地鐵供電系統(tǒng)無功補償策略及補償容量控制研究

蘭州市軌道交通有限公司 賀同堂

地鐵在工作過程中需使用較大功率的電能來作為動力啟動車輛牽引，完成順利地行駛。因此在地鐵供電系統(tǒng)中供電設(shè)備長期處于超負荷和低負荷循環(huán)的狀態(tài)，但由于電纜線路和設(shè)備中存在較大的能源消耗，出現(xiàn)充電無功現(xiàn)象，導(dǎo)致大量的電能浪費，也對地鐵站的電能與費用的消耗產(chǎn)生較大負擔(dān)。

1 地鐵供電系統(tǒng)的構(gòu)成

地鐵供電系統(tǒng)構(gòu)成。地鐵供電系統(tǒng)的實際運行狀態(tài)主要通過集中供電的方式來幫助車輛提供牽引動力，通過供電系統(tǒng)來保證地鐵站的正常運行。供電站系統(tǒng)由電源和變電所以及相應(yīng)的牽引供電系統(tǒng)等共同構(gòu)成，電源的電壓通過變電所來轉(zhuǎn)化成適合內(nèi)部設(shè)備能夠應(yīng)用的電壓，確保整體的設(shè)備和系統(tǒng)能夠正常運行[1]。

地鐵供電系統(tǒng)無功率。在實際運行過程中，地鐵供電系統(tǒng)中的功率逐漸增大，在運行較少或夜晚停止運行情況下功率會下降。但由于電壓轉(zhuǎn)換過程或變電站和電流運行過程中發(fā)生會產(chǎn)生大量消耗，導(dǎo)致系統(tǒng)中的無功率不斷提升，使整體的系統(tǒng)中存在沖擊電荷過大的現(xiàn)象，影響整體安全性，同時增加了電量的消耗和浪費。為降低對供電系統(tǒng)的不良影響，減少能源的消耗和浪費，同時保障地鐵站供電系統(tǒng)的安全使用，應(yīng)根據(jù)實際的情況設(shè)計出有效的無功補償方案，通過方案的調(diào)整能夠使供電系統(tǒng)達到平衡狀態(tài)，降低危險或故障的發(fā)生。

2 無功補償?shù)母拍詈皖愋?/h2>

2.1 無功補償?shù)母拍詈鸵饬x

電網(wǎng)在輸出功率后，使用的過程中會通過兩種方式進行功率消耗，其一是有功功率，將電能轉(zhuǎn)化為對人們有用的、或是人們希望轉(zhuǎn)化為的能量，如熱能、機械能等；另一部分成為無功功率，其在轉(zhuǎn)化過程中沒有成為人們希望獲得的能量，但其支撐了電氣設(shè)備的正常運行，如設(shè)備和元件建立的磁場等消耗的電能。為減少無功功率、使總功率轉(zhuǎn)化為有功功率的效率更高，應(yīng)進行適當(dāng)?shù)臒o功補償，降低電氣設(shè)備和電網(wǎng)的消耗，提高供電系統(tǒng)的質(zhì)量，同時達到供電的平衡，保證整體系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性[2]。

通過提高無功補償效果能夠提高有功功率的占比，使電能的利用效率更高；同時能夠減少供電設(shè)備和發(fā)電系統(tǒng)中的設(shè)計容量，進而節(jié)省擴容的資金投入。在實現(xiàn)無功補償后能使電線的損失大幅降低，實現(xiàn)整體的資金和能源消耗量的降低，降低維護成本，減少相關(guān)企業(yè)的經(jīng)濟負擔(dān)。另外，在實現(xiàn)無功補償后可減少設(shè)備的損壞，實現(xiàn)電能運轉(zhuǎn)的順暢和平穩(wěn)，降低故障的發(fā)生概率，能在一定程度上降低危險性，保障電能使用者和設(shè)備維修人員的安全。

