付勝華 李 文

(南昌軌道交通集團(tuán)有限公司， 330038， 南昌∥第一作者， 高級(jí)工程師)

伴隨著城市軌道交通的建設(shè)與運(yùn)營(yíng)，各類問(wèn)題也紛至沓來(lái)，供電系統(tǒng)功率因數(shù)問(wèn)題便是其中之一。由于供電系統(tǒng)負(fù)荷需求較大，且全部采用電纜輸電，因而容性充電無(wú)功功率較大。加上動(dòng)力照明、牽引負(fù)荷等無(wú)功功率，供電負(fù)荷中無(wú)功部分的占比較大。供電負(fù)荷中的有功部分隨著城市軌道交通線路客流高峰低谷變動(dòng)而不停地波動(dòng)。如果不做好無(wú)功平衡，消減無(wú)功部分的占比，城市軌道交通的公共連接點(diǎn)(PCC)功率因數(shù)很難穩(wěn)定在0.9以上[1]。低功率因數(shù)的供電系統(tǒng)將大量吸收城市電網(wǎng)無(wú)功，給城市電網(wǎng)帶來(lái)不利影響[2]。城市軌道交通線路運(yùn)營(yíng)商也會(huì)由此遭受城市電網(wǎng)開(kāi)出的巨額力調(diào)電費(fèi)罰款。為此，本文針對(duì)PCC功率因數(shù)小于0.9的問(wèn)題，對(duì)城市軌道交通供電無(wú)功平衡的合理措施進(jìn)行重點(diǎn)研究。

1 供電系統(tǒng)主接線模式

目前，我國(guó)城市軌道交通供電網(wǎng)普遍采用110 kV、35 kV兩級(jí)電壓集中供電模式。主變電所直接引自城市電網(wǎng)兩路不同110 kV電源，降壓至35 kV后為線路各牽引降壓混合所和降壓所供電。城市軌道交通主變電所35 kV母線采用單母線分段運(yùn)行，分為Ⅰ段、Ⅱ段，兩段母線分別接至下級(jí)牽引所、降壓所的Ⅰ段、Ⅱ段母線。牽引所通過(guò)降壓、整流為DC 1 500 V(750 V)直流電,并通過(guò)接觸網(wǎng)向列車供電。降壓所通過(guò)降壓變壓器降壓至0.4 kV后為車站提供動(dòng)力和照明用電。城市軌道交通供電系統(tǒng)的主接線模式如圖1所示。

2 供電系統(tǒng)無(wú)功分布及補(bǔ)償原則

2.1 供電系統(tǒng)的無(wú)功分布

從城市軌道交通供電系統(tǒng)主接線圖分析可知，供電系統(tǒng)無(wú)功功率來(lái)源包括：110 kV電纜和35 kV電纜容性充電無(wú)功；主變電所主變壓器感性無(wú)功；牽引、動(dòng)力照明負(fù)荷的感性無(wú)功。

這其中，電纜容性無(wú)功是相對(duì)固定值，可以作針對(duì)性補(bǔ)償；主變壓器的感性無(wú)功占比較小，且相對(duì)穩(wěn)定；牽引負(fù)荷(又名牽引電機(jī)負(fù)荷)為感性負(fù)荷，經(jīng)過(guò)24脈波整流-逆變斬波后，其理論功率因數(shù)為0.989,綜合功率因數(shù)可達(dá)0.950以上[3-4]。因此，牽引負(fù)荷原則上不需要無(wú)功補(bǔ)償，但牽引負(fù)荷的有功波動(dòng)會(huì)影響到PCC功率因數(shù)。此外,通風(fēng)、通信、多聯(lián)機(jī)、冷水機(jī)組、電扶梯、商業(yè)用電等動(dòng)力設(shè)備的功率因數(shù)約為0.8，照明設(shè)備的功率因數(shù)約為0.65，這些設(shè)備均產(chǎn)生感性無(wú)功[5]。由此可知，電纜容性無(wú)功需要實(shí)施固定靜態(tài)補(bǔ)償，動(dòng)力照明負(fù)荷是動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹饕獙?duì)象。

圖1 城市軌道交通供電系統(tǒng)主接線圖

2.2 供電系統(tǒng)補(bǔ)償原則及常用的無(wú)功補(bǔ)償措施

2.2.1 無(wú)功補(bǔ)償原則

無(wú)功補(bǔ)償原則主要包括：

1) 就近集中補(bǔ)償，以減少無(wú)功電流引起的損耗。

2) 避免過(guò)補(bǔ)償，以減少不必要的設(shè)備投資。

3) PCC功率因數(shù)提高至0.95即為理想補(bǔ)償。在實(shí)際補(bǔ)償操作中，PCC功率因數(shù)至少要大于等于0.9(電網(wǎng)考核基本要求)。

