城市軌道交通供電系統的無功補償方案研究*

王 敖

（中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308）

0 引言

現階段我國城軌交通直流牽引變電所的整流直流電源和動車牽引負荷、數量眾多的降壓變電所供電負荷，存在大量換流裝置等非線性電力設備。電網電流和電壓在運行過程中的波形產生了畸變[1]。經由傅里葉分析，最終波形是由基波與多種高次諧波組合形成。由于諧波電流在電網中產生阻抗壓降，使電網電壓也含有諧波成分而產生畸變，對用電設備造成不同程度的危害，進而威脅城市軌道交通的供電系統[2]。

軌道交通運營開始階段，供電系統中的感性負荷比較小，導致系統中的容性無功功率無法被中和掉，最終輸入至電力系統，造成電力系統電能質量下降。例如廣州地鐵電力系統存在大量無功功率返回的情況。這將影響電力系統的穩定性，也增加了運營成本。本文將通過對比提出高效供電系統無功補償方案，提高系統功率因數，增加供電系統穩定性并減少成本。

1 傳統無功補償方案

根據軌道交通負荷的特點，運營高峰階段需要對系統進行容性無功補償，而低峰時期則要用感性無功補償[3]。所以一種既能實現感性無功補償又能實現容性無功補償的裝置很必要，所以并聯電容無功補償不能滿足地鐵負荷的要求。通過結合地鐵供電系統負荷特點以及無功功率考核標準，有如下幾種合適的無功補償方法。

1.1 主變電所35kV母線設置并聯電抗器

由于電抗器的輸出容量無法調節，不便于控制，因此該方案不能滿足動態補償的要求。

1.2 主變電所35 kV母線設置新型靜止無功補償（SVC）裝置

該裝置主要由晶閘管閥組、35 kV相控電抗器、數字控制及保護系統及TCR故障自診斷系統組成，SVC還可以追蹤系統的有功、無功功率和功率因數變化，可以實時調節系統無功功率以提高主變電所的功率因數，但是SVC裝置本身也會產生諧波分量[4]。

1.3 主變電所35kV母線設置靜止無功發生器（SVG）裝置

靜止無功發生器（Static Var Generator）專指可通過自換相橋式變流器來進行動態無功補償的裝置。其概念在20世紀70年代被提出，但由于受到當時技術水平限制，采用強迫換相的晶閘管器件是實現自換相橋式電路的唯一方法。隨著科學技術的發展，IGBT可控元件技術已經成熟并可以代替普通晶閘管器件進行邏輯換相[5]。它可以根據系統無功功率因數實時輸出或吸收無功功率，使系統的功率因數維持在0.95以上。

1.3.1 SVG基本結構

SVG的基本原理是將自換相的橋式電路直接或通過電抗器并聯在電網中。可通過調節自換相橋式電路交流側輸入電壓的幅值、相位或直接調節輸入電流，該電路就能達到吸收或輸出無功功率的目的，以達到對系統進行無功補償的效果。

SVG分為電壓型橋式電路和電流型橋式電路兩個類型。前者直流側采用電容儲能，后者采用電感儲能。其中，電壓型橋式電路需要串聯上電抗器才能并網，而電流型橋式電路則需在交流側并聯上能吸收換相產生的過電壓電容器才可以并網。實際中，電壓型橋式電路的運行效率較高所以投入較多。本文所提到的動態無功補償方式都是采用電壓型電路。兩種電路基本結構分別如圖1、圖2所示。

圖1 電壓型三相橋式逆變電路

圖2 電流型三相橋式逆變電路

1.3.2 SVG工作原理

SVG正常工作時可把直流電壓轉換為與電網輸出電壓同頻率的交流電壓，類似于電壓型逆變器。因此考慮在基波頻率時，SVG可等效為一種可控幅值與相位的且與電網電壓同頻率的交流電壓源，并可以通過交流電抗器并聯到電網上。

SVG的工作原理如圖3～4所示（不計連接電抗器和變流器損耗）。

圖3 SVG單相等效電路

圖4 SVG向量

圖5 SVG運行模式

若考慮電抗器本身以及變流器的損耗（管壓降、電阻等），可將總損耗集中考慮為連接電抗器的電阻，則SVG等效電路圖如圖6所示。

圖6 SVG等效電路圖及向量圖（計及損耗）

對比于傳統SVC裝置存在的諧波問題，SVG裝置中可以采用PWM技術解決，消除低次諧波并削弱高次諧波電流到允許范圍內。而且SVG連接電網的電抗可以起到濾波作用過濾掉高次諧波，并且所需電感值沒有補償容量相同的TCR等SVC裝置所需電感值大。

