城市轨道交通供电无功补偿设备安装及容量确定

耿 亮 虞苍璧 刘宝诚

（荣信电力电子股份公司，辽宁 鞍山 114051）

城市轨道交通供电负荷主要为机车动力和车站通风装置及照明等，供电回路以电缆为主，与其他供电系统相比，具有特殊性。研究轨道交通供电系统的电能质量特点及相应的治理措施，对提高供电的可靠性具有十分重要的意义。

1 轨道交通供电问题和无功补偿

中国绝大部分城市轨道交通供电系统采用集中供电制式，由地方变电站提供两回路110 kV 高压交流电源，接入专用主变电站后，通过站内主变压器变换为35kV 或10kV 电压向各个车站的降压变电所和牵引变电所供电。对国内已运营的城市轨道交通供电系统的现场测试结果表明，在供电系统中存在较严重的无功损耗问题。

轨道交通供电系统中有数量较多的变压器、电缆、机车动力负荷。根据这些设备的等效电路模型[1]，变压器和机车负荷运行时消耗大量的感性无功功率，电缆则是容性无功功率（充电功率）。在日常机车运行时，需要进行感性无功功率补偿。夜间停运阶段负荷较低时，电缆的充电容性无功功率大于系统消耗的感性无功功率，供电系统的无功功率呈容性，功率因数较低，需要进行容性无功功率补偿，以提高系统的功率因数。此外，机车运行的非连续性使得无功补偿呈现动态化。

轨道交通用户的自然总平均功率因数较低，并存在不同时段系统无功性质不同的情况，因此必须安装无功功率补偿设备，以满足供电部门的要求。提高功率因数对于提高设备利用率、降低网损和改善电压质量有益，但是装配无功补偿装置不仅增加了供配电设备初期的投资成本，而且还需要日常的运营维护成本。因此，从技术经济角度考虑，需要合理确定无功补偿技术方案和无功补偿容量。

2 无功补偿设备选择及安装方式

无功功率的平衡程度直接影响着电网电压的稳定程度[2]，宜采用就地补偿原则。根据《民用建筑电气设计规范》（JGJ/T 16-92），轨道交通属于高压电力用户，计费在110kV 侧，系统功率因数应补偿到0.9 以上[3]。

2.1 设备选择

目前采用的无功补偿设备主要有：并联电容器（电抗器），SVC、SVG 等。考虑轨道交通的实际情况，宜采用SVG 设备进行无功补偿。图1给出了不计及损耗的SVG 等效电路及相量图。

与其他补偿设备相比，SVG 优势明显。

1）占地面积小。轨道交通变电站因城市用地紧张而成本增加较高，SVG 设备占地面积较小，可减小变电站征地费用和土建造价。

2）运行范围宽。一套SVG 设备就可做到即补偿感性无功又补偿容性无功，所发出的无功电流不受电网电压影响，补偿效果稳定。

3）响应时间快。SVG 响应时间通常约5ms，城市轨道交通供电系统的无功负荷为频繁波动的负荷，更快的响应时间可以取得更好的补偿效果。

4）不产生谐波。SVG 采用正弦脉宽调制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）技术以及多个功率单元的适当连接，不会产生谐波注入供电系统，避免造成谐波污染。

5）不产生系统串、并联谐振。SVG 中不含有大容量的电抗器或电容器，避免了在特定频率下发生谐振的可能性，设备和系统运行更加可靠。

2.2 安装方式

根据轨道交通的供电方式[4]，可以采用如图2所示的集中式补偿、分区集中式补偿和分布式补偿3 种方案。

考虑轨道交通供电系统中需要补偿大量的电缆无功，采用分布式参数对地铁中电缆两端的电压变化进行计算。

以长10km 电缆线为例，分布式参数等效电路见图3。其中，各电气参数取为：R0=78 mΩ，L0=0.1725 H,C0=66.85μF，由分布式参数计算公式可知

图3 电缆分布式参数示意图

当电缆长度较短时，电缆末端电压与始端电压基本相同，约差万分之五，两端的电能质量情况非常接近，此时在电缆的任一端进行补偿，效果相差不大。轨道交通内变电所之间距离一般1～3km，分区之间距离大约5～6km，如果一台变压器发生故障，那么两端最长电气距离小于15km。分布式补偿、分区集中补偿和集中式补偿三者总体效果相差无几，采用任一种方式均能满足要求。

从经济性角度考核，安装无功补偿系统，不仅要考虑补偿装置本身的投入，还需要考虑工程土建费用以及城市土地费用等。城市轨道交通供电系统所建设的变电站均处于城市中心地带，在建设中需要较高的城市土地费用和土建施工费用；设备投入运行后亦需要较高的设备维护费用和人员费用。采用集中补偿方式安装SVG 设备，可有效的减少占地面积，降低施工费用。同时，设备数量少也会降低设备后期的维护和人员费用。

