利用中压能馈装置分散补偿无功的工程应用分析

张喜海



利用中压能馈装置分散补偿无功的工程应用分析

张喜海

对中压能馈装置分散补偿无功的原理及控制策略进行研究，以实际工程为例进行35 kV电缆的充电无功及功率因数计算，分析利用中压能馈装置补偿无功存在的问题，并对类似地铁工程建设提出建议。

地铁供电系统；功率因数；电缆充电无功；中压能馈装置

0 引言

主变电所的功率因数主要由牵引负荷和动力照明负荷的性质决定。对于牵引负荷，由于采用24脉波整流方式，理论基波因数在0.989以上，不可调变流器的位移因数在0.95以上，因而其总功率因数可达0.96左右；对于动力照明负荷，随着应用技术的发展，照明负荷功率因数已达0.9甚至0.95以上，大部分动力负荷功率因数达0.8以上。

在城市轨道交通线路运营初期，由于感性负荷较小，35 kV电缆产生的容性无功无法被中和，以致被返送至电力系统，如天津津滨轻轨、广州地铁、上海地铁等，在运营初期未投入0.4 kV无功功率补偿装置时，存在容性无功返送至电力系统的情况。电力部门采取“无功反转正计”的计费方法，导致主变电所功率因数达不到电力部门的要求，遭受电力部门的罚款，增加了运营成本[1，2]。因此，进行无功补偿具有重要意义，本文将研究一种中压能馈装置无功补偿方案，并对其进行应用分析。

1 中压能馈装置无功补偿方案

1.1 工作原理

中压能馈装置（又称双向变流器）的核心是由IBGT元件构成的PWM逆变器，它是基于PWM脉宽调制技术的一种功率变换装置，结构上可以简化为由一台传统逆变器和一个三相交流电感L构成（图1）。

图1 PWM逆变器主电路

由PWM整流器单相等效电路（图2）可知，在电网电压a和交流电感一定的情况下，通过控制a的大小和相位可以控制电流a的大小和相位，进而控制变流器传输功率及功率因数[3]。

图2 PWM整流器单相等效电路

1.2 系统接入方案

中压逆变回馈型再生电能利用装置的直流侧与牵引变电所中的整流器直流母线相连，其交流进线接至交流电网，将再生电能逆变为工频交流电，并回馈至交流电网（图3）。

1.3 无功补偿策略

地铁回馈装置有2种无功补偿策略：（1）定时、定量无功补偿，即划分时间段对地铁供电系统进行无功补偿。地铁运营时间一般为6：00～22：00，因此可暂定输出感性无功的时间为23：00～次日5：00。根据对地铁供电系统夜间无功状况的调研和全线挂网的地铁回馈装置数量，计算每台地铁回馈装置的无功大小；（2）自动无功补偿，即利用地铁现有监测系统对无功功率进行计算，根据当前主变电所无功功率之和以及各回馈装置的运行状态，实时计算出平均每台回馈装置的无功功率设定值，地铁回馈装置根据后台下发的无功指令输出无功功率，从而实现主变电所无功功率的分散补偿，提高系统的功率因数[4]。

图3 中压能馈吸收装置系统接线

2 工程应用分析

呼和浩特地铁2号线一期线路全长27.3 km，全部为地下线。车辆采用我国标准B型车，最高运行速度80 km/h，初、近、远期均采用6辆编组方案，高峰时最大行车密度为30对/h。供电系统采用集中式110 /35 kV两级供电，牵引、动力照明混合网络供电方式。全线共设2座主变电所，分别为成吉思汗广场主所和嘉茂购物中心主所；正线设11座牵引变电所，停车场和车辆段各设1座牵引变电所。正线牵引所均设置再生能量吸收装置，其额定容量为1 000 kW，间歇功率为2 000 kW。

2.1 无功计算

由于呼和浩特地铁2号线无功考核点位于主变电所110 kV电缆进线侧，因此不再考虑外部电源进线电缆无功补偿。动力照明系统采用就地平衡、分散补偿原则，在各降压变电所0.4 kV侧设置有源滤波器，同时兼作无功补偿装置，使功率因数不低于0.9。基于此，中压能馈装置补充无功仅需考虑35 kV电缆产生的无功功率。

呼和浩特地铁2号线35 kV中压环网采用2种截面电缆，分别为185和300 mm2，其单位电容分别为0.194 5和0.166 5mF/km。

中压环网电缆充电无功功率按夜间停运，轻负荷计算，计算式为

CD= 2po2（1）

计算结果见表1。

表1 中压环网电缆充电无功功率

2.2 功率因数计算

2.2.1 计算原则

电通至试运营期间，主变电所带电后，全线负荷主要为车站照明、通风、调试、列车试跑所产生的负荷，其动力照明负荷估算为运营后负荷的20%，牵引能耗按全天1列车试跑计算。