2.2 無功補償?shù)姆诸?/h3>

就地補償。通過對低壓的電容器進行調(diào)整與組合，將其放置在用電設(shè)備的周圍形成補償系統(tǒng)，在設(shè)備運行時接入補償系統(tǒng)，在設(shè)備停止時將補償裝置隔離，通過系統(tǒng)的接入使整體的電網(wǎng)電壓達到平衡狀態(tài)，達到補償?shù)男ЧＭㄟ^就地補償中補償系統(tǒng)的使用，能有效提高電壓使用的質(zhì)量，同時能提高有功功率的占比。就地補償?shù)难a償量在計算過程中通過Q≤UIO來進行計算，其中Q是無功補償量、U是設(shè)備的額定電壓、IO是空載時設(shè)備的電流。在實施過程中可發(fā)現(xiàn)，就地補償?shù)膮^(qū)域相對較大、效果也較好，但對電容的利用率較低。

集中補償。其在使用過程中會將相應(yīng)的并聯(lián)補償電容器安裝在高低配壓中，主要在供電所和變電所中使用。在電能運輸電線中安置相應(yīng)的電容器后，電線中出現(xiàn)無功返送的情況后會對內(nèi)部的電壓造成不良影響，降低有功功率的傳輸。因此，在通過降低變電所內(nèi)部的電壓使整體功率因數(shù)提高，進而實現(xiàn)無功補償，避免電壓因損耗產(chǎn)生降低的現(xiàn)象，實現(xiàn)電功率的平衡與穩(wěn)定，在此基礎(chǔ)上可對設(shè)備運輸功率的潛力進行挖掘，提高電氣設(shè)備的安全使用效果。

2.3 無功補償?shù)某Ｒ姺椒?/h3>

SVC無功補償裝置。其主要構(gòu)成是通過TSC高壓控制裝置來對電壓進行補償和設(shè)置，使地鐵供電站的系統(tǒng)中基波頻率成容性得到提升，進而達到無功補償?shù)男Ч?。在補償過程中，通過晶閘管來對投切電容的方式保障整體供電系統(tǒng)的安全運行。在使用該方式時，應(yīng)根據(jù)地鐵供電系統(tǒng)的電力使用狀態(tài)來對補償裝置進行調(diào)整和設(shè)置，使其更加適應(yīng)電力系統(tǒng)的實際運行，降低系統(tǒng)設(shè)備受到的電壓沖擊，強化對設(shè)備的保護和內(nèi)部運行的平穩(wěn)性[3]。

SVG無功補償裝置。是一種靜態(tài)的無功發(fā)生器，將其安裝在電網(wǎng)和交流器中對網(wǎng)絡(luò)的交變電流進行調(diào)節(jié)，同時控制電力的輸出，使整體的電能供應(yīng)在補償裝置的控制下，提高整體系統(tǒng)的安全性，進而提高運行質(zhì)量，通過控制電流和電壓來滿足用電設(shè)備的電能需求，強化了地鐵供電系統(tǒng)的運行效果。

3 補償容量的計算與分析

3.1 變壓器無功計算

變壓器的等值電路中的計算公式為：

其中SN為變壓器運行時產(chǎn)生的額定功率；UN為變壓器輸出的額定電壓；ΔPS為在額定電壓下設(shè)備中的短路損耗；ΔP0為變壓器內(nèi)部存在的空載損耗；I0%為變壓器空載情況下的電流；UK%為變壓器發(fā)生短路時的電壓值。

變壓器中產(chǎn)生的無功損耗分為兩種支路的電能損耗，包括勵磁支路損耗以及繞組漏抗損耗。勵磁支路損耗主要由空載電流產(chǎn)生，繞組漏抗損耗主要由短路電壓產(chǎn)生。通過其相互間的關(guān)系可列為公式：，其中QLT為變壓器中產(chǎn)生的無功損耗；ΔQ0為勵磁支路損耗；ΔQT為繞組漏抗中的損耗；I0%為空載電流；UK%電壓器滿載時的短路電壓。通過將電能損耗進行聯(lián)合計算能大致計算出變壓器的無功損耗。無功補償裝置在設(shè)計過程中應(yīng)對內(nèi)部裝置的容量進行調(diào)整，使其能適應(yīng)地鐵供電系統(tǒng)中不同電荷和功率的變化，進而保證整體供電系統(tǒng)的安全使用。

