地鐵供配電系統(tǒng)動態(tài)補償裝置技術應用

頡 鵬，王 卓，齊大洪

（徐州市城市軌道交通有限責任公司，江蘇徐州 221000）

0 引言

地鐵車站變電所通過35 kV中壓環(huán)網(wǎng)電纜從110/35 kV主變電所取得中壓電源，區(qū)間機電設備通過0.4 kV低壓電纜從車站變電所取得低壓電源[1-4]。地鐵用電負荷主要由牽引用電、設備系統(tǒng)用電、照明用電、通風機、水泵和電扶梯用電構成。其中牽引用電、設備系統(tǒng)用電和照明用電負荷功率因數(shù)較高，都在0.9以上，通風空調風機、水泵和電扶梯用電負荷功率因數(shù)較低，在0.85以下[5]。由于區(qū)間隧道風機及水泵電機因功率因數(shù)低，需要就地補充電容電流，而傳統(tǒng)電容補償技術因補償效率低、環(huán)境要求高且存在諧振風險等原因，無法在區(qū)間設備配電設計中推廣使用。此外，地鐵供配電系統(tǒng)受自身負荷特性（如客流量、末端設備負載等）影響，其綜合功率因素并不是一成不變，配電系統(tǒng)無功功率分布和流向也需要動態(tài)調整。如在夜間停運時，主變電所35 kV功率因數(shù)超高，需要補償電感電流。但部分長大區(qū)間隧道設備大容量風機的電機自然功率因數(shù)低，需要補償電容電流。

本文針對地鐵長大區(qū)間風機配電線路壓降大、損耗高、配電系統(tǒng)無功功率分布復雜等問題，結合動態(tài)補償、濾波技術的研究成果，在地鐵區(qū)間低壓配電設計中，提出了一種動態(tài)補償裝置（SVG）就地補償技術。該技術不僅可有效降低電纜截面，節(jié)約電能損耗，還可促使變配電系統(tǒng)功率平衡，提高低壓配電系統(tǒng)設計的科學性、合理性，可在地鐵類似工程中推廣參考使用。

1 動態(tài)補償裝置

1.1 裝置功能

SVG（Static Var Generator）靜止無功發(fā)生器靠其內部電子開關頻繁動作產生無功電流?；驹硎亲該Q相橋式電路通過電抗器或者變壓器直接并聯(lián)在電網(wǎng)上，通過實時調節(jié)橋式電路交流側輸出電壓的相位和幅值，吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流，實現(xiàn)動態(tài)無功補償?shù)哪康腫6]。如圖1所示。

圖1 動態(tài)補償裝置（SVG）基本原理

假設Vi為SVG輸出的交流電壓，Vs為交流電網(wǎng)的電壓源，VL為連接電抗器（由內阻R）上的電壓，即Vs、Vi的向量差，而電抗器上的電流可由其電壓Vi控制，該電流就是SVG從電網(wǎng)吸收的電流I。如圖2所示。

圖2 SVG等效電路及向量圖（不含損耗）

從圖可以看出：若SVG從電網(wǎng)吸收無功電流IQ，無功功率為Q，并吸收滯后無功為正，則：

從上式可以看出：當Vt＜Vs時，IQ＞0、Q＞0，SVG電流滯后系統(tǒng)電壓90°，SVG處于感性工作區(qū)，從系統(tǒng)吸收感性功率；Vt=Vs時，SVG與系統(tǒng)之間存在功率交換關系；Vt＞Vs時，IQ＜0、Q＜0，電流超前系統(tǒng)90°，SVG處于容性工作狀態(tài)，從系統(tǒng)吸收容性無功。考慮到連接電抗器的損耗和逆變器本身的損耗（管壓降、開關損耗、線路損耗），可將總損耗等效為連接電抗器的電阻，SVG等效電路如圖3所示。

圖3 SVG等效工作原理和向量圖（含損耗）

由于逆變器本身不需要消耗能量，因此逆變器輸出電壓Vt與電流I仍相差90°。但因為連接電抗器等效電阻R的存在，這樣使得電網(wǎng)電壓Vs與電流I的相差不再是90°，而是比90°小了δ，既Vt與Vs的相位差角。由于δ的存在使得SVG從系統(tǒng)接受有功，補償電路的各種損耗。其中電網(wǎng)、SVG及負載電流、電壓波形圖如圖4～圖6所示。

圖4 電網(wǎng)電壓與電網(wǎng)電流波形圖

圖5 電網(wǎng)電壓與負載電流波形圖

圖6 電網(wǎng)電壓與SVG電流波形圖

1.2 裝置構成

動態(tài)補償裝置構成是典型的交-直-交結構，直流側采用三相不可控整流橋，并經(jīng)大電容濾波獲得穩(wěn)定的直流電壓；逆變部分采用3個橋臂組成逆變橋的方式，通過控制IGBT的通斷，輸出預期的電壓波形；交流側通過LC低通濾波器組連接至電網(wǎng)，濾掉輸出波形的高次諧波分量。如圖7所示。

