城市轨道交通新型无功补偿方案研究

赵帅帅 贾琨

【摘 要】城市轨道交通供电系统存在较严重的无功功率问题，针对杭州地铁2号线，根据不同时段系统产生的无功性质不同，主要从安装无功补偿装置的必要性、无功补偿的方案选择、无功补偿装置的选型、无功补偿装置的容量等进行了研究，提出采用磁控电抗器（MCR）集中补偿+有源滤波（APF）分散补偿的方式是一套比较适合杭州地铁2号线的无功补偿方案。

【关键词】城市轨道交通 MCR APF 组合式无功补偿 容性无功

1 轨道交通供电系统构成

1.1 外部供电系统

由市电力公司所属变电站、供电网络至轨道交通受电变电所组成。

1.2 轨道交通供电系统

由受电主变电所、供电网络、牵引、降压变电所、电力监控、接触网、车站及区间动力照明、杂散电流防护、防雷设施和接地系统等组成。

2轨道交通供电系统无功功率新情况

2.1 轨道交通负荷：牵引负荷和动力照明负荷两类

（1）牵引负荷功率因数较高，0.95以上。（2）车站动力照明系统，存在一定量感性负荷，例如环控设备、给排水设备、自动扶梯、照明等设备。

2.2 车站动力照明负荷新特征

（1）车站照明系统：采用电子镇流器节能灯或LED照明，照明系统功率因数已达0.9以上。（2）车站动力配电系统：车站通风空调设备、电扶梯，因节能需要，采用了较多的变频设备，动力负荷功率因数与传统方式相比，已由原来的0.7左右提高到0.9以上。各降压变电所0.4kV侧设置自动投切电容补偿装置，已无法投用，容性无功的补偿已无必要。在低压侧采用谐波治理APF同时输出感性无功的必要性较为突出。

2.3 通常情况下，电路中的容性无功功率可以抵消部分或全部感性无功功率，进而提高功率因数。但当容性无功功率大于感性无功功率时，将向上一级电路返送容性无功功率

轨道交通网络一般位于市区内，多采用中压电缆供电替代架空线路。从110kV主变电所至沿线各牵引降压所采用几百km的35kV电缆连接，电缆规格主要有：95mm2、120mm2、150mm2、185mm2 、240mm2、300mm2等。35kV电缆存在分布电容，其充电功率：60～80kvar/km。在主变电所每段35kV母线侧将有几兆千乏的容性无功存在，每天产生大量容性无功电度。

3杭州地铁2号线供电系统概述

3.1 工程概况

杭州地铁2号线一期工程（东南段）供电系统采用110/35kV两级电压集中供电方式，设置铁建益主变电所一座。铁建益主变电所从城市电网引入两回110kV进线电源，降压为35kV后由35kV中压通过地铁环网系统将电能分配至每一个车站和车辆段内的牵引变电所和降压变电所。

铁建益主变电所正常供电范围为朝阳站～钱江路站，共包含13座车站、1座车辆段，共设置4个供电分区。

3.2本工程供电系统无功功率分析

根据杭州情况，对杭州地铁2号线各期不同时段总功率因数进行估算如下：

主变电所110kV本侧在运营各期高峰小时时段的总功率因数估算结果见表1、2、3

当建设一路主变电所在运营各期高峰小时时段，均不向电力系统返送无功，功率因数处于0.90～1.00的优质区间。

当建设一路主变电所供电负荷位于低谷时段时，均向电力系统返送容性无功。由于建设一路主变电所110kV进线电源路径较短，110kV进线电缆产生的容性无功对系统的总功率因数影响较小。

