洛陽地鐵1 號線主變電站無功補(bǔ)償系統(tǒng)補(bǔ)償策略調(diào)試及容量選擇

季麗偉，鄒洋

（1.洛陽市軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司，河南 洛陽 471000；2.中船海為高科技有限公司，河南 鄭州 100033）

2008 年開始，國內(nèi)迎來了城市軌道交通的大發(fā)展時(shí)期，第一至第三階段的城市軌道交通供電系統(tǒng)有的采用分散式供電系統(tǒng)，有的采用110 kV 主變電站集中供電方式，而第四階段城市軌道交通基本采用110 kV集中供電方式[2]。根據(jù)對廣州、深圳和南京這3 個(gè)城市的調(diào)研，前期基本未設(shè)置無功補(bǔ)償系統(tǒng)，隨著110 kV集中供電方式的興起，特別是開通初期地鐵線路或多或少產(chǎn)生力調(diào)電費(fèi)，部分地鐵產(chǎn)生高達(dá)100%的力調(diào)電費(fèi)，各個(gè)城市軌道交通均在研究如何調(diào)試無功補(bǔ)償系統(tǒng)。洛陽市城市軌道交通在初步設(shè)計(jì)階段，已經(jīng)考慮在主變電站設(shè)置“動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償+電抗器”的組合形式，本文主要通過運(yùn)營期間的數(shù)據(jù)分析研究無功補(bǔ)償系統(tǒng)調(diào)試及補(bǔ)償策略，同時(shí)通過在無功補(bǔ)償過程中發(fā)現(xiàn)的容量方面的問題及時(shí)提出建議，從而指導(dǎo)如何調(diào)試無功補(bǔ)償設(shè)備配置和容量選型，減少運(yùn)營成本和建設(shè)投資。

1 城市軌道交通系統(tǒng)無功情況分析

根據(jù)洛陽市城市軌道交通與國網(wǎng)公司簽訂的主變電站《高壓供用電合同》，系統(tǒng)的功率因數(shù)考核點(diǎn)位于供電局側(cè)（根據(jù)調(diào)研，從供電局引入用戶的電源線路，考核點(diǎn)基本都是位于供電局側(cè)），對用戶進(jìn)行考核點(diǎn)處的無功補(bǔ)償提出了思考?？己丝刂泣c(diǎn)系統(tǒng)圖如圖1 所示。

圖1 考核控制點(diǎn)系統(tǒng)圖

其中，用戶考核點(diǎn)位置的無功功率主要由以下幾部分組成。

考核點(diǎn)處的Q（無功功率）=110 kV 外部線路的Q+35 kV 環(huán)網(wǎng)電纜的Q+動(dòng)力負(fù)荷Q（變壓器、電機(jī)、電容器）+列車的Q。

變壓器空載無功功率為：

變壓器負(fù)載無功功率為：

變壓器無功損耗為：

式中：I0%為變壓器空載電流百分比的數(shù)值；Se為變壓器額定容量的數(shù)值，單位kVA；Ue為變壓器額定電壓的數(shù)值，單位kV；Xb為變壓器感抗的數(shù)值，單位Ω。

列車牽引供電功率因數(shù)為：

其中，動(dòng)力負(fù)荷Q和列車的Q是隨著設(shè)備的運(yùn)行情況，時(shí)刻處于變化中，由式（1）—式（4）可知，其功率因數(shù)可分別穩(wěn)定在0.8～0.9與0.96 以上，110 kV外部線路的Q和35 kV環(huán)網(wǎng)電纜的Q基本是一個(gè)定值[3]。

對洛陽地鐵供電系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，除110 kV 外部線路的Q之外，在地鐵運(yùn)營初期（列車時(shí)間間隔在10 min 左右），110 kV 主變電站及以下的負(fù)荷處于感性負(fù)荷狀態(tài)；在停運(yùn)時(shí)間或開通初期，110 kV 主變電站及以下的負(fù)荷處于容性負(fù)荷狀態(tài)，主要在于各個(gè)車站動(dòng)力負(fù)荷的減少和地鐵列車的停運(yùn)或行車密度小。隨著地鐵運(yùn)行時(shí)間間隔的縮短，白天的變化會(huì)更明顯，即感性負(fù)荷增大，夜間處于穩(wěn)定狀態(tài)[3]。

