地铁供电系统无功补偿设计及应用

马俊杰，吴　畏（成都地铁运营有限公司，四川成都610081）



地铁供电系统无功补偿设计及应用

马俊杰，吴畏（成都地铁运营有限公司，四川成都610081）

本文对地铁牵引供电系统的主要负荷无功特性进行了分析，建立了等值电路模型，给出了一个合理的补偿容量计算依据及补偿方案。以国内某地铁工程为例，对该装置的无功输出容量、动态无功跟随能力以及谐波补偿效果进行了仿真验证。现场实测波形和主要指标结果表明，该方案补偿效果显著，提高了系统的功率因数，且能很好地抑制电压波动，保证了地铁供电系统的高效可靠运行。

地铁供电系统；无功功率；谐波；动态补偿；功率因数

引言

城市轨道交通作为公用电网负载，除了采用了大功率整流电路作为列车牵引动力，其动力照明系统中也存在大量电机拖动（电梯、冷水机组、风机等）等非线性负载，导致供电系统中的大量低压供电设备及长电缆线路充电无功较大；且地铁运行方式的特殊性（自身供电系统存在高峰、低谷）导致其为不对称负荷，带来一系列电能质量问题，因功率因数过低而额外支付大量功率因数调整电费的现象日渐突出［1-2］。

为解决地铁供电系统的无功倒送、降低电压波动、消除谐波并提高系统的功率因数指标，选用一种合理的补偿方式尤其重要。考虑到地铁供电系统的特殊性，本文采用SVG+电抗器的补偿方案，其中SVG的容性感性可灵活切换、响应速度快、损耗小且占地面积小，电抗器可进行固定补偿。所以此方案更适应于地铁供电系统的无功补偿，具有较好的补偿特性及较高的性价比。

1　地铁负荷无功特性

1.1等值电路模型

为便于地铁供电系统无功特性的分析，其主要部件包括110kV进线电缆、主变电站变压器、35kV连接电缆以及牵引、动力照明设备等负荷（视在功率S=P+jQ）分别用等值电路模型代替。由于外部电源容量远大于负荷端容量，故在分析过程中假设外部电源电压恒定且不受负荷端电压和负荷量的影响。将两端电网在变电站处进行等值处理，得到地铁供电系统的电路模型如图1所示。输电线路用π型等值电路表示，变压器励磁支路以导纳形式表示。其中R、X、B和G分别为等效电阻、电感、电纳和电导。

图1　地铁供电系统等效电路模型图

1.2负荷无功计算

无功补偿装置容量若设置不当，则可能在地铁负荷变化的过程中，导致系统向电网输出的无功功率时而呈感性、时而呈容性，在二者之间频繁变化，因此必须合理计算。

（1）输电线路无功计算

电缆产生的无功功率包括线路串联电抗中的无功损耗QS和线路电容的充电无功功率QC。电缆对地电纳B=Bol（其中Bo为单位长度电缆对地电纳，l为电缆长度），故其充电无功功率和电缆长度成正比。当电缆的长度和电压固定时，QC也固定，由此可得：

式中：U35-35kV电缆的平均电压；U110-110kV电缆的平均电压；I35-35kV电缆电流；I110-110kV电缆电流；X35-35kV电缆的电感；X110-110kV电缆的电感。通常电缆的充电无功都远大于线路的无功损耗，即QC＞＞QS，故可省略QS不计，将输电线路视为无功电源。

（2）变压器无功计算

变压器等值电路参数计算如式（3）所示，式中SN为变压器的额定视在功率 （kVA），UN为变压器的额定电压（kV），△Ps为变压器额定电压下的短路损耗 （kW），△P0为变压器的空载损耗（kW），I0%为变压器的空载电流，Uk%为变压器的短路电压。

变压器的无功损耗QLT分为励磁支路损耗△Qo和绕组漏抗中损耗△QT两种，其中励磁支路损耗百分值基本等于空载电流 Io%，约为1～2%；绕组漏抗中损耗的百分值，在变压器满载时，基本等于短路电压Uk%。励磁功率大致与电压平方成正比；当通过变压器的视在功率不变时，漏抗中损耗的无功功率与电压平方成正比。变压器的无功损耗计算如下：

因此，无功补偿装置设计容量=110kV电缆充电无功+ 35kV电缆充电无功-变压器空载无功。

2　无功补偿方案设计

2.1工程案例

以某地铁工程为例，如图2所示：线路正线全长约18.517km，共设置17座车站、1座车辆段、1处控制中心，2座110/35kV主变电所（1#和2#），共设置6个供电分区，仅考虑一期工程。每座主变电所引入2回110kV进线电源，单母线分段接线。

根据该工程的现场参数，可计算1#主变电所正常运行时35kVⅠ段母线无功功率补偿范围为-2309～+4538kVar，35kVⅡ段母线无功功率补偿范围为-4863～+2085kVar；2#处主变电所正常运行时35kVⅠ段母线无功功率补偿范围为-3141～+ 3521kVar，35kVⅡ段母线无功功率补偿范围为-1056～+ 5515kVar。

