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摘要：为提高供电的可靠性，方便管线的敷设，轨道交通供电系统大量选用电缆配电。由于电缆自身结构的特点，其供电线路充电容性无功功率比较可观。然而各地轨道交通供电系统采用供电方式、负荷情况不尽相同，并且在特定的时间范围内，电缆线路所产生的无功功率无法由系统平衡，功率因数不理想。而供电部门对功率因数所应达到的标准有相应的规定，凡功率因数达不到规定的用户，供电部门在标准电费的基础上，按功率因数调整电费的收取。这样势必增加了轨道交通运营成本。因此对轨道交通供电系统功率因数进行分析并提出补偿方案是非常有必要的。
关键词：轨道交通；供电系统；功率因数；分析；补偿方案
1轨道交通供电系统组成
当前轨道交通供电系统通常采用集中供电方式。每座主变电所配置两台110/66kV（我们是66kv），35kV主变压器，由城市电网提供两回专用线路对两台主变压器独立供电。110kV变换成35kV电压后通过35kV供电环网电缆分别向设置在各地铁车站的变电所供电。牵引供电系统采用DC750／1500V的供电方式。电力经牵引（降压混合）变电所两台牵引整流机组降压和整流后输出750／1500V直流，经牵引网系统向列车的牵引用电负荷供电。动力及照明供电系统电压为交流380／220V。车站设一个降压变电所，每个降压变电所设置两台动力变压器。两台动力变压器经降压后，将0.4kV低压电能通过动力照明配电系统向其供电范围内的车站和区间各用电负荷供电。
2轨道交通供电系统负荷功率因数分析
2.1变压器及电缆
各类变压器消耗感性无功，中压环网电缆及低压电力电缆都能提供一定的容性无功。供电网络一旦建成，变压器消耗的感性无功及电缆提供的容性无功都基本稳定，较易控制。
2.2牵引负荷
由于牵引变电所中的整流机组采用24脉波整流方式，牵引负荷的总功率因数可约为0.95。牵引负荷的用电单一且易控制，功率因数较高且相对稳定，无功功率需求量较少。
2.3动力及照明负荷
城轨动力及照明负荷涉及多个用电系统，如通风空调环控系统、通信系统、电扶梯屏蔽门系统、信号系统、人防系统、车站隧道照明系统等等。每个用电系统内容大不一样，开启时间不定，其功率因数也不相同，一般为0.5—0.8，较难控制。
3影响功率因数的因素及改进措施
3.1功率因数的理论值与实际值
轨道交通牵引供电系统整流机组的功率因数对系统功率因数的影响较大，也就是说牵引负载所占比重越大，系统功率因数越高。12脉波和24脉波整流器的功率因数理论值都比较高，但实际情况下，都达不到这样的最佳状态。
3.2整流相数与功率因数
谐波电流在电网中流动作为一种能量，最终消耗在线路及各种电气设备上，从而增加损耗，影响电网及各种电气设备的经济运行。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆高次谐波电流通过变压器，可使变压器铁心损耗明显增加，从而使变压器出现过热、效率降低，并缩短变压器寿命；高次谐波对电网的影响也是如此，其可使电缆内耗加大、电缆发热并且缩短电缆使用寿命；高次谐波对电动机的影响更大，不仅使损耗增加，还会使电动机转子振动，使其效率降低，大大降低了系统的功率因数。因此，通过增加整流相数，即由原来的12脉波提高到24脉波，可以有效地减少高次谐波，提高电源质量，同时也可提高功率因数。目前轨道交通供电系统，不再采用12脉波整流机组，而是采用24脉波整流机组，以达到经济运行的目的。
3.3安装滤波装置
因为整流器会在交流侧产生谐波，为满足电网运行要求，就应该对其加以抑制。为此，在35kV侧安装抑制谐波的设备，有利于提高整个轨道交通供电系统供电质量，减少对国家电网系统的影响。交流滤波装置可以把有害于其他电气设备的高次谐波加以吸收，减少高次谐波对其他电气设备和电网造成的危害。它具有改善供电质量、提高功率因数和设备利用率、节约能源、降低损耗等多种功能，从而获得明显的经济效益。
