地鐵供電系統(tǒng)無功補(bǔ)償方案

摘 要：無功補(bǔ)償就是采用外置的電流源補(bǔ)償負(fù)載運(yùn)行過程中所消耗的無功功率，提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，降低供電變壓器及輸送線路的損耗，提高供電效率，改善供電環(huán)境。大多數(shù)的電力電子裝置的功率因數(shù)很低，給電網(wǎng)帶來額外的負(fù)擔(dān)，并影響供電的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：地鐵供電系統(tǒng)；無功補(bǔ)償；SVC；SVG

1 引言

電動機(jī)需要建立和維持旋轉(zhuǎn)磁場，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，從而帶動機(jī)械運(yùn)動，電動機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場就是靠從電源取無功功率建立的。變壓器也同樣需要無功功率，才能使變壓器的一次線圈產(chǎn)生磁場，在二次線圈感應(yīng)出電壓，從而完成能量的傳遞。需要強(qiáng)調(diào)的是：無功并不是“無用”電功率，只是它不對外做功而已。

無功功率用Q表示，它的大小可以用功率因數(shù)cosφ這個(gè)參數(shù)表示：

功率因數(shù)是有功功率P與視在功率S的比值，反映了電源輸出地有功功率被有效利用的程度。功率因數(shù)越小，系統(tǒng)需要從電網(wǎng)上吸收的無功功率越大。

2 地鐵無功特點(diǎn)及地鐵現(xiàn)狀

2.1 地鐵電力系統(tǒng)的特點(diǎn)

大部分城市地鐵采用110/35kV主變電所集中供電方式，地鐵供電系統(tǒng)中包含了大量的低壓供電設(shè)備及長電纜線路，其自然功率因數(shù)較低。以深圳地鐵一號線為例，110kV西鄉(xiāng)變電站的年平均功率因數(shù)不到0.8，因此需支付大量力調(diào)電費(fèi)。由于地鐵本身的工作特性，晚上地鐵停運(yùn)后母線處于無功倒送狀態(tài)。根據(jù)已經(jīng)運(yùn)行的地鐵觀測，牽引負(fù)荷的功率因數(shù)比較高，均在0.9以上，0.4KV動力照明負(fù)荷則較低，在0.5左右。并且地鐵空載狀態(tài)下功率因數(shù)最低，在0.01左右，低負(fù)載狀態(tài)下在0.05左右，滿載狀態(tài)時(shí)一般大于0.9，基本不需要補(bǔ)償。

2.2 地鐵無功特點(diǎn)

①電纜的充電無功影響較大。②夜晚功率因數(shù)低。③無功波動大。④存在沖擊性負(fù)荷。

2.3 地鐵現(xiàn)狀

根據(jù)目前深圳地鐵一號線110kV西鄉(xiāng)變電站的實(shí)測值，天鐵進(jìn)線在秋冬季負(fù)荷率較低的情況下功率因數(shù)平均不到0.7（功率因數(shù)0.9為達(dá)標(biāo)值），需要額外支付大量功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)。地鐵供電系統(tǒng)無功功率不能實(shí)現(xiàn)內(nèi)部平衡，功率因數(shù)不符合要求，有必要安裝無功補(bǔ)償裝置。

3 地鐵無功補(bǔ)償

3.1 地鐵無功補(bǔ)償方式

根據(jù)地鐵供電方式運(yùn)行特點(diǎn)，為抑制無功倒送、降低電壓波動和消除諧波，我們采用的無功補(bǔ)償方式有兩種：

3.1.1 在主變電所集中補(bǔ)償。在主所35kv GIS母線上裝設(shè)無功補(bǔ)償裝置。

3.1.2 在變電所低壓集中補(bǔ)償，在0.4kv開關(guān)柜裝設(shè)電容無功補(bǔ)償裝置。

由于0.4kV裝設(shè)的補(bǔ)償裝置采用的是電容組循環(huán)投切的方式，已經(jīng)有比較成熟的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和維護(hù)方法，其補(bǔ)償效果也已在其他城市地鐵中檢驗(yàn)是可行的，因此本文不做討論，主要討論35kv GIS裝設(shè)的補(bǔ)償裝置。

