摘要：随着社会的飞速发展，城市交通变得愈加方便迅捷。地铁作为城市轨道交通一大基本载体、人们外出的常用交通工具，其供电系统除了用于动力牵引外，照明、制动系统同样都需要耗费大量电力。这就导致了地铁供电系统长期处于功率低下的状态，且由于地铁运行方式的特殊性带来的一系列电能质量问题，使解决地铁供电系统无功补偿问题日益突出。要使供电系统提供稳定高质量的电压，低损耗的网损，实现供电系统的无功补偿最优化，是解决问题的关键技术之一。为保证地铁供电系统的高效运行，解决地铁供电系统无功补偿不足，损耗大，电能质量不高等问题，通过对某地铁六号线供电系统工程采样分析，对地铁系统的无功特性设计进行了分析与计算，在此给出了几个合理的补偿容量计算及方案。
关键词：地铁；供电系统；无功补偿；设计
1地铁供电系统的构成部分
我国地铁主要采用集中供电方式，它主要由外部电源、主变电所、牵引供电系统和供配电系统。通常情况下，我国地铁的外部电源采用从城市电网引入110kV或220kV两回电源的方式，按照具体地铁设计要求，有不同的引入方案。主变电所的接线方式通常为线变式或桥型接线。牵引供电系统是将经过降压整流成直流1500V或者直流750V电压，为地铁列车提供电源。供配电系统则为各种动力和照明设备提供电源。
2电压稳定概述
地铁供电系统的主要部件为变压器、110kV进线电缆、主变电站、35kV连接电缆以及牵引、动力照明设备等负荷。由于外部电源容量通常远大于负荷端容量，因此在本文中不作外部电源电压恒定不变之外的分析。
为保证计算合理，需保证无功补偿装置容量设置得当，否则易出现不稳定性，不利于结论的得出。电力系统电压稳定是指系统在收到外界干扰后，在系统特性和负荷特性共同作用下，维持负荷点电压在平衡点附近的能力。维持电压的稳定对于降低无功损耗、提高电能质量至关重要。
3无功特性带来的影响
①电网电压波动影响运行。通常电缆线路的充电无功功率都是很大的，这就造成了容性无功向送端电源倒送，从而导致末端电压升高的结果，影响系统安全运行。②电网谐振造成危害。地铁供电系统电缆的分布电容与电缆电感、变压器电感间形成并联谐振回路。由于地铁牵引负荷中的整流和动力照明设备中含有大量非线性负荷，会产生各次谐波，则可能引起谐波谐振放大，产生谐振过电压，危害系统安全。③功率因数的降低。对于地铁供电系统来说，白天时段与夜晚时段的用电负荷不同，造成的反送大量无功功率，影响了地铁供电系统的效率工作。④接地故障的发生。当发生单相接地故障时，电压升高导致充电无功电流增大，接地电弧很难自行熄灭，这就造成了相间短路。在用电负荷高的时代，容易造成设备损毁，严重者，则可能发生突发事故，造成人员伤亡，应谨慎注意此类问题的发生。
4无功补偿具体方案
①集中补偿。是指在110kV主变电站，一般在出线端35kV母线安装补偿装置，此方式能对整个供电系统的负荷进行集中补偿。②分区集中补偿。地铁供电系统110kV主变电所一般带3个分区的负荷，所谓分区集中补偿就是指在每个分区进行补偿。③分布式补偿。是指在每个35kV的降压所、跟随所和牵引所都进行无功补偿。
从补偿效果和经济性两方面进行量度分析，地铁供电系统的无功补偿应采用分区集中补偿与集中补偿相结合的方式。其次，无功补偿装置容量若设置不当，有可能在机车负荷变化的过程中，地铁供电系统向电网输出的有无功有时呈感性无功，有时呈容性无功，而且可能导致无功在感性和容性之间频繁变化。
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在分区集中补偿电抗器容量的计算中，分区集中补偿的并联电抗器主要对主变电站至牵引变电站产生的充电无功功率进行补偿，以保证电缆的无功平衡。并联电抗器总补偿容量应满足：QL=Qc12-Qloss-Qd
其中，QL为并联电抗器总补偿容量；Qloss为线路无功补偿；Qd为末端无功负荷。
在集中补偿装置中，其主要补偿主变压器本身的无功损耗，以及减少变电所以上输电电缆的充电无功，从而降低供电网络的无功损耗。综合补偿效果以及经济成本来看，集中补偿与分区补偿的效益区别不大。
5动态补偿仿真分析
为保证地铁供电系统的效率运行，在此本文提出动态补偿的系统主电路采用的具体结构。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。动态补偿采用单极倍频载波移相调制方式及电压外环、电流内环双闭环控制策略，可实现功率因数、恒电压、恒无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动态补偿仿真模型。其参数设置为：电网电压10kV，频率50Hz，容量为4000kVar；变压器连接方式为12%；动态补偿单个模块直流测电容为4000μF，开关器件选用理想IGBT，直流测电压参考值为850V，器件开关频率为500Hz。分析后易发现，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，从电网注入动态补偿装置的电流超前装置的输出电压，动态补偿控制在容性工况，补偿电网侧的感性无功。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。
6实际效果分析
地铁供电系统由于其存在白天与晚上不同的用电时段，导致其不同时段的感性不同。地铁供电系统白天时段的用电负荷较大，但到了夜晚，用电负荷却急剧缩减，不及白天用电负荷的1/10。为验证动态补偿装置的无功输出容量、动态无功跟随以及谐波补偿能力，可分别在白天和晚上分别测试其感性，记录补偿前后的功率因数、无功补偿量、动态补偿输出电流、110kV谐波含量等数据。实际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，可见测试方案对于改善供电质量效果相当显著。
结语
为完善地铁供电系统负荷无功特性设计，本文根据地铁六号线供电系统工程在施工中的实际运用，提供了一个妥善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，再将其应用到实际工程项目中，得以下结论：①动态补偿部分因其输出特性好、损耗低等特点，且完美契合地铁供电系统负荷变化大的情况，建议将其推广至电力系统等高科技高能耗领域。②合理有效地将固定补偿与动态补偿有机结合在一起，有助于地铁供电系统更加高效率的运行。③由于地铁降压所之间的距离一般很短，而分区之间的距离较长，分布式补偿和集中补偿相比并无太大区别。本文所提供的解决方案，可有效解决地铁轨道交通系统供电效率低下的问题，并深切希望将其推广至各大领域。
参考文献
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作者简介
王得财（1988.03）男，广东普宁人，广州铁路职业技术学院，电气自动化技术，单位：深圳地铁集团运营总部（广东，深圳），单位邮编：518000。
论文作者:王得财
论文发表刊物:《电力设备》2017年第6期
论文发表时间:2017/6/14
标签：供电系统论文; 地铁论文; 电压论文; 负荷论文; 动态论文; 容量论文; 分区论文; 《电力设备》2017年第6期论文;