城市軌道交通供電系統(tǒng)的無功補(bǔ)償方案研究*

王 敖

（中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308）

0 引言

現(xiàn)階段我國城軌交通直流牽引變電所的整流直流電源和動(dòng)車牽引負(fù)荷、數(shù)量眾多的降壓變電所供電負(fù)荷，存在大量換流裝置等非線性電力設(shè)備。電網(wǎng)電流和電壓在運(yùn)行過程中的波形產(chǎn)生了畸變[1]。經(jīng)由傅里葉分析，最終波形是由基波與多種高次諧波組合形成。由于諧波電流在電網(wǎng)中產(chǎn)生阻抗壓降，使電網(wǎng)電壓也含有諧波成分而產(chǎn)生畸變，對用電設(shè)備造成不同程度的危害，進(jìn)而威脅城市軌道交通的供電系統(tǒng)[2]。

軌道交通運(yùn)營開始階段，供電系統(tǒng)中的感性負(fù)荷比較小，導(dǎo)致系統(tǒng)中的容性無功功率無法被中和掉，最終輸入至電力系統(tǒng)，造成電力系統(tǒng)電能質(zhì)量下降。例如廣州地鐵電力系統(tǒng)存在大量無功功率返回的情況。這將影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也增加了運(yùn)營成本。本文將通過對比提出高效供電系統(tǒng)無功補(bǔ)償方案，提高系統(tǒng)功率因數(shù)，增加供電系統(tǒng)穩(wěn)定性并減少成本。

1 傳統(tǒng)無功補(bǔ)償方案

根據(jù)軌道交通負(fù)荷的特點(diǎn)，運(yùn)營高峰階段需要對系統(tǒng)進(jìn)行容性無功補(bǔ)償，而低峰時(shí)期則要用感性無功補(bǔ)償[3]。所以一種既能實(shí)現(xiàn)感性無功補(bǔ)償又能實(shí)現(xiàn)容性無功補(bǔ)償?shù)难b置很必要，所以并聯(lián)電容無功補(bǔ)償不能滿足地鐵負(fù)荷的要求。通過結(jié)合地鐵供電系統(tǒng)負(fù)荷特點(diǎn)以及無功功率考核標(biāo)準(zhǔn)，有如下幾種合適的無功補(bǔ)償方法。

1.1 主變電所35kV母線設(shè)置并聯(lián)電抗器

由于電抗器的輸出容量無法調(diào)節(jié)，不便于控制，因此該方案不能滿足動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)囊蟆?/p>

1.2 主變電所35 kV母線設(shè)置新型靜止無功補(bǔ)償（SVC）裝置

該裝置主要由晶閘管閥組、35 kV相控電抗器、數(shù)字控制及保護(hù)系統(tǒng)及TCR故障自診斷系統(tǒng)組成，SVC還可以追蹤系統(tǒng)的有功、無功功率和功率因數(shù)變化，可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)無功功率以提高主變電所的功率因數(shù)，但是SVC裝置本身也會(huì)產(chǎn)生諧波分量[4]。

1.3 主變電所35kV母線設(shè)置靜止無功發(fā)生器（SVG）裝置

靜止無功發(fā)生器（Static Var Generator）專指可通過自換相橋式變流器來進(jìn)行動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)难b置。其概念在20世紀(jì)70年代被提出，但由于受到當(dāng)時(shí)技術(shù)水平限制，采用強(qiáng)迫換相的晶閘管器件是實(shí)現(xiàn)自換相橋式電路的唯一方法。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，IGBT可控元件技術(shù)已經(jīng)成熟并可以代替普通晶閘管器件進(jìn)行邏輯換相[5]。它可以根據(jù)系統(tǒng)無功功率因數(shù)實(shí)時(shí)輸出或吸收無功功率，使系統(tǒng)的功率因數(shù)維持在0.95以上。

1.3.1 SVG基本結(jié)構(gòu)

SVG的基本原理是將自換相的橋式電路直接或通過電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)中。可通過調(diào)節(jié)自換相橋式電路交流側(cè)輸入電壓的幅值、相位或直接調(diào)節(jié)輸入電流，該電路就能達(dá)到吸收或輸出無功功率的目的，以達(dá)到對系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)男Ч?/p>

SVG分為電壓型橋式電路和電流型橋式電路兩個(gè)類型。前者直流側(cè)采用電容儲(chǔ)能，后者采用電感儲(chǔ)能。其中，電壓型橋式電路需要串聯(lián)上電抗器才能并網(wǎng)，而電流型橋式電路則需在交流側(cè)并聯(lián)上能吸收換相產(chǎn)生的過電壓電容器才可以并網(wǎng)。實(shí)際中，電壓型橋式電路的運(yùn)行效率較高所以投入較多。本文所提到的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償方式都是采用電壓型電路。兩種電路基本結(jié)構(gòu)分別如圖1、圖2所示。