3.2 中壓補(bǔ)償方式分類

目前常用的補(bǔ)償方案有：集中式補(bǔ)償，分區(qū)集中補(bǔ)償，分布式補(bǔ)償三種，分布式補(bǔ)償方式需要的設(shè)備最多，補(bǔ)償效果相對來說最好，集中式補(bǔ)償設(shè)備最少，投資最少，效果和其他兩種方式相比較差。

3.3 無功補(bǔ)償?shù)亩x和意義

3.3.1 系統(tǒng)功率因數(shù)過低，對電力系統(tǒng)和供電企業(yè)的影響很大。

3.3.2 當(dāng)用戶功率因數(shù)偏低時(shí)，需要從電網(wǎng)上吸收無功功率，這樣發(fā)電機(jī)組就要多發(fā)無功，降低了發(fā)電機(jī)效率。

3.3.3 無功負(fù)荷在電網(wǎng)上傳送，白白占用了輸、變、配電設(shè)備的資源，使這些設(shè)備的利用率降低，達(dá)不到額定出力，增加設(shè)備投資。

3.3.4 無功會影響系統(tǒng)電壓，無功的傳輸和大量消耗，產(chǎn)生無功電壓降，線路末端電壓會很低，使系統(tǒng)電壓不能滿足要求，造成用電設(shè)備不能啟動或者達(dá)不到額定功率。

3.3.5 會使線路及電氣設(shè)備中的諧波增大，使損耗增大，增加線損，增大了電費(fèi)支出。

并且根據(jù)供電企業(yè)規(guī)定：高壓供電的用戶，其功率因數(shù)不應(yīng)小于0.9；低壓供電的用戶，其功率因數(shù)不小于0.85。功率因數(shù)過低會收取功率因數(shù)調(diào)整費(fèi)，所以對于地鐵供電這種高壓用戶，必須安裝無功補(bǔ)償裝置。

4 補(bǔ)償?shù)某Ｒ姺椒?/p>

4.1 采用SVC無功補(bǔ)償裝置

SVC是靜止無功補(bǔ)償器的簡稱。其典型代表是晶閘管投切電容器（TSC）、晶閘管控制電抗器+固定電容器（TCR+FC）等。

TSC使用高壓可控硅組投切高壓補(bǔ)償電容器。一般情況下，按照一定的比例設(shè)計(jì)成多組支路的濾波器，在基波頻率下成容性，分級改變補(bǔ)償裝置的無功出力，濾波支路在某次諧波下偏調(diào)諧，兼濾該次諧波。

特點(diǎn)：能快速跟蹤變化的負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)動態(tài)投切；保證電容器投切瞬間無沖擊涌流；自身功耗??；自身不產(chǎn)生諧波；對系統(tǒng)內(nèi)有沖擊性負(fù)荷，無功補(bǔ)償需要頻繁變化的場合。

缺陷：電容器分組投切，補(bǔ)償容量有臺階，在需要精確補(bǔ)償場合，電容器分組要多，相對成本增加。

TCR+FC通過調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)角α，實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)補(bǔ)償裝置的無功功率。利用TCR回路吸收的感性無功功率，可以對無功功率進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償，使得并聯(lián)濾波器中多余的無功功率得到平衡，確保補(bǔ)償點(diǎn)的電壓接近維持不變。

特點(diǎn)：使用可控硅調(diào)節(jié)相控電抗器或磁飽和電抗器的輸出電流，與電容器組配合實(shí)現(xiàn)動態(tài)無功連續(xù)補(bǔ)償。

缺陷：①裝置本身產(chǎn)生低次諧波，需要配置濾波電容器對自身產(chǎn)生的諧波進(jìn)行濾波；②配置的感性無功容量與容性無功容量基本相等，需雙倍投資；③裝置占地面積大；電抗器噪音較大；④裝置自身功耗比較大，發(fā)熱嚴(yán)重。