3.2 供電因素的分析

目前地鐵供電系統(tǒng)中較多使用110kV電壓和35kV電壓來對內(nèi)部設(shè)備進行供電。在地鐵運行的過程中需保證一定的功率來進行牽引，其中牽引所需要功率與地鐵中車輛的密度以及車內(nèi)的客流量有一定關(guān)系，客流量越多、運行車輛越多則其所消耗的牽引功率越大。在城市中地鐵內(nèi)的客流量具有一定變化規(guī)律，其根據(jù)城市居民的生活習(xí)慣發(fā)生波動，因此對電力系統(tǒng)中功率的負荷也產(chǎn)生影響，使其呈現(xiàn)波動變化，一般在夜晚和凌晨時間段內(nèi)部變壓器呈現(xiàn)出低谷負荷，在白天尤其是上下班的高峰期呈現(xiàn)高峰負荷。由于變壓器等相關(guān)的用電設(shè)備和電纜等傳輸設(shè)備會產(chǎn)生容性無功功率，因此會對供電平衡產(chǎn)生影響，通過降低功率因素的方式來提高有功功率的占比，降低無功負荷。

4 無功補償方案設(shè)計

4.1 工程案例

某地鐵線路的長度約19.1千米，整條線路中存在車站18個、1個控制中心、2個變電站，在線路周圍設(shè)置6個供電區(qū)。變電所中接入電流為110kV，其中母線分段接線。在工程方案設(shè)計中，根據(jù)工程中的具體參數(shù)進行合理的計算得出結(jié)果，變電站1號的運行電壓為35kV，其中第一段母線產(chǎn)生的無功補償功率為－2439～4603kVar，第二段母線產(chǎn)生的補償功率范圍在－4960～2183kVar之間；第2個變電站在運行電壓為35kV時，母線一號的產(chǎn)生的無功補償范圍是-3213～3603kVar，二號母線的補償范圍是-1168～6523kVar。為使供電電壓一定的情況下電纜母線上的無功功率消耗保持一定的平衡狀態(tài)，在方案設(shè)計過程中，通過SVG與電抗器中產(chǎn)生的固定補償部分進行結(jié)合的方式，通過對固定補償裝置進行調(diào)整，使額定容性容量能夠在合理調(diào)整的情況下，保證地鐵供電系統(tǒng)的負載中功率因素能夠符合標(biāo)準要求，實現(xiàn)對變電站實際運行狀況的可控性，維持整體的平衡性。

4.2 效果分析

將上述補償裝置安裝在供電系統(tǒng)中，使用串聯(lián)方式進行連接，并為其設(shè)計相應(yīng)的控制策略以及運行模式，在運行過程中對方案進行驗證。設(shè)置仿真系統(tǒng)的參數(shù)，如：將電網(wǎng)的電壓設(shè)置為10kV，其容量為5000kVar，電壓的頻率為50Hz；連接變壓器，其電壓為35kV，容量保持在5000kVar，設(shè)置短路阻抗等數(shù)據(jù)。設(shè)置完畢后得到相應(yīng)的電壓波形，其趨向于正弦波，輸出較為平滑穩(wěn)定，內(nèi)部的低次諧波較少，在對電流進行觀察時，無功電流運行較為穩(wěn)定、無靜差。在實際的運行過程中，其功率因素有明顯提高并趨近于1，有非常明顯的補償效果，證明此方案有效。

綜上，在對地鐵供電系統(tǒng)無功補償策略及補償容量控制進行研究的過程中，通過文中的計算和分析結(jié)果可了解到，想要對補償容量進行合理控制、使其達到平衡系統(tǒng)的效果，可使用SVG與固定補償裝置結(jié)合的方案進行調(diào)整，通過固定裝置的合理設(shè)置能有效提高系統(tǒng)中的功率移速，提高整體系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，該方案具有一定效果，可以推廣使用。