采用3 种补偿方式效果接近，集中式补偿在经济性上优于其他两种补偿方式，因此，推荐集中式补偿方式用于城市轨道交通供电系统中的无功功率补偿。

3 补偿容量计算

3.1 参数

在轨道交通供电系统中，在确定无功补偿容量时，需要对电缆、变压器、机车动力和通风照明等不同类型设备的有功功率和无功功率分别进行计算[4-3]。其中，计算所需要的设备资料包括：①电缆的长度和单位长度的电气参数；②变压器的额定参数和不同运行情况下负载率；③机车负荷的额定功率和功率因数；④通风照明负荷的额定功率和功率因数。

轨道交通供电系统中可产生充电无功的电缆包括110kV 电缆、35 kV 电缆和400V 电缆；变压器包括主变压器、牵引变压器和动力变压器。

轨道交通供电系统在夜间处于低载状态，白天高峰时刻则为满载状态，其他时间段则处于这两种情况之间。因此，应当计算出低载状态和满载状态时相应的有功功率和无功功率，并按照将功率因数补偿到0.9 以上确定无功补偿设备的容量。

3.2 算例

根据国内某城市轨道交通供电系统的资料，利用各类设备参数，可以得到该供电系统中主变电站相关功率情况见表1。

表1 主变电站功率计算结果和功率 因数补偿到0.95 需要的容量

由表1可知，在低载时确定的补偿容量可以保证在满载时将站内的无功功率进行补偿。

由于主变电站为单母线分段结构，且2 条母线所带负荷容量基本相同，因此需要在1#主变电站安装2 套SVG 设备，考虑一定的余量，每套设备容量可选为9Mvar；在2#主变电站安装2 套SVG 设备，考虑一定的余量，每套设备容量可选为5.5Mvar。

4 经济效益分析

4.1 直接经济效益

无功补偿的直接经济效益体现在节能及减排上。根据相关的计算和实验[6]，可得出无功功率与有功功率之间的关系：在系统中每投入1kVar 无功功率，在发电厂的直配电路中节约有功功率为0.02～0.04kW，在二级变压供电时节约有功功率为0.05～0.07kW，在三级变压供电时节约有功功率为0.08～0.09kW。

如果2 套SVG 均投入使用，无功经济当量取0.06，1#和2#两个主变电站年节约有功功率分别为：

计算减排的CO2量时，煤质和燃烧效率不同其转换系数不同。通常每kW·h 约排放1kg 的CO2。两个主变电站年减排 CO2量为：Tj1=7465t；Tj2=4562t。

4.2 间接经济效益

间接经济效益体现在提高供电系统电能质量等方面。

1）降低系统电压波动，提高电能质量。投入的SVG 具有自动调节作用，在系统电压较高时输出很小容性无功功率，在系统电压较低时输出最大容性无功功率，使35 kV 母线电压的波动范围小于0.3%。

2）快速电压支撑。SVG 具有快速响应能力，在系统出现电压跌落时，能够迅速支撑系统电压，避免轨道交通内部因系统较轻的短路故障发生停运，同时保障周围用户不至于因电压的瞬间跌落造成跳闸停产，减少损失。

3）提高功率因数。轨道交通负荷变动很大，而在停运期间，存在电缆的充电无功功率倒送问题，使得轨道交通供电系统在一天的很多时刻处于功率因数低状态。SVG 的投入保证了供电系统功率因数维持在较高水平，从而减少了因功率因数过低而造成的损失。

4）减小谐波含量。轨道交通供电系统电能中存在较多谐波。SVG 可在补偿无功功率的同时兼顾谐波滤除作用，显著降低了供电的谐波含量，将谐波对用电设备的损伤降至最低。

5 结论

轨道交通供电系统由于其特殊性，存在较严重的无功功率问题，通过采用集中补偿的方式安装SVG 设备，可对无功功率问题起到较好的治理效果，从而提高供电可靠性，改善电能质量[7]，获得较好的直接和间接经济效益。

[1] 程浩忠.电力系统无功与电压稳定性[M].北京:中国电力出版社，2004:168-170.

[2] TJE 米勒.电力系统无功功率控制[M].胡国根 译.北京:水利电力出版社，1990:420-429.

[3] 李鲲鹏,吴柳青.地铁供电系统无功补偿方案[J].低压电器,2006(2):41-46.

[4] 郭其一,周桂法,周巧莲,毛中亚.城市轨道交通系统混合滤波器的设计及仿真[J].同济大学学报(自然科学版)2009,37(3): 339-343.

[5] 李昕,陈智芳.轨道交通谐波的管理[J].上海电力,2006(1):94-97.

[6] 段立新.动态无功补偿装置在地铁主变电所的应用研究[J].低压电器,2009(12):53-56.

[7] 马晓蕾.基于MCR 的牵引系统电能质量综合治理研究[D].北京:华北电力大学,2009.