在试运营期间，全线动力照明负荷估算为运营后负荷的60%，牵引能耗按50对列车全天运行 10 h计算。

各运营年度，动力照明负荷变化不大，而牵引负荷由于全日运行列车对数相差较大，负荷相差较大。低压动力照明负荷按全天运行18 h计算。

2.2.2 功率因数计算

根据式（2）进行功率因数计算，以嘉茂购物中心主所为例，计算各年度供电系统体现在110 kV主所内计量侧的功率因数，计算结果见表2。

表2 嘉茂购物中心主所各年度功率因数

2.3 中压能馈无功补偿方案

由于呼和浩特地铁2号线功率因数考核点设在主变电所内进线侧，未考虑外部电源进线无功功率，通过功率因数计算可知，在运营初期供电系统内部基本满足0.95的功率因数要求。考虑到SVG设备投资较大，且线路运营初期已基本满足电网要求，呼和浩特地铁2号线拟采用中压能馈装置进行供电系统无功补偿。进行中压能馈装置设置方案设计时，考虑车辆制动能量优先为400 V系统使用，且故障时不影响整流机组正常运行，呼和浩特地铁2号线牵引所内中压能馈装置设置在整流机组对侧母线，设置方案如图4所示。

结合中压能馈装置既可吸收再生制动能量，还可补偿无功的双重功能，呼和浩特地铁2号线工程将中压能馈装置的作用按照白天和夜间进行划分：白天利用中压能馈装置重点吸收再生制动能量，夜间利用该装置进行无功补偿，补偿中压环网产生的容性无功。

图4 中压能馈逆变装置设置示意图

2.4 补偿装置容量选择

根据供电系统中压能馈装置设置方案及中压环网无功功率计算结果，理论上按照分区内中压能馈装置平均分配补偿无功功率原则，其容量选择见表3。

表3 中压能馈装置补偿无功功率

根据以上计算结果，中压能馈装置需补偿最大容量为0.9 Mvar。

3 存在问题分析

3.1 设备动作优先级方面

线路开通初期列车运行密度较小时，既要满足再生能量吸收又要满足功率因数要求，若采用实时监测补偿策略，中压能馈装置需频繁切换2个状态，且装置设定启动条件时需要判定吸收再生能量优先还是无功补偿优先，控制程序较为繁琐。

3.2 设备寿命方面

无功补偿主要在夜间对电缆充电无功进行补偿，再生能量吸收装置开启无功补偿功能对装置核心器件IGBT的使用寿命带来不利影响，降低了装置的可靠性，增加了故障率，影响其使用寿命。

3.3 补偿效果方面

由表2可知，电通及试运营期近一年内，发车对数较少，电缆充电无功较高，全天功率因数不达标，可将中压能馈装置完全用于补偿无功功率。

利用中压能馈装置补偿无功功率，按照就近补偿原则，若主变电所距离车站较远，35 kV出线端至车站电缆较长，则与之相近的中压能馈装置无功补偿量较大。

采用中压能馈装置进行无功补偿，可以对本区段的功率因数进行补偿，使之达标，但无法保证全线整个系统的功率因数达标。

3.4 工程适应性方面

在进行共享主变电所的其他后续线路建设时，若主所内未预留集中无功补偿装置安装位置，后续线路则必须采用分散补偿，受再生能量吸收装置设置方案影响较大，工程适应性较差。

4 结论及建议

由以上分析可知，利用中压能馈装置基本可以实现呼和浩特地铁2号线电缆无功功率的补偿，但考虑后续线路建设及再生能量吸收装置发展趋势，应在每座主变电所内预留SVG补偿装置安装位置。在其他轨道交通线路运用中压能馈装置补偿无功功率时，若功率因数考核点位于主变电所对侧且电源进线较长时，建议设置大容量补偿装置进行集中补偿，保留装置的该项功能，后续根据装置的应用情况和运营维护效果适时启用分散式无功补偿功能，以满足电网功率要求。

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

[2] 黄德胜，张巍. 地下铁道供电[M]. 北京：中国电力出版社，2010.

[3] 陈哲. 北京地铁10号线中压能馈型再生制动电能利用装置[J]. 现代城市轨道交通，2015（1）：5-7.

[4] 桑福环，张海林，王林，等. 地铁能量回馈装置的无功补偿控制策略[J]. 城市轨道交通研究，2016，19（5）：117-120.

Through researches of principles and control strategy of distributed reactive power compensation by medium voltage energy feedback device, the charging reactive power and power factors of 35 kV cable of a practical project is calculated; and proposals for the similar projects are put forward on the basis of analyzing the existed problems of reactive power compensation by medium voltage energy feedback device.

Subway power supply system; power factor; cable charging reactive power; medium voltage energy feedback device

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.03.016

U231.8

B

1007-936X(2018)03-0051-03

2018-01-07

张喜海.中国铁路设计集团有限公司，工程师。