地鐵供電系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)計(jì)及應(yīng)用

馬俊杰，吳　畏（成都地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司，四川成都610081）

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地鐵供電系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)計(jì)及應(yīng)用

馬俊杰，吳畏（成都地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司，四川成都610081）

本文對(duì)地鐵牽引供電系統(tǒng)的主要負(fù)荷無(wú)功特性進(jìn)行了分析，建立了等值電路模型，給出了一個(gè)合理的補(bǔ)償容量計(jì)算依據(jù)及補(bǔ)償方案。以國(guó)內(nèi)某地鐵工程為例，對(duì)該裝置的無(wú)功輸出容量、動(dòng)態(tài)無(wú)功跟隨能力以及諧波補(bǔ)償效果進(jìn)行了仿真驗(yàn)證?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)波形和主要指標(biāo)結(jié)果表明，該方案補(bǔ)償效果顯著，提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)，且能很好地抑制電壓波動(dòng)，保證了地鐵供電系統(tǒng)的高效可靠運(yùn)行。

地鐵供電系統(tǒng)；無(wú)功功率；諧波；動(dòng)態(tài)補(bǔ)償；功率因數(shù)

引言

城市軌道交通作為公用電網(wǎng)負(fù)載，除了采用了大功率整流電路作為列車牽引動(dòng)力，其動(dòng)力照明系統(tǒng)中也存在大量電機(jī)拖動(dòng)（電梯、冷水機(jī)組、風(fēng)機(jī)等）等非線性負(fù)載，導(dǎo)致供電系統(tǒng)中的大量低壓供電設(shè)備及長(zhǎng)電纜線路充電無(wú)功較大；且地鐵運(yùn)行方式的特殊性（自身供電系統(tǒng)存在高峰、低谷）導(dǎo)致其為不對(duì)稱負(fù)荷，帶來(lái)一系列電能質(zhì)量問(wèn)題，因功率因數(shù)過(guò)低而額外支付大量功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)的現(xiàn)象日漸突出［1-2］。

為解決地鐵供電系統(tǒng)的無(wú)功倒送、降低電壓波動(dòng)、消除諧波并提高系統(tǒng)的功率因數(shù)指標(biāo)，選用一種合理的補(bǔ)償方式尤其重要?？紤]到地鐵供電系統(tǒng)的特殊性，本文采用SVG+電抗器的補(bǔ)償方案，其中SVG的容性感性可靈活切換、響應(yīng)速度快、損耗小且占地面積小，電抗器可進(jìn)行固定補(bǔ)償。所以此方案更適應(yīng)于地鐵供電系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償，具有較好的補(bǔ)償特性及較高的性價(jià)比。

1　地鐵負(fù)荷無(wú)功特性

1.1等值電路模型

為便于地鐵供電系統(tǒng)無(wú)功特性的分析，其主要部件包括110kV進(jìn)線電纜、主變電站變壓器、35kV連接電纜以及牽引、動(dòng)力照明設(shè)備等負(fù)荷（視在功率S=P+jQ）分別用等值電路模型代替。由于外部電源容量遠(yuǎn)大于負(fù)荷端容量，故在分析過(guò)程中假設(shè)外部電源電壓恒定且不受負(fù)荷端電壓和負(fù)荷量的影響。將兩端電網(wǎng)在變電站處進(jìn)行等值處理，得到地鐵供電系統(tǒng)的電路模型如圖1所示。輸電線路用π型等值電路表示，變壓器勵(lì)磁支路以導(dǎo)納形式表示。其中R、X、B和G分別為等效電阻、電感、電納和電導(dǎo)。

圖1　地鐵供電系統(tǒng)等效電路模型圖

1.2負(fù)荷無(wú)功計(jì)算

無(wú)功補(bǔ)償裝置容量若設(shè)置不當(dāng)，則可能在地鐵負(fù)荷變化的過(guò)程中，導(dǎo)致系統(tǒng)向電網(wǎng)輸出的無(wú)功功率時(shí)而呈感性、時(shí)而呈容性，在二者之間頻繁變化，因此必須合理計(jì)算。

（1）輸電線路無(wú)功計(jì)算

電纜產(chǎn)生的無(wú)功功率包括線路串聯(lián)電抗中的無(wú)功損耗QS和線路電容的充電無(wú)功功率QC。電纜對(duì)地電納B=Bol（其中Bo為單位長(zhǎng)度電纜對(duì)地電納，l為電纜長(zhǎng)度），故其充電無(wú)功功率和電纜長(zhǎng)度成正比。當(dāng)電纜的長(zhǎng)度和電壓固定時(shí)，QC也固定，由此可得：