2 風機就地補償技術

2.1 計算條件

地鐵區(qū)間中間風井隧道風機一般設在長大區(qū)間隧道中間位置，最遠距離車站近1 km，電機設備容量Pe=110 kW，自然功率因數(shù)cosΦ=0.83，且配有軟啟動裝置啟動電流Iq=4Ie。采用SVG裝置補償后的目標功率因數(shù)為cosΦ=0.98。

以下計算選取某城市地鐵線路實際工程為算例，該線路存在一長大區(qū)間，設置有區(qū)間風井，風井內設置有大功率風機，低壓配電距離取900 m。

2.2 計算公式

計算公式如下。

2.3 計算結果

采用動態(tài)補償裝置SVG后，因區(qū)間隧道風機功率因數(shù)提高了18%，電機視在功率從132.5 kVA下降到112.2 kVA，電機啟動電流從806 A下降到683 A，計算電流也從201 A下降到171 A，減少了約15%。啟動電流、計算電流降低均比較明顯。如表1所示。

采用動態(tài)補償裝置SVG后，因電機功率因數(shù)提高了18%，電機運行壓降從4.8%下降到3.3%。若電源電纜截面從240 mm2改為185 mm2時，電機運行末端壓降為4.3%，也能滿足供電質量要求。如表2所示。

圖7 SVG裝置構成

此外，根據(jù)《通用用電設備配電設計規(guī)范》GB50055-2011第2.2.2條[3]：交流電動機起動時，配電母線上的電壓應符合下列規(guī)定：配電母線上接有照明或其他對電壓波動較敏感的負荷，電動機頻繁起動時，不宜低于額定電壓的90%；電動機不頻繁起動時，不宜低于額定電壓的85%?？紤]到變壓器二次側配電母線比額定電壓高5%，修正后的設備末端壓降滿足≥85%額定電壓要求[5]?？梢?，以上3種方案均滿足遠距離大容量風機供電時的啟動壓降要求。采用SVG補充裝置后，不僅可降低電纜截面、減少線路功率損耗，還有效提高了電機末端運行電壓和啟動電壓（相對于補償前），具有良好的技術效果。

表1 典型區(qū)間隧道中間風井風機就地補償計算結果

表2 典型區(qū)間隧道中間風井風機就地補償線路壓降計算結果

2.4 經(jīng)濟效益分析

采用SVG裝置就地補充后，電纜截面可較大幅度降低。在忽略線纜損耗的前提下，可優(yōu)化工程投資約50萬元。此外，降低線纜后，可減少施工難度，提高線纜敷設的便捷性，整體經(jīng)濟效益較好。如表3所示。

表3 典型區(qū)間隧道中間風井風機就地補償經(jīng)濟效益對比

3 技術優(yōu)勢

由于動態(tài)補償、濾波裝置具有技術先進、使用靈活，適應地鐵工程的特點，動態(tài)補償裝置（SVG）所以能快速推廣，主要是有以下先進的特點[6]。

（1）響應速度快（小于或等于8 ms）

動態(tài)補償、濾波裝置可在極短的時間之內完成從額定容性、感性無功功率的相互轉換，這種無可比擬的響應速度完全可以勝任對沖擊性負荷的補償，從而能對電機軟啟動過程中的無功補償做到快速響應。

（2）安全性高

裝置運行時被控制為電流源，不存在與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的可能性，安全性更高。

（3）補償功能多樣化

使用同一套動態(tài)補償、濾波裝置，可以實現(xiàn)不同的多種補償功能：補償負載無功、補償負載諧波、補償負載不平衡、同時補償負載無功、諧波和不平衡。

（4）諧波含量極低

動態(tài)補償、濾波裝置采用了PWM技術和多重化技術，與TCR、TSC等其它無功補償裝置相比，諧波含量極低，對電網(wǎng)不會產生二次污染。

（5）占地面積小

動態(tài)補償裝置（SVG）采用直接PWM電流控制技術，其輸出電流波形和相位完全可控，SVG能夠在額定感性到額定容性的范圍內運行，由于無需大容量的電容器和電抗器做儲能元件，SVG的占地面積只有相同容量SVC的50%[7-8]。

4 結束語

（1）地鐵長大區(qū)間設置大功率風機水泵時，末端設置SVG裝置，可有效降低電纜截面、節(jié)約電能損耗，還可促使變配電系統(tǒng)功率平衡，提高末端設備電壓水平，具有良好的技術、經(jīng)濟效益?？稍陬愃频罔F工程中推廣該技術。

（2）地鐵供電系統(tǒng)35 kV中壓網(wǎng)絡電纜長、電容電流大，在供電系統(tǒng)空載運行時，主變電所功率因數(shù)偏高，適合在主變壓器采用就地動態(tài)無功補償方式。

（3）推薦在地鐵區(qū)間隧道風機附近采用就地無功補償方式，以減少電源配電線路壓降，降低配電變壓器視在功率，提高變配電系統(tǒng)運行效率。

（4）車站變電所配電變壓器0.4 kV母線帶有許多設備系統(tǒng)的高頻電源設備和變頻設備，含有一定的諧波電流，適合設置動態(tài)濾波裝置。

（5）下階段建議研究在地鐵用電負荷集中處設置SVG技術方案，如：環(huán)控電控室、照明配電室、水泵房和車輛段單體建筑配電室等，以進一步減少電力電纜、開關設備投資，節(jié)省地鐵電能損耗。