考虑到110kV电缆的充电无功基本恒定，为了使得电缆充电无功基本平衡，且取得较优的经济效益，无功补偿方案采用SVG（动态补偿部分）+并联电抗器（固定补偿部分）相结合。SVG实现从额定感性容量到额定容性容量连续可调，并联电抗器进行固定补偿，可保证地铁系统在夜间低负载运行以及白天达到最大负载运行工况下的高功率因数要求。

鉴于工程计算与实际运行情况可能存在一定偏差，且本工程2座主变电所将来最终供电范围及运行模式尚不确定，本次设计在选择无功功率补偿装置容量时将考虑感性无功功率输出范围预留10%的裕量，SVG+并联电抗器容量配置具体如表1所示。

图2　某地铁某号线供电系统图

表1　无功补偿装置容量分配

2.2SVG仿真分析

本文设计的系统主电路采用链式串联结构，星型连接。每相由11个相同的功率模块组成，采用10+1式的冗余设计。SVG采用单极倍频载波移相调制方式（CPS-SPWM）及电压外环、电流内环双闭环控制策略，可实现恒功率因数、恒电压、恒无功功率和负荷补偿四种运行模式。

为了验证该方案，搭建基于CPS-SPWM技术的级联多电平逆变器的SVG仿真模型。仿真系统参数为：电网电压为10kV，频率50Hz，容量为4000kVar；变压器连接方式为Dyn11，原边侧电压为36.5kV，容量为4000kVA，短路阻抗为12%；SVG单个模块直流侧电容为4000μF，开关器件选用理想IGBT，直流侧电压参考值为850V，器件开关频率为500Hz。仿真结果如图3所示。

图3　SVG仿真波形

由图3（a）和（b）可知，在SVG投入运行后，A相输出电压波形趋近正弦波，峰值达到10kV；在不加任何滤波情况下，低次谐波含量非常少；输出电流非常平滑。由电压电流波形可看出二者的相位关系，从电网注入SVG装置的电流超前装置的输出电压，SVG工作在容性工况，补偿电网侧的感性无功。图（c）、（d）中，无功电流iq跟随其指令参考电流iqref特性好，稳定后无静差；功率因数由补偿前的0.85提高至1，补偿效果显著；验证了本文所采用控制方法的可行性与有效性。

2.3实际运行效果分析

在1#、2#主变电所I段和II段母线上安装设计容量的SVG+并联电抗器，以110kV进线无功功率计35kV母线电压作为控制目标。为了验证SVG装置的无功输出容量、动态无功跟随以及谐波补偿能力，可分别在负载特性为容性（晚上）和感性（白天）时进行测试，记录补偿前后的功率因数、无功补偿量、SVG输出电流、110kV谐波含量等数据。本文以1#变电所I段母线安装所需容量装置为例，测试时间为00：30，测得的SVG输出电流波形及母线侧电压波形如图4所示。

图4　现场试验波形

实验测得地铁供电系统的电压波动由补偿前的2.8%降为0.4%，最大的无功倒送量降为2800kVar，平均功率因数提高至0.98以上。

由以上数据可以看出本文所设计的补偿方案很好地解决了电缆充电无功引起的电压波动、无功倒送等各种电能质量问题，提高了地铁供电系统的可靠性，避免因功率因数过低产生罚款。

3　结语

针对地铁供电系统负荷无功特性，本文提供了一个合理的补偿容量计算依据及补偿方案，利用PSCAD软件进行仿真验证，再将其应用在实际工程项目中，得如下结论：

（1）采用SVG（动态补偿部分）+并联电抗器（固定补偿部分）相结合的无功补偿方案进行地铁供电系统的无功补偿，装置容量分配合理，在保证系统高功率因数运行的前提下，经济性好；

（2）基于SVG装置能在额定输出容量范围内实现动态连续可调、输出特性好、响应速度快、损耗低等特点，且完全能满足地铁供电系统负荷变化较大的情况；可将其推广应用至电力系统、钢铁、煤矿、港口以及新能源等领域。

［1］谭复兴，高伟君，等.城市轨道交通系统概论［M］.北京：中国水利水电出版社，2007.

［2］于松伟，杨兴山，韩连祥，张 巍，等.城市轨道交通供电系统设计原理与应用成都［M］.成都：西南交通大学出版社，2008.

［3］鲁 楠.地铁主变电所功率因数偏低情况及改善措施研究［J］.城市建设，2010，6：363～364.

吴 畏（1983-），工程师，本科，主要从事轨道交通供电系统方面的工作。

马俊杰（1981-），工程师，本科，主要从事地铁供电系统继电保护方面的工作。

TM714.3

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2095-2066（2016）10-0017-02

2016-3-12