圖1 電壓型三相橋式逆變電路

圖2 電流型三相橋式逆變電路

1.3.2 SVG工作原理

SVG正常工作時(shí)可把直流電壓轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)輸出電壓同頻率的交流電壓，類似于電壓型逆變器。因此考慮在基波頻率時(shí)，SVG可等效為一種可控幅值與相位的且與電網(wǎng)電壓同頻率的交流電壓源，并可以通過交流電抗器并聯(lián)到電網(wǎng)上。

SVG的工作原理如圖3～4所示（不計(jì)連接電抗器和變流器損耗）。

圖3 SVG單相等效電路

圖4 SVG向量

圖5 SVG運(yùn)行模式

若考慮電抗器本身以及變流器的損耗（管壓降、電阻等），可將總損耗集中考慮為連接電抗器的電阻，則SVG等效電路圖如圖6所示。

圖6 SVG等效電路圖及向量圖（計(jì)及損耗）

對比于傳統(tǒng)SVC裝置存在的諧波問題，SVG裝置中可以采用PWM技術(shù)解決，消除低次諧波并削弱高次諧波電流到允許范圍內(nèi)。而且SVG連接電網(wǎng)的電抗可以起到濾波作用過濾掉高次諧波，并且所需電感值沒有補(bǔ)償容量相同的TCR等SVC裝置所需電感值大。

2 利用中壓能饋型再生能吸收裝置的無功補(bǔ)償方案

雖然在理論上，SVG裝置能實(shí)時(shí)對高壓進(jìn)線側(cè)功率因數(shù)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，使系統(tǒng)功率因數(shù)接近于1。但是由于IGBT元件噪聲大、發(fā)熱高、價(jià)格高。PWM四象限變流器技術(shù)為系統(tǒng)無功補(bǔ)償提供了新的思路，該思路屬于分散補(bǔ)償。圖7所示為中壓能饋式再生能回饋裝置方案示意圖。

圖7 中壓能饋式再生能回饋裝置設(shè)置方案

目前國內(nèi)的中壓逆變型再生能回饋裝置技術(shù)日趨成熟并且已經(jīng)在地鐵供電系統(tǒng)牽引網(wǎng)掛網(wǎng)試運(yùn)行，可進(jìn)行列車再生能量回收再利用。PWM四象限變流器用于再生能裝置內(nèi)部進(jìn)行能量回饋，減小直流電壓紋波提高供電質(zhì)量。所以可通過大功率PWM整流器功率因數(shù)調(diào)節(jié)特性實(shí)現(xiàn)分散式無功補(bǔ)償。PWM四象限變流器主電路原理圖與典型工況如圖8～9所示。由圖可知，可通過控制策略調(diào)節(jié)PWM四象限變流器的輸出電壓幅值相位來實(shí)現(xiàn)變電所交流電流相位控制，從而實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償[5]。

圖8 PWM四象限變流器主電路原理

圖9 PWM四象限變流器的典型工況

三相電力電纜由于相間及相對地存在電容[6]，因此在正?；騿蜗嘟拥貢r(shí)，均有電容電流流過線路。當(dāng)系統(tǒng)中牽引負(fù)荷、動(dòng)力照明負(fù)荷等比較少的時(shí)候，此時(shí)供電系統(tǒng)由于電纜的充電無功效應(yīng)，將產(chǎn)生大量無功功率輸送至電網(wǎng)，這將造成大量電力損耗，而使用中壓能饋式再生能裝置實(shí)現(xiàn)分布式無功補(bǔ)償能夠很好地解決此類情況。需特別指出的是，在線路運(yùn)營初期，由于牽引及動(dòng)力負(fù)荷（主要為感性）較小且環(huán)網(wǎng)電纜的充電無功作用顯著，導(dǎo)致再生能裝置內(nèi)的PWM四象限變流器頻繁切換于容性與感性工作模式之間，使得實(shí)時(shí)監(jiān)測牽引變電所內(nèi)電壓與電流間相位關(guān)系顯得尤為重要[7]。因此，必須對變電所內(nèi)的電壓幅值及相位進(jìn)行實(shí)時(shí)精確檢測，并作為四象限變流器控制參照，實(shí)現(xiàn)牽引變電所的電源進(jìn)線電流與電網(wǎng)電壓間相位同步，使功率因數(shù)得到提升。

因此，城市軌道交通的供電系統(tǒng)可利用全線牽引變電所內(nèi)配備的中壓能饋型（PWM四象限變流器）的再生能裝置對車輛再生的電能加以吸收，并且可將過剩的容量對系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償。