4.2 采用SVG無功補(bǔ)償裝置

SVG是靜止無功發(fā)生器的簡稱，原理是將變流器并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)變流器交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值，就可以使其吸收或發(fā)出滿足要求的可連續(xù)調(diào)節(jié)的無功電流。

其主要特點(diǎn)有：（1）裝置體積小。（2）補(bǔ)償電流諧波含量低，動態(tài)響應(yīng)速度快。（3）雙向、連續(xù)調(diào)節(jié)無功功率輸出等優(yōu)點(diǎn)。（4）該裝置產(chǎn)生無功和消除諧波主要是靠其內(nèi)部電子開關(guān)的頻繁動作產(chǎn)生無功電流，取消了傳統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置中的電容器、電抗器，不會發(fā)生串聯(lián)或并聯(lián)諧振。

缺點(diǎn)是造價(jià)高，初期投入比較大；設(shè)備比較復(fù)雜，自身損耗大。

4.3 H.SVG裝置

H.SVG響應(yīng)速度快，功耗和發(fā)熱量小，可廣泛適用各種負(fù)荷狀況，起到穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，增加變壓器帶載能力，抑制系統(tǒng)諧波的作用。如：因大量使用感應(yīng)電動機(jī)，負(fù)荷沖擊波動非常大，造成系統(tǒng)功率因數(shù)偏低。H.SVG能自動跟蹤負(fù)荷變化，平滑無級輸出與負(fù)荷的無功電流大小相等、方向相反的容性無功電流，使系統(tǒng)的功率因數(shù)達(dá)到0.98以上；另外，對于負(fù)載呈現(xiàn)容性或者是處在容性，感性反復(fù)變化的狀態(tài)的現(xiàn)場，傳統(tǒng)的無功功率補(bǔ)償器無法達(dá)到補(bǔ)償效果，使用該產(chǎn)品可使系統(tǒng)的功率因數(shù)達(dá)到0.98以上，節(jié)能和諧波抑制效果顯著。

采用高壓連接變壓器把系統(tǒng)電壓降到適合功率單元工作的電壓等級上，通過連接變壓器把無功送入電網(wǎng)，H.SVG結(jié)構(gòu)是基于逆變橋的并聯(lián)結(jié)構(gòu)模式。采用大功率的IGBT管組成三相逆變橋，可動態(tài)雙向連續(xù)調(diào)節(jié)無功功率，可補(bǔ)償感性無功，又可補(bǔ)償容性無功。H.SVG調(diào)節(jié)速度快，適合于電網(wǎng)頻繁波動的場合。

自身功耗低，發(fā)熱量小，節(jié)能效果明顯。取消了傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償裝置中的補(bǔ)償電容器，克服了傳統(tǒng)補(bǔ)償器易與系統(tǒng)發(fā)生諧振的缺點(diǎn)。輸出無功電流是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，不產(chǎn)生諧波，在系統(tǒng)諧波電流較大環(huán)境下，H.SVG仍可正常運(yùn)行。保護(hù)措施齊全、具有過流、過壓、欠壓、過熱，電子元器件監(jiān)測等多重保護(hù)。采用大容量，高清晰的人機(jī)界面彩色觸摸屏，可顯示和記錄系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)；菜單中文顯示，圖文并茂，顯示界面能觸摸設(shè)定，人機(jī)對話?？蓪?shí)時(shí)顯示裝置運(yùn)行參數(shù)和歷史事件記錄。通過RS485接口、RS232接口或其他通訊方式，可與上位機(jī)進(jìn)行通訊。

5 結(jié)束語

以上所有的研究均是從理論計(jì)算方面對補(bǔ)償方案進(jìn)行分析，但實(shí)際補(bǔ)償效果如何，以后正常運(yùn)行時(shí)是否投入等，還需要在地鐵運(yùn)行的情況下進(jìn)行實(shí)際檢驗(yàn)，進(jìn)而為其他線路的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]耿亮，虞蒼璧，劉寶誠.城市軌道交通供電無功補(bǔ)償設(shè)備安裝及容量確定[J].電氣技術(shù).2012（05）：36-37.