为使地铁供电系统不向电力系统返送容性无功以避免罚款，且使功率因数处于优质区间，推荐建设一路主变电所设置无功功率补偿装置。

4无功功率补偿方式及装置选择

4.1 无功功率补偿方式

无功功率补偿技术经过数十年的发展，产生了种类繁多的无功功率补偿装置。从补偿方式上可以分为静态无功功率补偿和动态无功功率补偿两类。

4.1.1动态静止无功功率补偿装置

动态静止无功功率补偿装置是指其主要部件无运动部分，其输出能及时快速做出变化，以达到设计的各种控制目标的无功功率补偿装置。目前，动态静止无功功率补偿装置的种类很丰富，主要包括相控电抗器、磁控电抗器、静止无功发生器等。能够满足地铁供电系统无功功率补偿的要求。

4.1.2动态无功功率补偿装置方案比选

动态无功功率补偿装置种类繁多，根据前节的计算分析结论，建设一路主变电所的无功功率补偿主要是向系统补入感性无功功率，据此对三种比较成熟的动态无功功率补偿装置方案——相控电抗器（TCR）、磁控电抗器（MCR）、静止无功功率发生器（SVG）进行分析并进行经济比较，见表4。

由上可知，TCR、MCR、SVG装置的技术性能均能满足地铁供电系统主变电所对容性无功功率补偿的需要。但相对于而言：传统的轨道交通行业多选择SVG装置，具有补偿原理先进、补偿能力强、占地面积小、响应速度快等诸多优势。

4.2 无功功率补偿装置的选择

结合前文提到的目前轨道交通行业出现的新特点，尤其是：（1）目前运营时段与非运营时段无功功率波动情况，对无功补偿设备的响应速度的要求在分钟级别，而不是毫秒级。时段内无经常剧烈的无功负荷波动。（2）集中供电方式，提供了独立的110kV变电所，有着充足的设备安装空间和散热条件。（3）谐波治理的滤波通道已经在低压侧APF具备功能。

我们提出新的观点：建设一路主变电所设置的动态无功功率补偿装置采用磁控电抗器（MCR）集中补偿+有源滤波（APF）分散补偿的方式。

即先在车站变电所底层400V母线上，将分组投切电容器换为分组投切电抗器（各站全部投入容量不大于1000 kvar）。由APF有源滤波装置控制。即起到滤波功能，兼顾补偿35电缆部分无功功能。

由于本系统计算容量并不大（原设计2×2000kvar），在实际中2号线第一、二、三、四供电分区各降压变电所400V侧一、二段有源滤波装置，使其输出固定感性无功，来抵消由35kV电缆线路产生的部分容性无功。11个降压所，共22台400V一、二段有源滤波器均感性无功输出容量进行调整，以此来降低磁控电抗器（MCR）设备容量投资。收到了很好的效果（容量：2×1000kvar）。如图1所示。

这种组合式补偿方式，打破了原有单一设备集中补偿的局限。

（1）新线（共享主变电所）或延伸线建设时，无需对原有电抗器设备进行扩容改造，在延伸线增加分散补偿即可。（2）将由原来在主变电所集中无功补偿的部分容量，变为各车站分散补偿的方式，主变电所补偿设备投资大量减少。（3）每个区段35V电缆无功可被大量平衡，有效降低线缆损耗。（4）主变电所设置磁控电抗器，需设置通风空调设备。APF的应用可简化主变电所的通风空调设备的设置。

5结语

本文对杭州地铁2 号线供电系统无功补偿方案的研究，主要从安装无功补偿装置的必要性、无功补偿的方案选择、无功补偿装置的选型、无功补偿装置的容量等进行了研究，结果表明供电系统有必要采用磁控电抗器（MCR）集中补偿+有源滤波（APF）分散补偿的方式。

以上所做的工作是在杭州2 号线进行的研究，从理论计算和上海轨道交通10号线的现场实测结果基本一致的情况看，证明了方案研究的可行性。为新形势下的城市轨道交通无功治理提供新思路。

参考文献：

[1]陆安定.功率因数与无功补偿[M].上海：上海科学普及出版社，2004.

[2]程 陈.新编电力系统无功补偿技术实用手册[M]，2009.