地鐵低壓配電系統不平衡補償研究

周健

摘要：在軌道交通建設的快速發展，三相四線配電系統中存在大量的單相負荷，一般在電氣設計之初通過對配置各相負載插座等方式來平衡三相負載，但由于單相負荷使用的隨機性等因素，會使得車站負荷三相不平衡問題嚴重，由此產生的不平衡電流，迫切需要進行不平衡補償，將三相負荷產生的不平衡電流平衡化，以降低對電網和用戶的危害。

關鍵詞：地鐵；低壓配電系統；不平衡補償

1地鐵低壓配電系統簡介

地鐵的低壓配電系統即為地鐵車站內的低壓負荷提供電力的系統，為動力負荷提供電力的為動力系統，為地鐵站照明提供電力的為照明系統。地鐵站點的負荷可以按照對電力的重要性分為三個等級：一級負荷用電可靠性要求較高，如專用通信設備、信號設備、應急照明設備、消防泵、廢水泵、雨水泵、火災自動報警系統設備等；二級負荷較為重要，一般高擴非消防疏散用自動扶梯、電梯、乘客信息系統、一般照明系統等；三級負荷相對來說重要性較低，在進行地鐵低壓配電系統的設計優化時，應當對各類負荷的要求掌握清楚，以保障突發情況時的用電正常。

2不平衡補償原理

圖1所示為三相四線制不平衡負荷無功補償原理圖，右側所接為三相負載。通常情況下，Y形連接的補償網絡可對系統的零序電流進行補償最終使三相四線的配電系統中線中的電流與各相電壓同相位。△形連接的補償網絡由于其連接方式，能在補償負序電流的同時不產生零序電流，因此將Y形連接的補償網絡和△形連接的補償網絡進行結合，就能使三相四線制系統達到真正的三相平衡。

圖1 不平衡負荷無功補償原理圖

假設系統三相電壓完全對稱，利用對稱分量法進行分析，取電流的正序、負序、零序分量分別為I1，I2，I0，可以推導出零序電流補償網絡及負序電流補償網絡中電流的各序分量。由于△型負序電流補償網絡對于線電流不產生零序分量，則有：

在此基礎上，再補充一個目標方程即可確定方程組的解。

在本文中，按無功容量最小建立補償無功功率的平方和目標函數為：

（4）

為使無功功率最小，則需：dF/dBYa=0。得到所需補償功率為：

（5）

式中PLa，PLb，PLc，QLa，QLb，QLc分別表示A、B、C三相負荷的基波有功功率和基波無功功率，可以通過功率變送器快速得出，從而在負荷發生變化時方便地計算出新的無功補償值，從而實現動態負荷的動態補償。

3不平衡補償方案研究

靜止無功補償器SVC被廣泛應用于配電系統電壓調整、改善功率因素等。固定電容器加可控電抗器（FC+CR）是最典型的SVC補償裝置，其中FC電路用來補償系統需要的容性無功，可控電抗器CR用來動態補償系統需要的感性無功，進而實現無功的動態補償。

磁閥式可控電抗器MCR正是一種基于鐵芯磁飽和工作原理的電氣設備。在接入交流系統中之后，通過控制MCR晶閘管導通角改變勵磁繞組中直流電流的大小，就能連續的調節電抗器中鐵芯的磁導率，進而調節電抗器無功容量。由于磁閥式可控電抗器的特殊小截面結構，同TCR相比，MCR在很多方面具有明顯優勢。它具有較小的諧波，近似線性的伏安特性，結構簡單，調節范圍廣等優點。因而在本文中研究可采用磁控式無功補償方案（FC+MCR）在理論分析的基礎上，利用MATLAB進行無功補償仿真分析，基于容量最優對稱分量法補償原理，計算得到所需的補償容量，通過控制電抗器導通角及固定電容器的投入，可以得到補償前后三相電流的仿真波形。

由仿真波形可以看出，在補償前三相電流的幅值和相位都不平衡，補償前的零線電流的幅值大概有35A；而在基于容量最優的對稱分量法補償后，其三相電流的幅值和相位幾乎都達到了平衡，零線電流幅值不超過4A，因此驗證了該補償方法能很好的補償系統的三相電流不平衡。

在仿真分析的基礎上，結合相應結構及控制原理，研究相關的不平衡補償裝置控制策略。在設計補償裝置時，需先首先結合補償系統的原理結構，選用合適容量的補償器件，并配以相應的控制系統，實現裝置的不平衡補償功能。

基于MCR的MSVC是將FC與MCR進行結合的一種無功補償方法。其中FC電路用來補償系統需要的容性無功，MCR用來補償系統需要的感性無功。在低壓配電系統中，可使用多個小容量的電容器分組進行投切的模式來提供容性無功，將電容與可控電感一起串聯投入到系統中，這樣不僅可以對單相某次諧波電流進行濾波的作用，還能減小電容器透切時的沖擊電流，從而保護電容器組。分組投切的電容器組在進行投切時將會對系統產生一定的沖擊。因此，需要對電容器組的投切順序和MCR的投入量的控制策略進行研究。

以零序補償網絡的A相為例，假設零序補償網絡A相需要提供的無功功率為Q。將電容器分兩組進行投切，在提供容性無功的同時兼做3次和5次單調諧濾波器的作用。設3次電容器組投入時K1=1，其能夠提供的容性無功為QC1，5次電容器組投入時K2=1，其能夠提供的容性無功為QC2，MCR能夠提供的最大感性無功為-QMmax，MCR實際需要提供的感性無功為-QM。根據以上分析的補償原理和補償原則，最終零序補償網絡A相需要提供的無功補償量的控制策略為：

當Q≤-QMmax，則K1=0，K2=0，-QM=-QMmax；

當-QMmax

當0

若QC1

若Q>（QC1+QC2），則K1=1，K2=1，-QM=0。

其他各相的零序及負序補償策略與上述相似，通過控制系統實時調節可控電抗器容量及電容器透切，即可較為穩定的實現系統的不平衡補償。

結束語

（1）本文提出一種基于對稱分量法的不平衡補償方案，可以有效地補償三相四線制配電系統的電流不平衡狀況。（2）提出采用FC+MCR的動態無功補償方案，來實現可靠的不平衡補償，并針對該補償方案的控制策略進行了相應的研究分析。

參考文獻

[1]張園園.杭州地鐵四號線楊家墩站動力配電設計[D].華南理工大學，2016.