2.2.2 常用的無(wú)功補(bǔ)償措施

供電系統(tǒng)采用的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備主要有同步調(diào)相機(jī)、并聯(lián)電容器、并聯(lián)電抗器、靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置(SVC)、動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置(SVG)等。其中：同步調(diào)相機(jī)因體積龐大、造價(jià)高，已基本被市場(chǎng)淘汰；并聯(lián)電容器、SVC均不適用于無(wú)功功率波動(dòng)快、響應(yīng)速度要求高的供電負(fù)荷；并聯(lián)電抗器對(duì)電纜充電容性無(wú)功能起到很好的平衡作用，既能有效補(bǔ)償無(wú)功功率，還能抑制諧波,限制操作過(guò)電壓幅值；SVG可實(shí)現(xiàn)快速動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)無(wú)功(響應(yīng)時(shí)間小于5 ms)，其無(wú)功輸出具有雙向性和連續(xù)性，無(wú)功補(bǔ)償能力不受系統(tǒng)電壓影響，補(bǔ)償電流中的諧波含量少，且可避免出現(xiàn)諧振。

因此，并聯(lián)電抗器、SVG已成為當(dāng)前城市軌道交通供電系統(tǒng)最為常用的無(wú)功補(bǔ)償方式。可根據(jù)城市軌道交通線路容性無(wú)功補(bǔ)償需求量的大小，將兩者結(jié)合使用，其無(wú)功補(bǔ)償效果更佳。

3 PCC功率因數(shù)及主要無(wú)功計(jì)算

3.1 主變電所電氣等值電路

主變電所電氣等值電路[6]如圖2所示。

a) 主變電所供電系統(tǒng)連接示意圖

b) 等值電路

3.2 無(wú)功計(jì)算的基本公式

功率因數(shù)cosφ的計(jì)算公式為：

(1)

式中：

Pi——PCC有功負(fù)荷；

Qi——PCC無(wú)功負(fù)荷；

n1——有功功率元器件的數(shù)量；

n2——無(wú)功功率元器件的數(shù)量。

PPC處的Qi具體又主要包括電纜容性無(wú)功Q、主變壓器的無(wú)功損耗QT,計(jì)算公式分別為[7-8]：

(2)

Q=Q0L

(3)

(4)

式中：

Q0——單位長(zhǎng)度電纜的容性無(wú)功功率；

f——供電頻率，取工頻50 Hz；

UL——電纜線電壓；

C0——電纜導(dǎo)體與金屬屏蔽或金屬護(hù)套間的單位長(zhǎng)度三相電容；

L——電纜的長(zhǎng)度；

SC——主變壓器實(shí)時(shí)負(fù)荷容量；

SN——主變壓器額定容量；

I0——變壓器空載電流占一次側(cè)額定電流的百分比；

uk——短路電壓占一次側(cè)額定電壓的百分比。

3.3 無(wú)功平衡實(shí)例計(jì)算

本文以南昌軌道交通線路某主變電所為例進(jìn)行無(wú)功平衡計(jì)算。該系統(tǒng)中,PCC功率因數(shù)表位于110 kV進(jìn)線電纜對(duì)側(cè)(電網(wǎng)側(cè))，主變電所35 kV母線Ⅰ段、Ⅱ段分列運(yùn)行。選擇該線的運(yùn)營(yíng)初期為計(jì)算水平年，35 kV母線各分段獨(dú)立集中平衡無(wú)功。因廠家制造方式不同和敷設(shè)方式不同等原因，電纜的充電功率有所差異：110 kVⅠ段、Ⅱ段電纜的容性充電無(wú)功分別為-6.40 Mvar和-5.83 Mvar；35 kVⅠ段、Ⅱ段母線電纜容性無(wú)功分別為-2.37 Mvar和-1.96 Mvar，如表1所示。

表1 南昌軌道交通某主變電所電纜充電無(wú)功計(jì)算

在該線的運(yùn)營(yíng)初期，無(wú)功補(bǔ)償裝置配置了2臺(tái)4.5 Mvar SVG;主變電所配置了2臺(tái)25 MVA的主變壓器，負(fù)荷在25%～45%范圍波動(dòng)。在負(fù)荷低谷期(負(fù)荷取25%)，經(jīng)計(jì)算可得到每臺(tái)主變壓器的QT約為0.237 Mvar；在負(fù)荷高峰期(負(fù)荷取45%)計(jì)算可得到每臺(tái)主變壓器的QT約為0.605 Mvar。在負(fù)荷的低谷期和高峰期，35 kV母線Ⅰ段動(dòng)力照明的感性無(wú)功分別為1.133 Mvar和3.497 Mvar，35 kV母線Ⅱ段動(dòng)力照明的感性無(wú)功分別為0.856 Mvar和2.814 Mvar。