2 利用中壓能饋型再生能吸收裝置的無功補償方案

雖然在理論上，SVG裝置能實時對高壓進線側功率因數動態補償，使系統功率因數接近于1。但是由于IGBT元件噪聲大、發熱高、價格高。PWM四象限變流器技術為系統無功補償提供了新的思路，該思路屬于分散補償。圖7所示為中壓能饋式再生能回饋裝置方案示意圖。

圖7 中壓能饋式再生能回饋裝置設置方案

目前國內的中壓逆變型再生能回饋裝置技術日趨成熟并且已經在地鐵供電系統牽引網掛網試運行，可進行列車再生能量回收再利用。PWM四象限變流器用于再生能裝置內部進行能量回饋，減小直流電壓紋波提高供電質量。所以可通過大功率PWM整流器功率因數調節特性實現分散式無功補償。PWM四象限變流器主電路原理圖與典型工況如圖8～9所示。由圖可知，可通過控制策略調節PWM四象限變流器的輸出電壓幅值相位來實現變電所交流電流相位控制，從而實現無功補償[5]。

圖8 PWM四象限變流器主電路原理

圖9 PWM四象限變流器的典型工況

三相電力電纜由于相間及相對地存在電容[6]，因此在正常或單相接地時，均有電容電流流過線路。當系統中牽引負荷、動力照明負荷等比較少的時候，此時供電系統由于電纜的充電無功效應，將產生大量無功功率輸送至電網，這將造成大量電力損耗，而使用中壓能饋式再生能裝置實現分布式無功補償能夠很好地解決此類情況。需特別指出的是，在線路運營初期，由于牽引及動力負荷（主要為感性）較小且環網電纜的充電無功作用顯著，導致再生能裝置內的PWM四象限變流器頻繁切換于容性與感性工作模式之間，使得實時監測牽引變電所內電壓與電流間相位關系顯得尤為重要[7]。因此，必須對變電所內的電壓幅值及相位進行實時精確檢測，并作為四象限變流器控制參照，實現牽引變電所的電源進線電流與電網電壓間相位同步，使功率因數得到提升。

因此，城市軌道交通的供電系統可利用全線牽引變電所內配備的中壓能饋型（PWM四象限變流器）的再生能裝置對車輛再生的電能加以吸收，并且可將過剩的容量對系統進行無功補償。

3 呼和浩特市城市軌道交通2號線一期工程供電系統的無功補償容量計算分析

本工程供電系統采用集中供電方式，在全線設置2座主變電所，在35 kV供電系統采用分區供電，在相鄰的幾個車站之前設置一個由環網電纜構成的供電分區，主變電所向處在各分區的第一個車站供電，位于分區內的其他變電所可串聯獲得電源。本線設置了4個供電分區，在呼和浩特站設置環網聯絡開關。容性無功計算如下。

3.1 主變電所參數

本項目2座主變電所參數如表1所示。

表1 主變電所參數

3.2 環網電纜參數

環網電纜參數如表2所示。

表2 環網電纜參數

3.3 計算說明

（1）本次計算主要計算系統運行中最大容性無功需求量，因此選取夜間地鐵停運時容性無功最大感性無功最小時進行計算。

（2）由于電纜廠家提供的電纜電容參數不統一，導致結果存在一定的差異。

（3）本次計算未考慮主變電和降壓變、牽引變的感性阻抗影響。

3.4 分段計算無功補償量

各分區無功補償量如表3所示。

3.5 容性無功補償容量

阿爾山路、錫林公園、諾和木勒、新華廣場牽引變電所的中壓能饋裝置對水上公園變電所進行補償；內蒙古體育場、成吉思汗廣場、一家村、新城圖書館、塔利東路牽引變電所的中壓能饋裝置對成吉思汗廣場主所進行補償。

其中喇嘛營安裝為電容儲能裝置，因此不進行無功補償，其無功補償量由相鄰牽引所考慮。

表3 各分區無功補償量

綜合以后補償量計算，利用再生能補償無功時，要求每臺再生能吸收裝置的無功補償容量為0.9 Mvar（不考慮解列情況下）。

4 列車再生制動回饋方案

4.1 列車再生制動能量吸收的意義與必要性

地鐵是一種密度大、運量高的交通方式，其特點是站間距離較短，啟停較為頻繁。目前列車普遍采用VVVF動車組，其制動一般為電制動（再生制動、電阻制動）和空氣制動兩級制動，運行中以再生制動和電阻制動為主，空氣制動為輔[7]。此種制動方式使得部分再生能量不容易被臨近的列車吸收，浪費電能，而且散發的大量熱量還會聚集在隧道內，增加隱患。

