探討城市軌道交通供電系統(tǒng)無功補(bǔ)償方式

夏付炳

（陜西省西安市西安地下鐵道有限責(zé)任公司，陜西 西安 710018）

1 軌道交通供電系統(tǒng)組成

目前，軌道交通供電系統(tǒng)通常采用集中供電方式。每座主變電所配置兩臺(tái)110/35kV主變壓器， 由城市電網(wǎng)提供兩回專用線路對(duì)兩臺(tái)主變壓器獨(dú)立供電。110kV變換成35kV電壓后通過35kV供電環(huán)網(wǎng)電纜分別向設(shè)置在各地鐵車站的變電所供電。

牽引供電系統(tǒng)采用DC750/1500V的供電方式。電力經(jīng)牽引（降壓混合）變電所兩臺(tái)牽引整流機(jī)組降壓和整流后輸出750/1500V直流，經(jīng)牽引網(wǎng)系統(tǒng)向列車的牽引用電負(fù)荷供電。

動(dòng)力及照明供電系統(tǒng)電壓為交流380/220V。車站設(shè)一個(gè)降壓變電所，每個(gè)降壓變電所設(shè)置兩臺(tái)動(dòng)力變壓器。兩臺(tái)動(dòng)力變壓器經(jīng)降壓后，將0.4kV低壓電能通過動(dòng)力照明配電系統(tǒng)向其供電范圍內(nèi)的車站和區(qū)間各用電負(fù)荷供電。

2 地鐵供電系統(tǒng)負(fù)荷功率因數(shù)

2.1 牽引負(fù)荷。由于牽引變電所中的整流機(jī)組采用24脈波整流方式，牽引負(fù)荷的總功率因數(shù)可約為0.95。牽引負(fù)荷的用電單一且易控制，功率因數(shù)較高且相對(duì)穩(wěn)定，無功功率需求量較少。

2.2 變壓器及電纜。各類變壓器消耗感性無功，中壓環(huán)網(wǎng)電纜及低壓電力電纜都能提供一定的容性無功。供電網(wǎng)絡(luò)一旦建成，變壓器消耗的感性無功及電纜提供的容性無功都基本穩(wěn)定，較易控制。

2.3 動(dòng)力及照明負(fù)荷。城軌動(dòng)力及照明負(fù)荷涉及多個(gè)用電系統(tǒng)，如通風(fēng)空調(diào)環(huán)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、電扶梯屏蔽門系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)、人防系統(tǒng)、車站隧道照明系統(tǒng)等等。每個(gè)用電系統(tǒng)內(nèi)容大不一樣，開啟時(shí)間不定，其功率因數(shù)也不相同，一般為0.5～0.8，較難控制。

3 各類負(fù)荷引起電能質(zhì)量問題主要表現(xiàn)如下：（1）低功率因數(shù)，高電網(wǎng)損耗，高生產(chǎn)成本，低生產(chǎn)效率和較低設(shè)備使用安全性。（2）無功負(fù)荷突變能直接引起電網(wǎng)供電電壓降落與浪涌、電壓波動(dòng)和電壓閃變，甚至能影響用電設(shè)備的正常使用。（3） 非線性負(fù)荷的諧波電流造成電網(wǎng)電壓畸變。（4） 造成電網(wǎng)三相不對(duì)稱，造成中心線過電流，引起中心線過熱。

4 補(bǔ)償方案

補(bǔ)償方案的選擇與供電局考核點(diǎn)有關(guān)， 由軌道交通供電系統(tǒng)組成及負(fù)荷構(gòu)成分析，其無功特點(diǎn)是：電纜無功影響大；夜晚停運(yùn)功率因數(shù)低，無功倒送；無功波動(dòng)大；存在沖擊性負(fù)荷。

目前供電局一般要求用戶自身功率因數(shù)達(dá)到要求即可，至于輸電110kV電纜無功倒送問題，在后期負(fù)荷升高后自然抵消或是在變電站110kV饋線端加電抗器解決。為達(dá)到地鐵中壓網(wǎng)絡(luò)中的無功平衡，一般在主變電所設(shè)置無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行集中補(bǔ)償，以改善高壓側(cè)電源的功率因數(shù)，提供降壓變電所的電壓和補(bǔ)償變壓器的無功損耗。各地根據(jù)自身情況在不同時(shí)期，相應(yīng)的技術(shù)條件下選用了以下的集中補(bǔ)償方案：（1）采用電容和電抗器進(jìn)行無功補(bǔ)償；（2）靜止無功補(bǔ)償器（SVC）；（3）靜止無功發(fā)生器（SVG）。

