摘要：现阶段地铁供电系统应用无功补偿方案具有必然性，这是地铁持续安全运行和城市供电系统稳定的必然要求，而且通过时间分析可见，无功补偿方案在地铁供电系统中的合理应用，可有效缓解甚至消除城市供电网与地铁供电系统之间矛盾，所以其推广应用具有一定的可靠性。鉴于此，本文主要分析地铁供电系统无功补偿设计及应用。
关键词：地铁供电系统；无功补偿设计；应用
地铁的供电系统是采用两级供电制式的高压用电用户，列车牵引和车站动力及照明负荷是其用电负荷的主要构成，所以其性质直接决定了地铁供电系统的功率因数。地铁列车的设计决定其牵引负荷的功率因数总额在0.96左右，而车站动力及照明的功率因数通常在0.78左右，这与我国电力部门现阶段所规定的高压供电用户高峰时段功率因数应在0.9以上不符，致使地铁供电系统发生线路损耗加快、有功输出容量不足等问题，甚至对城市供电造成影响，所以采取无功补偿方案是地铁供电系统正常运行的必然选择。
1 概述
城市轨道交通供配电系统产生的无功包括感性无功和容性无功两种。在供电系统中，重载时线路无功功率呈感性，不同负荷性质的功率因数不同，白天高峰时段功率因数可以达到0.9以上，而在夜间休车时段，牵引负荷为零，动力照明负荷也只有白天的10%左右，而供电系统由于电缆的充电无功效应，产生了大量的容性无功，倒送到电力系统，每月给运营部门造成大量的电力损耗和罚款。轻载时线路无功功率呈容性，直接影响到系统负荷的功率因数、功率损耗和电网的安全运行。
结合国内多个城市轨道交通供电系统设计经验以及实际运营的情况，提出在供电系统中加入动态无功补偿装置（SVG）的设计方案，SVG动态无功补偿装置作为一种新型可连续调节的双向补偿电源，在城市轨道交通工程的中，已经具备完善的设计和实用经验。
2 地铁供电系统无功补偿设计
2.1 工程案例
以某地铁工程为例，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。
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。
表1无功补偿装置容量分配
2.2 SVG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。
3 应用分析
无功补偿方案通常有集中式、分区集中式和分布式三种类型，结合不同的无功补偿类型，确定以下补偿方案：
第一种是利用35千伏级别的静止无功发生器，在35千伏电缆的起点位置进行补偿。此方案静止无功发生器的电流较小，所以对散热的要求较低，而且在运行的过程中只会产生较低的噪音。在应用此方案的过程中，要求在供电局考核点安装功率监视装置，并将装置获取的数据以通信的方式不断向35千伏电缆的起点进行传送，由静止无功发生器对其进行比较，由此构成远距离闭环控制系统。但是在此系统运行的过程中，静止无功率发生器的响应速度会明显降低，补偿装置的运行状况也会因为通信对稳定性的较强依赖而出现不稳定现象。
第二种方案是利用10千伏级别的静止无功发生器安装在35千伏电缆的起点位置，并利用干式升压变压器将其与35千伏的母线连接进行补偿。此方案虽然也达到了无功补偿的目的，但是在运行的过程中需要利用通信的方式实现对无功功率的传输，传输的稳定性和持续性都难以保证。
第三种方案是直接对供电局考核点进行补偿，这样无功功率的近距离采集得到保证，且只需要对110千伏电缆地铁方向的功率进行检测，无功误补的现象可以得到有效的遏制，不仅对静止无功发生器快速响应的优点进行最大化的挖掘利用，而且达到的无功补偿效果也最理想。但是在实际运行中由于其安装位置隶属于供电部门范围，所以维修、养护、管理等实际操作会受到一定的影响。
短时间过载是成套装置所允许的，成套装置总容量的15%左右为过载无功补偿容量的大致范围，在应用方案1的过程中必须保证110千伏母线公共连接点处被注入的谐波的总畸变率在2%及其以下，其中奇次谐波电压含有率必须在1.6%及其以下，偶次谐波电压含有率必须在0.8%及其以下，电压不平衡度必须保持在1.3%及其以下，电压波动必须在2%及其以下，当补充容量满足要求的情况下，使用本方案的地铁的月平均功率因数应该在0.95及其以上，补偿效果较理想，具体优化过程可结合地铁在运行过程中的实际情况逐渐进行，提升地铁的整体性能。
总之，我国地铁线路对供电系统的设计，基本上是依据低压集中就地补偿的原则，根据线路的实际情况，在线路上的各车站和变电所内，安置低压的电容无功补偿柜，以保证车站变电所内电压功率因数达到0.9以上。但是由于无功补偿在调容方式上依然是通过整组投放电容器来实现，而在各车站的变电所设置电容器分组则不可能实现，因为如果电容器投放过多，就会出现投则过补现象，从而受到供电部门处罚；相反，不投则欠补，地铁线路供电系统的电压功率系数又保障不了，从而无法满足电力部门的考核要求。另外，过多地安置电容补偿装置，将会导致其使用寿命缩短，损坏频繁。所以，现有的无功补偿设计方案亟需进一步优化。
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论文作者:何士玉
论文发表刊物:《基层建设》2018年第18期
论文发表时间:2018/7/20
标签：供电系统论文; 地铁论文; 功率论文; 功率因数论文; 方案论文; 电压论文; 母线论文; 《基层建设》2018年第18期论文;