式中：U35-35kV電纜的平均電壓；U110-110kV電纜的平均電壓；I35-35kV電纜電流；I110-110kV電纜電流；X35-35kV電纜的電感；X110-110kV電纜的電感。通常電纜的充電無(wú)功都遠(yuǎn)大于線路的無(wú)功損耗，即QC＞＞QS，故可省略QS不計(jì)，將輸電線路視為無(wú)功電源。

（2）變壓器無(wú)功計(jì)算

變壓器等值電路參數(shù)計(jì)算如式（3）所示，式中SN為變壓器的額定視在功率 （kVA），UN為變壓器的額定電壓（kV），△Ps為變壓器額定電壓下的短路損耗 （kW），△P0為變壓器的空載損耗（kW），I0%為變壓器的空載電流，Uk%為變壓器的短路電壓。

變壓器的無(wú)功損耗QLT分為勵(lì)磁支路損耗△Qo和繞組漏抗中損耗△QT兩種，其中勵(lì)磁支路損耗百分值基本等于空載電流 Io%，約為1～2%；繞組漏抗中損耗的百分值，在變壓器滿載時(shí)，基本等于短路電壓Uk%。勵(lì)磁功率大致與電壓平方成正比；當(dāng)通過(guò)變壓器的視在功率不變時(shí)，漏抗中損耗的無(wú)功功率與電壓平方成正比。變壓器的無(wú)功損耗計(jì)算如下：

因此，無(wú)功補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)容量=110kV電纜充電無(wú)功+ 35kV電纜充電無(wú)功-變壓器空載無(wú)功。

2　無(wú)功補(bǔ)償方案設(shè)計(jì)

2.1工程案例

以某地鐵工程為例，如圖2所示：線路正線全長(zhǎng)約18.517km，共設(shè)置17座車站、1座車輛段、1處控制中心，2座110/35kV主變電所（1#和2#），共設(shè)置6個(gè)供電分區(qū)，僅考慮一期工程。每座主變電所引入2回110kV進(jìn)線電源，單母線分段接線。

根據(jù)該工程的現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)，可計(jì)算1#主變電所正常運(yùn)行時(shí)35kVⅠ段母線無(wú)功功率補(bǔ)償范圍為-2309～+4538kVar，35kVⅡ段母線無(wú)功功率補(bǔ)償范圍為-4863～+2085kVar；2#處主變電所正常運(yùn)行時(shí)35kVⅠ段母線無(wú)功功率補(bǔ)償范圍為-3141～+ 3521kVar，35kVⅡ段母線無(wú)功功率補(bǔ)償范圍為-1056～+ 5515kVar。

考慮到110kV電纜的充電無(wú)功基本恒定，為了使得電纜充電無(wú)功基本平衡，且取得較優(yōu)的經(jīng)濟(jì)效益，無(wú)功補(bǔ)償方案采用SVG（動(dòng)態(tài)補(bǔ)償部分）+并聯(lián)電抗器（固定補(bǔ)償部分）相結(jié)合。SVG實(shí)現(xiàn)從額定感性容量到額定容性容量連續(xù)可調(diào)，并聯(lián)電抗器進(jìn)行固定補(bǔ)償，可保證地鐵系統(tǒng)在夜間低負(fù)載運(yùn)行以及白天達(dá)到最大負(fù)載運(yùn)行工況下的高功率因數(shù)要求。

鑒于工程計(jì)算與實(shí)際運(yùn)行情況可能存在一定偏差，且本工程2座主變電所將來(lái)最終供電范圍及運(yùn)行模式尚不確定，本次設(shè)計(jì)在選擇無(wú)功功率補(bǔ)償裝置容量時(shí)將考慮感性無(wú)功功率輸出范圍預(yù)留10%的裕量，SVG+并聯(lián)電抗器容量配置具體如表1所示。

圖2　某地鐵某號(hào)線供電系統(tǒng)圖

表1　無(wú)功補(bǔ)償裝置容量分配

2.2SVG仿真分析

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主電路采用鏈?zhǔn)酱?lián)結(jié)構(gòu)，星型連接。每相由11個(gè)相同的功率模塊組成，采用10+1式的冗余設(shè)計(jì)。SVG采用單極倍頻載波移相調(diào)制方式（CPS-SPWM）及電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制策略，可實(shí)現(xiàn)恒功率因數(shù)、恒電壓、恒無(wú)功功率和負(fù)荷補(bǔ)償四種運(yùn)行模式。