5 補(bǔ)償比較

5.1 電容和電抗器無功補(bǔ)償。該方案投資低，但無功補(bǔ)償效果差，投切速度慢，不適合負(fù)荷變換頻繁的場(chǎng)合，易產(chǎn)生欠補(bǔ)償和過補(bǔ)償。同時(shí)可能會(huì)引起某次諧波諧振或放大，因此城軌供電系統(tǒng)補(bǔ)償基本不采用此方案。

5.2 靜止無功補(bǔ)償器（SVC）。靜止型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置即Static Var Compensator（SVC）是目前國(guó)內(nèi)外解決這一系列問題普遍采用的方法，在無功負(fù)荷接入點(diǎn)處接入SVC裝置后，無功負(fù)荷沖擊得到抑制、高次諧波得到濾除、三相電網(wǎng)得到平衡、PCC點(diǎn)電壓得到穩(wěn)定和提高了 電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

TCT型SVC，TCT名稱含義是晶閘管控制變壓器（Thyristor Controlled Transformer，簡(jiǎn)稱TCT），結(jié)合其實(shí)際用途，把它理解成晶閘管控制變壓器型可調(diào)電抗器。TCT實(shí)際上是將常規(guī)TCR中的耦合變壓器和電抗器合二為一。

TCT 組成：高阻抗變壓器本體+晶閘管閥+控制器。

原理：晶閘管閥連接在高阻抗變壓器本體的低壓側(cè)，通過調(diào)整晶閘管閥的導(dǎo)通角，改變低壓繞組電流，高阻抗變壓器高壓繞組的電流立即會(huì)按相應(yīng)的匝數(shù)比改變，從而改變TCT無功功率大小。通過晶閘管控制變壓器的副邊電流，從而控制原邊連續(xù)變化的感性無功功率，當(dāng)晶閘管完全導(dǎo)通時(shí)，相當(dāng)于副邊短路運(yùn)行，此時(shí)輸出感性無功功率最大，即達(dá)到可控電抗的額定容量。

TCT特點(diǎn)：（1）響應(yīng)速度，全波采樣需要20ms，半波采樣10ms。（2）可靠性，本體是高阻抗變壓器，抗沖擊能力強(qiáng)，晶閘管運(yùn)行在變壓器的低壓側(cè)；（3）結(jié)構(gòu)，TCT的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)過簡(jiǎn)單的培訓(xùn)就能操作。（4）噪音，TCT的整個(gè)磁路上沒有飽和的區(qū)域，不會(huì)因?yàn)榇艤炜s的作用產(chǎn)生很大的噪音，TCT上沒有大功率風(fēng)扇等運(yùn)動(dòng)部件發(fā)出噪音。（5）損耗，與其它可調(diào)電抗器不同，TCT的整個(gè)磁路上沒有飽和的區(qū)域，鐵損??；TCT磁場(chǎng)不會(huì)泄露到本體外部，附加損耗小。

5.3 靜止無功發(fā)生器（SVG）。靜止無功發(fā)生器Static Var Generator，簡(jiǎn)稱為SVG。其基于電壓源型變流器的補(bǔ)償裝置實(shí)現(xiàn)了無功補(bǔ)償方式。是通過大功率電力電子器件的高頻開關(guān)實(shí)現(xiàn)無功能量的變換。

具備如下主要功能：（1）在電力系統(tǒng)擾動(dòng)情況下，提供有效的電壓支撐；（2）提高輸電系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性；（3）降低暫態(tài)過電壓；（4）阻尼系統(tǒng)的低頻和次同步振蕩；（5）減小電壓和電流的不平衡，抑制不對(duì)稱負(fù)荷；（6）減小由于電壓波動(dòng)引起的閃變；（7）增加輸電線路的有功功率傳輸容量；（8）濾除流入系統(tǒng)的諧波電流。

目前已經(jīng)投運(yùn)的SVG主要分為兩種結(jié)構(gòu)，即多重化/多電平結(jié)構(gòu)和鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，西安地鐵一、三號(hào)線采用鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。

SVG是目前最先進(jìn)的無功補(bǔ)償設(shè)備，目前全國(guó)范圍正大力推廣，但其技術(shù)還在發(fā)展階段，維護(hù)率較高，有待在運(yùn)行中進(jìn)一步考驗(yàn)。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，地鐵供電系統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)倪x擇，需在充分了解系統(tǒng)構(gòu)成，地鐵設(shè)備負(fù)荷類型，設(shè)備季節(jié)性開啟、日常負(fù)荷曲線，供電局考核點(diǎn)選取，環(huán)境保護(hù)，投資維護(hù)經(jīng)濟(jì)性等因數(shù)下綜合研究，進(jìn)行補(bǔ)償方式的選擇。

[1]陳淑真，等.電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)電力出版社.