筆者認(rèn)為，城市軌道交通供電系統(tǒng)隨著列車運(yùn)行情況及季節(jié)的變化，系統(tǒng)的無功功率一直處于動(dòng)態(tài)變化之中，對用戶進(jìn)行無功補(bǔ)償系統(tǒng)的策略調(diào)試提出了思考，必須保證無功補(bǔ)償容量合理且可以根據(jù)供電系統(tǒng)的變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

2 洛陽地鐵1 號線無功補(bǔ)償?shù)恼{(diào)試研究

為了研究洛陽市城市軌道交通供電系統(tǒng)的性質(zhì)及變化規(guī)律，合理選擇無功補(bǔ)償策略，洛陽市城市軌道交通分階段對供電局側(cè)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，逐步提出各種補(bǔ)償方式。本文主要根據(jù)洛陽市城市軌道交通的系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了3 個(gè)階段的研究分析，對系統(tǒng)的無功補(bǔ)償策略調(diào)試有了更深入的認(rèn)識(shí)。

2.1 定補(bǔ)償方式

根據(jù)供電局提供的每月電費(fèi)清單，對廣場、麗景門主所所轄4 條線路的每月無功功率進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算出考核點(diǎn)處的月平均無功功率，具體如表1 所示。

表1 月平均無功功率表

為了實(shí)現(xiàn)考核點(diǎn)處功率因數(shù)滿足《高壓供用電合同》的要求，在無其他數(shù)據(jù)的情況下，取最高和最低的平均值進(jìn)行恒功率補(bǔ)償。

經(jīng)過一周的補(bǔ)償，查看供電局側(cè)每天的數(shù)據(jù)，功率因數(shù)有所改善，考核點(diǎn)處的功率因數(shù)從原來的0.4提高到0.7，但仍不滿足《高壓供用電合同》的要求。

2.2 分時(shí)段補(bǔ)償方式

根據(jù)供電局提供的每天分時(shí)段的運(yùn)營數(shù)據(jù)，按照分時(shí)段進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)每個(gè)時(shí)段的無功功率存在很大區(qū)別，谷時(shí)段無功補(bǔ)償缺口更大，以廣場主所芳廣線供電間隔為例，數(shù)據(jù)分析如表2 所示。

表2 芳廣線分時(shí)段數(shù)據(jù)分析

根據(jù)芳廣線分時(shí)段的無功數(shù)據(jù)可以看出，在尖、峰時(shí)段功率因數(shù)達(dá)標(biāo)；在平時(shí)段功率因數(shù)為0.82，低于標(biāo)準(zhǔn)；在谷時(shí)段功率因數(shù)為0.57，不滿足要求。為了實(shí)現(xiàn)更好的補(bǔ)償，按照地鐵運(yùn)營的性質(zhì)，參考國家電網(wǎng)分時(shí)段的劃分標(biāo)準(zhǔn)，采用分時(shí)段補(bǔ)償?shù)姆桨?，為了方便分時(shí)段投入不同容量的設(shè)備，由廠家對無功補(bǔ)償系統(tǒng)軟件進(jìn)行了修改，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)分時(shí)段補(bǔ)償模式。其他3 條線路也采用此種方案進(jìn)行解決。通過一段時(shí)間的運(yùn)營，整體基本功率因數(shù)基本維持在0.80～0.87 之間。

2.3 系統(tǒng)恒無功補(bǔ)償（恒功率因數(shù)+預(yù)補(bǔ)償）方式

通過對無功補(bǔ)償系統(tǒng)廠家系統(tǒng)功能的了解，同時(shí)參考JBT 10181.11—2014《電纜載流量計(jì)算第11 部分：載流量公式（100%負(fù)荷因數(shù)）和損耗計(jì)算一般規(guī)定》，在110 kV 電纜型號固定的情況下，110 kV 電纜的容性無功功率與電壓的平方成正比[4]，即電纜的容性無功功率為：