該供電系統(tǒng)中在不同負(fù)荷下的無(wú)功分布及計(jì)算如表2所示。由于牽引負(fù)荷的功率因數(shù)在0.98以上，在表2的無(wú)功平衡計(jì)算時(shí)忽略該部分的功率補(bǔ)償。從表2的計(jì)算結(jié)果可知，在完全平衡系統(tǒng)中無(wú)功功率的情況下，35 kV I段母線在負(fù)荷高峰期需要額外補(bǔ)充4.668 Mvar的感性無(wú)功，在負(fù)荷低谷期則需要額外補(bǔ)充7.400 Mvar的感性無(wú)功；35 kV Ⅱ段母線在負(fù)荷高峰期需要額外補(bǔ)充4.371 Mvar的感性無(wú)功，在負(fù)荷低谷期則需要額外補(bǔ)充6.697 Mvar的感性無(wú)功。

3.4 無(wú)功平衡分析

綜上所述，城市軌道交通供電系統(tǒng)內(nèi)含有大量的容性無(wú)功。通過(guò)計(jì)算可得，該線路35 kV的Ⅰ段母線在負(fù)荷低谷期未配置無(wú)功補(bǔ)償裝置的情況下可產(chǎn)生高達(dá)7.400 Mvar的容性無(wú)功并返送電網(wǎng)，PCC的月平均功率因數(shù)最低僅有0.32，遠(yuǎn)小于城市電網(wǎng)要求的0.9。

在該線建設(shè)時(shí)，主變電所的35 kV每段母線各配置了1臺(tái)4.5 Mvar的SVG。線路投入運(yùn)營(yíng)后發(fā)現(xiàn)，主變電所PCC功率因數(shù)較完全未配置補(bǔ)償裝置時(shí)的0.32雖有所提升，但實(shí)時(shí)功率因數(shù)在運(yùn)營(yíng)低谷期仍長(zhǎng)期維持在0.65。尤其是110 kV的I段進(jìn)線，表計(jì)顯示運(yùn)營(yíng)低谷期有2.900 Mvar的容性無(wú)功倒送至城市電網(wǎng)。為此，2018年，城市電網(wǎng)給南昌軌道交通開(kāi)具了60萬(wàn)元/月的力調(diào)電費(fèi)罰款。

表2 不同負(fù)荷下供電系統(tǒng)的無(wú)功分布及計(jì)算

為優(yōu)化該主變電所供電系統(tǒng)的運(yùn)行，避免不必要的力調(diào)電費(fèi)罰款，需對(duì)該主變電所進(jìn)行無(wú)功平衡改造:35 kV的I段和Ⅱ段母線各新增了1臺(tái)可以分別實(shí)現(xiàn)60%、80%、100%調(diào)檔的8 Mvar并聯(lián)電抗器，用于平衡110 kV外線電纜的充電無(wú)功。該并聯(lián)電抗器與現(xiàn)有的2臺(tái)4.5 Mvar SVG聯(lián)合使用，對(duì)系統(tǒng)無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償。改造結(jié)果表明，新增的2臺(tái)并聯(lián)電抗器與既有的2臺(tái)SVG對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合補(bǔ)償后實(shí)現(xiàn)了無(wú)功功率就地平衡，PCC功率因數(shù)穩(wěn)定在0.95以上，達(dá)到既定的改造目的。

4 結(jié)語(yǔ)

城市軌道交通線路的設(shè)計(jì)方必須重視供電系統(tǒng)無(wú)功功率的就地平衡。僅做電網(wǎng)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)單位需熟悉城市軌道交通的相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，依據(jù)城市軌道交通供電負(fù)荷的特性進(jìn)行設(shè)計(jì)，不能以城市電網(wǎng)的設(shè)計(jì)思維來(lái)設(shè)計(jì)城市軌道交通供電系統(tǒng)。如果無(wú)功補(bǔ)償容量的計(jì)算不精細(xì)，計(jì)算值小于實(shí)際需求補(bǔ)充容量，將直接造成PCC功率因數(shù)不合格的后果，且在線路運(yùn)營(yíng)后再改造的成本和難度都很大；而且，若為了免責(zé)，故意夸大補(bǔ)償容量，將直接造成不必要的設(shè)備投資，這也是不負(fù)責(zé)任的設(shè)計(jì)行為。

綜上所述，城市軌道交通供電系統(tǒng)無(wú)功功率來(lái)源主要在于2個(gè)方面：一是110 kV和35 kV電纜的容性無(wú)功，該部分無(wú)功功率可通過(guò)配置并聯(lián)電抗器來(lái)固定補(bǔ)償，以此減少SVG的配置容量；二是供電負(fù)荷的感性無(wú)功，主要是主變壓器和動(dòng)力、照明負(fù)荷的無(wú)功，可配置動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)、快速響應(yīng)的SVG，用以平衡這部分的無(wú)功功率。從經(jīng)濟(jì)合理、安裝簡(jiǎn)單、運(yùn)維便利等角度分析，若110 kV電纜長(zhǎng)度超過(guò)4 km，建議采用以并聯(lián)電抗器補(bǔ)償為主、SVG補(bǔ)償為輔的聯(lián)合補(bǔ)償機(jī)制；若110 kV電纜長(zhǎng)度在4 km及以下時(shí)，則僅需配置SVG來(lái)平衡無(wú)功。