3 呼和浩特市城市軌道交通2號線一期工程供電系統(tǒng)的無功補(bǔ)償容量計(jì)算分析

本工程供電系統(tǒng)采用集中供電方式，在全線設(shè)置2座主變電所，在35 kV供電系統(tǒng)采用分區(qū)供電，在相鄰的幾個(gè)車站之前設(shè)置一個(gè)由環(huán)網(wǎng)電纜構(gòu)成的供電分區(qū)，主變電所向處在各分區(qū)的第一個(gè)車站供電，位于分區(qū)內(nèi)的其他變電所可串聯(lián)獲得電源。本線設(shè)置了4個(gè)供電分區(qū)，在呼和浩特站設(shè)置環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)。容性無功計(jì)算如下。

3.1 主變電所參數(shù)

本項(xiàng)目2座主變電所參數(shù)如表1所示。

表1 主變電所參數(shù)

3.2 環(huán)網(wǎng)電纜參數(shù)

環(huán)網(wǎng)電纜參數(shù)如表2所示。

表2 環(huán)網(wǎng)電纜參數(shù)

3.3 計(jì)算說明

（1）本次計(jì)算主要計(jì)算系統(tǒng)運(yùn)行中最大容性無功需求量，因此選取夜間地鐵停運(yùn)時(shí)容性無功最大感性無功最小時(shí)進(jìn)行計(jì)算。

（2）由于電纜廠家提供的電纜電容參數(shù)不統(tǒng)一，導(dǎo)致結(jié)果存在一定的差異。

（3）本次計(jì)算未考慮主變電和降壓變、牽引變的感性阻抗影響。

3.4 分段計(jì)算無功補(bǔ)償量

各分區(qū)無功補(bǔ)償量如表3所示。

3.5 容性無功補(bǔ)償容量

阿爾山路、錫林公園、諾和木勒、新華廣場牽引變電所的中壓能饋裝置對水上公園變電所進(jìn)行補(bǔ)償；內(nèi)蒙古體育場、成吉思汗廣場、一家村、新城圖書館、塔利東路牽引變電所的中壓能饋裝置對成吉思汗廣場主所進(jìn)行補(bǔ)償。

其中喇嘛營安裝為電容儲(chǔ)能裝置，因此不進(jìn)行無功補(bǔ)償，其無功補(bǔ)償量由相鄰牽引所考慮。

表3 各分區(qū)無功補(bǔ)償量

綜合以后補(bǔ)償量計(jì)算，利用再生能補(bǔ)償無功時(shí)，要求每臺再生能吸收裝置的無功補(bǔ)償容量為0.9 Mvar（不考慮解列情況下）。

4 列車再生制動(dòng)回饋方案

4.1 列車再生制動(dòng)能量吸收的意義與必要性

地鐵是一種密度大、運(yùn)量高的交通方式，其特點(diǎn)是站間距離較短，啟停較為頻繁。目前列車普遍采用VVVF動(dòng)車組，其制動(dòng)一般為電制動(dòng)（再生制動(dòng)、電阻制動(dòng)）和空氣制動(dòng)兩級制動(dòng)，運(yùn)行中以再生制動(dòng)和電阻制動(dòng)為主，空氣制動(dòng)為輔[7]。此種制動(dòng)方式使得部分再生能量不容易被臨近的列車吸收，浪費(fèi)電能，而且散發(fā)的大量熱量還會(huì)聚集在隧道內(nèi)，增加隱患。

由以上特點(diǎn)分析可以看出，軌道交通的諸多特點(diǎn)對車輛是否能夠最大限度地利用再生制動(dòng)，減少空氣制動(dòng)頻率有很大影響。目前節(jié)能減排已成為國家的一項(xiàng)基本國策，尤其是目前軌道交通列車普遍應(yīng)用VVVF技術(shù)，若在變電所內(nèi)設(shè)置再生能量吸收裝置能夠使列車最大限度使用再生制動(dòng)，這樣使得能量利用率得到提升，增加供電系統(tǒng)穩(wěn)定性并降低污染。

4.2 再生能量吸收技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

為了達(dá)成目的，一般可在牽引變電所的直流母線上設(shè)置再生能量吸收裝置，其主要工作原理是當(dāng)牽引網(wǎng)壓上升到一定程度時(shí)，再生能量吸收裝置投入工作，吸收掉多余的再生電流，維持車輛再生電流穩(wěn)定，以最大限度地發(fā)揮再生制動(dòng)性能。以北京地鐵10號線二期工程為例，現(xiàn)場測試結(jié)果如圖10～11所示。