為了驗(yàn)證該方案，搭建基于CPS-SPWM技術(shù)的級(jí)聯(lián)多電平逆變器的SVG仿真模型。仿真系統(tǒng)參數(shù)為：電網(wǎng)電壓為10kV，頻率50Hz，容量為4000kVar；變壓器連接方式為Dyn11，原邊側(cè)電壓為36.5kV，容量為4000kVA，短路阻抗為12%；SVG單個(gè)模塊直流側(cè)電容為4000μF，開關(guān)器件選用理想IGBT，直流側(cè)電壓參考值為850V，器件開關(guān)頻率為500Hz。仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3　SVG仿真波形

由圖3（a）和（b）可知，在SVG投入運(yùn)行后，A相輸出電壓波形趨近正弦波，峰值達(dá)到10kV；在不加任何濾波情況下，低次諧波含量非常少；輸出電流非常平滑。由電壓電流波形可看出二者的相位關(guān)系，從電網(wǎng)注入SVG裝置的電流超前裝置的輸出電壓，SVG工作在容性工況，補(bǔ)償電網(wǎng)側(cè)的感性無(wú)功。圖（c）、（d）中，無(wú)功電流iq跟隨其指令參考電流iqref特性好，穩(wěn)定后無(wú)靜差；功率因數(shù)由補(bǔ)償前的0.85提高至1，補(bǔ)償效果顯著；驗(yàn)證了本文所采用控制方法的可行性與有效性。

2.3實(shí)際運(yùn)行效果分析

在1#、2#主變電所I段和II段母線上安裝設(shè)計(jì)容量的SVG+并聯(lián)電抗器，以110kV進(jìn)線無(wú)功功率計(jì)35kV母線電壓作為控制目標(biāo)。為了驗(yàn)證SVG裝置的無(wú)功輸出容量、動(dòng)態(tài)無(wú)功跟隨以及諧波補(bǔ)償能力，可分別在負(fù)載特性為容性（晚上）和感性（白天）時(shí)進(jìn)行測(cè)試，記錄補(bǔ)償前后的功率因數(shù)、無(wú)功補(bǔ)償量、SVG輸出電流、110kV諧波含量等數(shù)據(jù)。本文以1#變電所I段母線安裝所需容量裝置為例，測(cè)試時(shí)間為00：30，測(cè)得的SVG輸出電流波形及母線側(cè)電壓波形如圖4所示。

圖4　現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)波形

實(shí)驗(yàn)測(cè)得地鐵供電系統(tǒng)的電壓波動(dòng)由補(bǔ)償前的2.8%降為0.4%，最大的無(wú)功倒送量降為2800kVar，平均功率因數(shù)提高至0.98以上。

由以上數(shù)據(jù)可以看出本文所設(shè)計(jì)的補(bǔ)償方案很好地解決了電纜充電無(wú)功引起的電壓波動(dòng)、無(wú)功倒送等各種電能質(zhì)量問(wèn)題，提高了地鐵供電系統(tǒng)的可靠性，避免因功率因數(shù)過(guò)低產(chǎn)生罰款。

3　結(jié)語(yǔ)

針對(duì)地鐵供電系統(tǒng)負(fù)荷無(wú)功特性，本文提供了一個(gè)合理的補(bǔ)償容量計(jì)算依據(jù)及補(bǔ)償方案，利用PSCAD軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證，再將其應(yīng)用在實(shí)際工程項(xiàng)目中，得如下結(jié)論：

（1）采用SVG（動(dòng)態(tài)補(bǔ)償部分）+并聯(lián)電抗器（固定補(bǔ)償部分）相結(jié)合的無(wú)功補(bǔ)償方案進(jìn)行地鐵供電系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償，裝置容量分配合理，在保證系統(tǒng)高功率因數(shù)運(yùn)行的前提下，經(jīng)濟(jì)性好；

（2）基于SVG裝置能在額定輸出容量范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)連續(xù)可調(diào)、輸出特性好、響應(yīng)速度快、損耗低等特點(diǎn)，且完全能滿足地鐵供電系統(tǒng)負(fù)荷變化較大的情況；可將其推廣應(yīng)用至電力系統(tǒng)、鋼鐵、煤礦、港口以及新能源等領(lǐng)域。

［1］譚復(fù)興，高偉君，等.城市軌道交通系統(tǒng)概論［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2007.

［2］于松偉，楊興山，韓連祥，張 巍，等.城市軌道交通供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理與應(yīng)用成都［M］.成都：西南交通大學(xué)出版社，2008.

［3］魯 楠.地鐵主變電所功率因數(shù)偏低情況及改善措施研究［J］.城市建設(shè)，2010，6：363～364.

吳 畏（1983-），工程師，本科，主要從事軌道交通供電系統(tǒng)方面的工作。

馬俊杰（1981-），工程師，本科，主要從事地鐵供電系統(tǒng)繼電保護(hù)方面的工作。

TM714.3

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2095-2066（2016）10-0017-02

2016-3-12