由以上特點分析可以看出，軌道交通的諸多特點對車輛是否能夠最大限度地利用再生制動，減少空氣制動頻率有很大影響。目前節能減排已成為國家的一項基本國策，尤其是目前軌道交通列車普遍應用VVVF技術，若在變電所內設置再生能量吸收裝置能夠使列車最大限度使用再生制動，這樣使得能量利用率得到提升，增加供電系統穩定性并降低污染。

4.2 再生能量吸收技術發展現狀

為了達成目的，一般可在牽引變電所的直流母線上設置再生能量吸收裝置，其主要工作原理是當牽引網壓上升到一定程度時，再生能量吸收裝置投入工作，吸收掉多余的再生電流，維持車輛再生電流穩定，以最大限度地發揮再生制動性能。以北京地鐵10號線二期工程為例，現場測試結果如圖10～11所示。

圖10 能饋裝置未投入時列車直流電壓、電流與速度曲線

圖11 能饋裝置投入后列車直流電壓、電流與速度曲線

國內如天津地鐵1號線、重慶輕軌等均采用了再生能量吸收裝置。

4.3 呼和浩特市城市軌道交通2號線一期工程供電系統的再生能量吸收方案

再生能量逆變技術在國內正處于發展高峰，逆變+電阻型再生能量吸收設備已在重慶輕軌1號線及3號線運行，經北京地鐵9號線科研方測試驗證，裝置運行穩定，節能效果良好。中壓能饋型裝置與電容儲能型裝置是目前再生電能利用技術的最新發展方向，目前中壓能饋裝置已在國內很多軌道交通工程進行應用，如北京地鐵15號線一期工程西段等線路，設備性能穩定，經測試，節能效果良好；對于電容型再生吸收裝置，國內已生產出超級電容器，擁有壽命相對較長、節能環保并能快速充放電功能的特點，基本上可以滿足對于城市軌道交通中產生的再生能量吸收的需要，目前如株洲機車廠和湖南恒信等廠商對電容型再生能量吸收裝置樣機進行生產和試驗、試掛。

綜上所述，中壓能饋型和儲能型代表了再生電能利用技術的發展方向，目前國內中壓能饋型裝置技術及設備制造工藝已成熟，電容儲能型裝置也已基本成熟，但需要更多的工程實踐和驗證，同時應結合運營實測數據對方案及裝置進行不斷的改善。而再生能量吸收裝置的設置方案將直接影響牽引變電所面積、環控設備配備、車輛的制動電阻配備、工程投資等問題。

因此，本工程在正線牽引變電所車站設置中壓能饋型再生電能吸收裝置，其中喇嘛營站采用儲能型再生電能吸收裝置，對儲能型再生能吸收利用技術進行工程實踐、驗證。同時考慮車輛段試車線要求全工況進行試車，因此從節約成本考慮，在車輛段設置電阻型制動電能消耗裝置。

4.4 中壓能饋型與電容儲能型共同作用對供電系統影響分析

本工程正線部分共設置11座牽引變電所，其中10座牽引變電所內設置中壓能饋式再生能利用裝置，1座牽引變電所內設置超級電容式再生能利用裝置。由于中壓能饋裝置將電能回饋至35 kV中壓母線供系統內牽引及動照負荷利用，而超級電容將吸收的再生能量儲存，并回饋至1 500 V接觸網供列車牽引使用，因此兩種再生能裝置彼此間并無沖突，能夠保證供電系統安全可靠運行，并最大程度上利用再生電能，降低運營成本。采用再生能量利用裝置后能平抑接觸網電壓波動，更有利于地鐵列車運行。

5 結束語

本文通過分析比較了在主變電所35 kV母線設置并聯電抗器、SVC、SVG以及利用中壓能饋型再生能吸收裝置等無功補償方案，根據地鐵負荷的特性以及需要對變電所內的電壓幅值及相位進行實時精確檢測，實現牽引變電所的電源進線電流與電網電壓間相位同步，所以中壓能饋式再生能裝置可以用來實現分布式無功補償。

通過分析對比各種再生能量吸收技術并結合發展現狀，本工程采用全線牽引變電所內配備的中壓能饋型（PWM四象限變流器）的再生能裝置，可對城市軌道交通列車產生的再生電能進行吸收，并利用其多余的容量對系統進行無功補償，同時在其中一座牽引變電所設置超級電容式再生能利用裝置，以最大程度地利用能源、降低成本，為城市軌道交通供電系統的穩定性與高效性提供了新思路。