圖10 能饋裝置未投入時(shí)列車直流電壓、電流與速度曲線

圖11 能饋裝置投入后列車直流電壓、電流與速度曲線

國內(nèi)如天津地鐵1號線、重慶輕軌等均采用了再生能量吸收裝置。

4.3 呼和浩特市城市軌道交通2號線一期工程供電系統(tǒng)的再生能量吸收方案

再生能量逆變技術(shù)在國內(nèi)正處于發(fā)展高峰，逆變+電阻型再生能量吸收設(shè)備已在重慶輕軌1號線及3號線運(yùn)行，經(jīng)北京地鐵9號線科研方測試驗(yàn)證，裝置運(yùn)行穩(wěn)定，節(jié)能效果良好。中壓能饋型裝置與電容儲(chǔ)能型裝置是目前再生電能利用技術(shù)的最新發(fā)展方向，目前中壓能饋裝置已在國內(nèi)很多軌道交通工程進(jìn)行應(yīng)用，如北京地鐵15號線一期工程西段等線路，設(shè)備性能穩(wěn)定，經(jīng)測試，節(jié)能效果良好；對于電容型再生吸收裝置，國內(nèi)已生產(chǎn)出超級電容器，擁有壽命相對較長、節(jié)能環(huán)保并能快速充放電功能的特點(diǎn)，基本上可以滿足對于城市軌道交通中產(chǎn)生的再生能量吸收的需要，目前如株洲機(jī)車廠和湖南恒信等廠商對電容型再生能量吸收裝置樣機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)和試驗(yàn)、試掛。

綜上所述，中壓能饋型和儲(chǔ)能型代表了再生電能利用技術(shù)的發(fā)展方向，目前國內(nèi)中壓能饋型裝置技術(shù)及設(shè)備制造工藝已成熟，電容儲(chǔ)能型裝置也已基本成熟，但需要更多的工程實(shí)踐和驗(yàn)證，同時(shí)應(yīng)結(jié)合運(yùn)營實(shí)測數(shù)據(jù)對方案及裝置進(jìn)行不斷的改善。而再生能量吸收裝置的設(shè)置方案將直接影響牽引變電所面積、環(huán)控設(shè)備配備、車輛的制動(dòng)電阻配備、工程投資等問題。

因此，本工程在正線牽引變電所車站設(shè)置中壓能饋型再生電能吸收裝置，其中喇嘛營站采用儲(chǔ)能型再生電能吸收裝置，對儲(chǔ)能型再生能吸收利用技術(shù)進(jìn)行工程實(shí)踐、驗(yàn)證。同時(shí)考慮車輛段試車線要求全工況進(jìn)行試車，因此從節(jié)約成本考慮，在車輛段設(shè)置電阻型制動(dòng)電能消耗裝置。

4.4 中壓能饋型與電容儲(chǔ)能型共同作用對供電系統(tǒng)影響分析

本工程正線部分共設(shè)置11座牽引變電所，其中10座牽引變電所內(nèi)設(shè)置中壓能饋式再生能利用裝置，1座牽引變電所內(nèi)設(shè)置超級電容式再生能利用裝置。由于中壓能饋裝置將電能回饋至35 kV中壓母線供系統(tǒng)內(nèi)牽引及動(dòng)照負(fù)荷利用，而超級電容將吸收的再生能量儲(chǔ)存，并回饋至1 500 V接觸網(wǎng)供列車牽引使用，因此兩種再生能裝置彼此間并無沖突，能夠保證供電系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，并最大程度上利用再生電能，降低運(yùn)營成本。采用再生能量利用裝置后能平抑接觸網(wǎng)電壓波動(dòng)，更有利于地鐵列車運(yùn)行。

5 結(jié)束語

本文通過分析比較了在主變電所35 kV母線設(shè)置并聯(lián)電抗器、SVC、SVG以及利用中壓能饋型再生能吸收裝置等無功補(bǔ)償方案，根據(jù)地鐵負(fù)荷的特性以及需要對變電所內(nèi)的電壓幅值及相位進(jìn)行實(shí)時(shí)精確檢測，實(shí)現(xiàn)牽引變電所的電源進(jìn)線電流與電網(wǎng)電壓間相位同步，所以中壓能饋式再生能裝置可以用來實(shí)現(xiàn)分布式無功補(bǔ)償。

通過分析對比各種再生能量吸收技術(shù)并結(jié)合發(fā)展現(xiàn)狀，本工程采用全線牽引變電所內(nèi)配備的中壓能饋型（PWM四象限變流器）的再生能裝置，可對城市軌道交通列車產(chǎn)生的再生電能進(jìn)行吸收，并利用其多余的容量對系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償，同時(shí)在其中一座牽引變電所設(shè)置超級電容式再生能利用裝置，以最大程度地利用能源、降低成本，為城市軌道交通供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性與高效性提供了新思路。