3.4安装补偿装置
轨道交通供电系统有许多感性负载，如电力变压器、整流机组和动力照明负载等设备。为减少供电系统的无功损耗、有效利用供电设备容量、降低运行成本，需对供电系统功率因数进行改善，同时抑制供电系统向电网反送无功。在地铁中牵引负载功率因数较高，一般为0.97左右，动力照明负载功率因数较低，一般只有0.78左右。当轨道交通不采取任何无功补偿措施时，高峰时段主变压器一次侧负载总功率因数只有0.83左右。为了提高整个系统的功率因数，可以在比较大的感性设备处，安装电容性补偿装置，为提高补偿的效率和质量，最好安装动态补偿装置。
4无功补偿方案
传统的轨道交通无功补偿方案一般是在变电所0.4kV侧设置电容补偿装置，对大量感性的动力照明无功负荷进行补偿，使其补偿后功率因数达到0.9；或者系统不采取任何无功补偿措施。采用这两种方式以后，在电源端均可能会存在无功过补偿的问题。过补偿的危害往往比欠补偿更严重。因此，需制定一个合理的无功补偿方案。
4.1主所设SVG方案
此方案在主变电所内设置SVG装置（动态无功补偿装置），该装置既可以发出无功，又可以吸收无功，可实现感性、容性无功双向的平滑调节，以保持主变电所及电力系统考核点处实时稳定的高功率因数。SVG动态无功补偿装置以三相大功率电压逆变器为核心，其输出电压通过变压器或连接电抗器接入系统，与系统侧电压保持同频、同相，通过调节其输出电压幅值与系统电压幅值的关系来确定输出功率的性质与容量，当其幅值大于系统侧电压幅值时输出容性无功，小于时输出感性无功，以实现动态无功补偿的目的。该方案的优点是：实现了感性、容性无功的实时动态双向调节，提高了主变电所及电力系统考核点处的功率因数，免除了电力部门每月数十万的罚款，同时还可滤除主变电所出口处部分谐波；但对各车站变电所0.4kV侧动力照明系统内部的无功及谐波问题未采取措施。
4.2主所设SVG+各车站变电所0.4kV侧设APF方案
此方案是一个高、低压侧相结合的综合无功补偿方案，即在主变电所设置SVG装置的同时，在各车站变电所0.4kV侧设置APF装置（有源滤波装置）。APF装置通过实时检测负载电流波形，得到需要补偿的谐波电流成分，并将其反向，通过控制IGBT的触发，将反向电流注入供电系统，实现滤除谐波功能。同时，还可提供超前或滞后的无功电流，用于提高动照负荷功率因数，实现动态无功补偿。本方案通过主变电所内的SVG装置提高电力系统考核点处的功率因数并滤除部分谐波，以免受电力部门的高额罚款；同时通过各变电所0.4kV侧就地设置APF装置，滤除动照负荷的谐波，提高其功率因数，改善了低压网络的电能质量。虽然此方案从整个供电系统网络看，提高电能质量效果最好，但其投资较大，且在0.4kV侧设置APF装置的直接经济效益没有在主变电所内设置SVG装置的直接经济效益大，因此，可考虑在主变电所内设置SVG装置，在各车站变电所0.4kV侧预留设置APF的条件，待运营后根据运营需求及实测数据来确定是否设置APF装置。
5结束语
综上所述，轨道交通供电系统无功补偿的选择。需在充分了解系统构成，设备负荷类型，设备季节性开启、日常负荷曲线，供电局考核点选取，环境保护，投资维护经济性等因数下综合研究，进行补偿方式的选择。
参考文献：
[1]地铁供电系统无功补偿方案及补偿容量的研究[J].朱子栋.变频器世界.2014（11）
论文作者:苏安琪
论文发表刊物:《电力设备》2017年第35期
论文发表时间:2018/4/28
标签：功率因数论文; 供电系统论文; 谐波论文; 变电所论文; 装置论文; 系统论文; 轨道交通论文; 《电力设备》2017年第35期论文;