar，35kVⅡ段母線無功功率補償范圍為-4863～+2085kVar；2#處主變電所正常運行時35kVⅠ段母線無功功率補償范圍為-3141～+ 3521kVar，35kVⅡ段母線無功功率補償范圍為-1056～+ 5515kVar。

考慮到110kV電纜的充電無功基本恒定，為了使得電纜充電無功基本平衡，且取得較優的經濟效益，無功補償方案采用SVG（動態補償部分）+并聯電抗器（固定補償部分）相結合。SVG實現從額定感性容量到額定容性容量連續可調，并聯電抗器進行固定補償，可保證地鐵系統在夜間低負載運行以及白天達到最大負載運行工況下的高功率因數要求。

鑒于工程計算與實際運行情況可能存在一定偏差，且本工程2座主變電所將來最終供電范圍及運行模式尚不確定，本次設計在選擇無功功率補償裝置容量時將考慮感性無功功率輸出范圍預留10%的裕量，SVG+并聯電抗器容量配置具體如表1所示。

圖2　某地鐵某號線供電系統圖

表1　無功補償裝置容量分配

2.2SVG仿真分析

本文設計的系統主電路采用鏈式串聯結構，星型連接。每相由11個相同的功率模塊組成，采用10+1式的冗余設計。SVG采用單極倍頻載波移相調制方式（CPS-SPWM）及電壓外環、電流內環雙閉環控制策略，可實現恒功率因數、恒電壓、恒無功功率和負荷補償四種運行模式。

為了驗證該方案，搭建基于CPS-SPWM技術的級聯多電平逆變器的SVG仿真模型。仿真系統參數為：電網電壓為10kV，頻率50Hz，容量為4000kVar；變壓器連接方式為Dyn11，原邊側電壓為36.5kV，容量為4000kVA，短路阻抗為12%；SVG單個模塊直流側電容為4000μF，開關器件選用理想IGBT，直流側電壓參考值為850V，器件開關頻率為500Hz。仿真結果如圖3所示。

圖3　SVG仿真波形

由圖3（a）和（b）可知，在SVG投入運行后，A相輸出電壓波形趨近正弦波，峰值達到10kV；在不加任何濾波情況下，低次諧波含量非常少；輸出電流非常平滑。由電壓電流波形可看出二者的相位關系，從電網注入SVG裝置的電流超前裝置的輸出電壓，SVG工作在容性工況，補償電網側的感性無功。圖（c）、（d）中，無功電流iq跟隨其指令參考電流iqref特性好，穩定后無靜差；功率因數由補償前的0.85提高至1，補償效果顯著；驗證了本文所采用控制方法的可行性與有效性。

2.3實際運行效果分析

在1#、2#主變電所I段和II段母線上安裝設計容量的SVG+并聯電抗器，以110kV進線無功功率計35kV母線電壓作為控制目標。為了驗證SVG裝置的無功輸出容量、動態無功跟隨以及諧波補償能力，可分別在負載特性為容性（晚上）和感性（白天）時進行測試，記錄補償前后的功率因數、無功補償量、SVG輸出電流、110kV諧波含量等數據。本文以1#變電所I段母線安裝所需容量裝置為例，測試時間為00：30，測得的SVG輸出電流波形及母線側電壓波形如圖4所示。

圖4　現場試驗波形

實驗測得地鐵供電系統的電壓波動由補償前的2.8%降為0.4%，最大的無功倒送量降為2800kVar，平均功率因數提高至0.98以上。

由以上數據可以看出本文所設計的補償方案很好地解決了電纜充電無功引起的電壓波動、無功倒送等各種電能質量問題，提高了地鐵供電系統的可靠性，避免因功率因數過低產生罰款。

3　結語

針對地鐵供電系統負荷無功特性，本文提供了一個合理的補償容量計算依據及補償方案，利用PSCAD軟件進行仿真驗證，再將其應用在實際工程項目中，得如下結論：

（1）采用SVG（動態補償部分）+并聯電抗器（固定補償部分）相結合的無功補償方案進行地鐵供電系統的無功補償，裝置容量分配合理，在保證系統高功率因數運行的前提下，經濟性好；

（2）基于SVG裝置能在額定輸出容量范圍內實現動態連續可調、輸出特性好、響應速度快、損耗低等特點，且完全能滿足地鐵供電系統負荷變化較大的情況；可將其推廣應用至電力系統、鋼鐵、煤礦、港口以及新能源等領域。

［1］譚復興，高偉君，等.城市軌道交通系統概論［M］.北京：中國水利水電出版社，2007.

［2］于松偉，楊興山，韓連祥，張 巍，等.城市軌道交通供電系統設計原理與應用成都［M］.成都：西南交通大學出版社，2008.

［3］魯 楠.地鐵主變電所功率因數偏低情況及改善措施研究［J］.城市建設，2010，6：363～364.

吳 畏（1983-），工程師，本科，主要從事軌道交通供電系統方面的工作。

馬俊杰（1981-），工程師，本科，主要從事地鐵供電系統繼電保護方面的工作。

TM714.3

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2095-2066（2016）10-0017-02

2016-3-12