根據(jù)式（5），結(jié)合洛陽地鐵1 號線110 kV 電纜型號參數(shù)，110 kV 電纜充電功率約為0.58 MVar/km?；陔娎|容性無功的性質(zhì)，在無法獲取上級數(shù)據(jù)的情況下，可以根據(jù)電纜的參數(shù)進(jìn)行理論分析，計(jì)算110 kV電纜的容性無功功率。

為了保證線路容性無功功率的準(zhǔn)確性，洛陽市城市軌道交通在各方的溝通協(xié)調(diào)下，對供電局側(cè)的數(shù)據(jù)和用戶側(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了大量搜集和實(shí)時(shí)對比分析，發(fā)現(xiàn)110 kV 電纜的容性無功功率基本在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行浮動(dòng)，以1 號線各外電源線路為例，如圖2—圖4所示。

圖2 2021 年11 月至12 月芳廣線線路兩端無功功率差值

圖3 2021 年11 月至12 月臨廣線線路兩端無功功率差值

圖4 2021 年11 月至12 月瀍景線線路兩端無功功率差值

通過對圖2—圖4 的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析匯總，對芳廣線、臨廣線、瀍景線采用系統(tǒng)側(cè)恒無功補(bǔ)償?shù)牟呗裕?jīng)過再次數(shù)據(jù)對比分析，考核點(diǎn)處的功率因數(shù)基本維持在0.96～1.00 之間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于《高壓供用電合同》規(guī)定的考核標(biāo)準(zhǔn)，以此類推，對洛陽地鐵最終均采用上述調(diào)試方法，實(shí)現(xiàn)了線路高功率因數(shù)運(yùn)行。

3 無功補(bǔ)償容量設(shè)置意見

如何設(shè)置無功補(bǔ)償設(shè)備的選型及容量問題[5-6]，根據(jù)洛陽市城市軌道交通1 號線廣場和麗景門主所的設(shè)計(jì)方案，廣場主所采用“電抗器+SVG”的補(bǔ)償方式，麗景門主所采用純SVG 的補(bǔ)償方式，經(jīng)過以上3 個(gè)階段的調(diào)試運(yùn)行，通過對數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)存在如下問題：①廣場主所電抗器存在容量偏大，需要SVG 繼續(xù)補(bǔ)償容性無功的情況。筆者認(rèn)為，在進(jìn)行電抗器容量考慮的時(shí)候，需要對整體系統(tǒng)進(jìn)行充分的分析，確保電抗器不存在過補(bǔ)償?shù)那闆r。根據(jù)對地鐵運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析，可以考慮對電抗器進(jìn)行充分計(jì)算，合理設(shè)置2個(gè)或3 個(gè)可調(diào)節(jié)擋位，這樣避免白天運(yùn)營時(shí)段過補(bǔ)償，夜間也不至于缺口過大，缺少的部分由SVG 補(bǔ)償。②麗景門主所采用純SVG 模式，首先增大了SVG 的容量配置，其次SVG 故障率高，增加運(yùn)維成本，單設(shè)備設(shè)置在故障期間系統(tǒng)補(bǔ)償效果欠佳；在SVG 設(shè)備基本成熟且考慮SVG 故障的情況下，筆者認(rèn)為，應(yīng)該采用“電抗器+SVG”的設(shè)置策略，可增加系統(tǒng)抗風(fēng)險(xiǎn)能力，減少設(shè)備投資成本。

4 結(jié)束語

結(jié)合城市軌道交通供電系統(tǒng)的特殊性質(zhì)，參考國家電網(wǎng)相關(guān)規(guī)定要求，城市軌道交通在采用集中供電模式下，選取“電抗器+SVG”結(jié)合的補(bǔ)償方式，根據(jù)供電系統(tǒng)性質(zhì)選擇第2 或第3 種無功補(bǔ)償策略調(diào)試，可以達(dá)到既節(jié)約運(yùn)維和建設(shè)成本，同時(shí)提高單設(shè)備故障下系統(tǒng)的無功補(bǔ)償功能；在容量選擇方面，考慮采用2～3 個(gè)擋位的電抗器，適應(yīng)線路初期、中期的需求，達(dá)到一次投入長期使用的目的，同時(shí)也增加了補(bǔ)償?shù)姆€(wěn)定性。