地鐵線路無功補償方案研究

顧晏齊 段永強

(西安市地下鐵道有限責任公司 西安 710016)

1 西安地鐵2號線的供電系統概況

西安地鐵2號線采用集中式外部電源供電方式，全線建行政中心、會展中心兩座地下式主變電站。地鐵供電系統采用110/35 kV兩級電壓供電，主變電站從地方電力系統引入110 kV高壓電源并降壓成地鐵供電系統使用的35 kV電源，通過地鐵環網系統將電能分配至每一個車站和車輛段及停車場內的牽引變電所和降壓變電所。

行政中心主站兩回外部電源，一回從330 kV草灘變電站引入，線路長度10.7 km，一回從110 kV桃園路變電站引入，線路長度16.2 km，雙回電源均采用110 kV單芯銅導體630 mm2的電纜溝道敷設;會展中心主站兩回外部電源，分別從330 kV上苑變電站的兩段110 kV母線引入，單回線長8.74 km，采用110 kV單芯銅導體800 mm2的電纜溝道敷設。

2 安裝無功補償裝置的必要性

從理論分析和調研考察兩個方面，對西安地鐵2號線是否需要安裝無功補償裝置進行研究。

2.1 地鐵供電系統無功功率的特點

每個地鐵主站一般下轄3個分區，35 kV高壓電纜總計100～200 km。經過模型估算，充電無功可以達到幾個MV·A，為主變壓器容量的10% ～30%。尤其在夜晚負荷較輕、感性負荷很少時，系統存在無功倒送的問題。另外，電纜產生的容性無功對電壓有抬升的作用，若抬升到一定程度，則會影響到設備的安全性。

2.2 無功的危害

無功在線路中大量傳輸會造成線路的無功損耗，在通過升壓或降壓變壓器時會引起變壓器的無功損耗，有

式中，P為有功功率，Q為無功功率，U為系統電壓，X為線路阻抗或變壓器阻抗。

從上式可以得到如下結論:無功損耗伴隨有功的變化而成平方關系變化，當有功增大一倍時，無功損耗將增大數倍。

感性無功的大量存在會引起電壓降落，容性無功的大量存在會引起電壓抬升，而電壓過低或過高都會對設備安全帶來隱患。沖擊性負荷會帶來有功沖擊和無功沖擊，嚴重時會導致電壓波動和閃變。

2.3 對地鐵供電質量的調研和實測

為了確定西安地鐵安裝無功補償裝置的必要性，公司對近年新運行地鐵線路的電能質量進行了調研，并在某城市地鐵主變電站進行了實測，其24 h三相功率因數變化曲線如圖1所示。

經過測試，該地鐵站33 kV母線的白天功率因數可達0.9以上，夜間功率因數僅有0.3，日平均功率因數僅為0.78左右，且由于地鐵本身的工作特性，使得母線一直處于無功倒送狀態。

圖1 主變電站24 h三相功率因數變化曲線

經過理論分析和調研實測，發現2號線在初期輸送功率較小以及晚上低負載運行時，供電系統的無功功率不能內部平衡，有很大的電纜容性無功存在，功率因數不符合要求，所以有必要安裝無功補償裝置。

3 無功補償方案的比較和補償裝置的選型

3.1 無功補償方案的比較

地鐵供電系統的結構形式為110 kV主站+35 kV分區，因此產生了3種動態無功補償的方案:集中式補償、分區集中補償、分布式補償。集中式補償，就是指在110 kV主站集中進行無功補償，如圖2所示;分區集中補償，就是指在每個分區進行動態無功補償，因為地鐵系統110 kV主站一般帶3個分區的負荷;分布式補償，就是指在每個35 kV的降壓所、跟隨所和牽引所都進行動態無功補償。

圖2 集中式補償

在3種動態無功補償方案中，理論上分布式補償的方案效果最佳，其次為分區集中補償的方案，再次為集中式補償方案。但實際上由于電氣距離短，電能質量變化不大，因此分布式補償和分區集中補償比集中式補償效果好得不多，幾乎可以認為效果一樣。

分布式補償方式由于采用的動補裝置數量太多，投資最大，其次是分區集中補償方式，而集中式補償方案只在110 kV主站安裝動補裝置，設備投資少，占地面積最少。分區集中補償比集中式補償增加60%左右的投資，分布式補償比集中式補償增加1倍的投資。

3.2 無功補償方案的選型

靜止無功發生器(static var generator，SVG)是目前最為先進的無功補償技術，其基于電壓源型變流器的補償裝置，實現了無功補償方式質的飛躍。它不再采用大容量的電容、電感器件，而是通過大功率電子器件IGBT管的高頻開關來實現無功能量的變換。它能夠實現雙向、動態無功功率的連續調節，既可補償系統中的感性無功，又可補償系統中的容性無功，穩定系統電壓。它能達到全程范圍內的連續無功補償，沒有盲區，使系統補償后的功率因數達到0.98以上，同時實現補償無功電流和諧波電流的雙重目標。帶有SVG無功補償裝置的系統如圖3所示。

圖3 帶有SVG無功補償裝置的系統

綜上所述，3種補償方案的補償效果接近，從經濟指標考慮，西安地鐵2號線采用集中式無功補償方案，補償裝置選用SVG動態無功補償裝置。

4 計量考核點對無功補償方案的影響

西安地鐵2號線供電系統由于電力部門對于計量考核點位置選取的變化，使得無功補償方案和無功補償的設備容量也發生了大的變化。

4.1 計量考核點設在對側變電站饋線側

根據陜西省電力公司對地鐵2號線外部電源工程可行性研究報告的評審意見，最初把計量考核點放在地方變電站的110 kV饋線處。地鐵在初期輸送功率較小以及晚上低負載運行的時候，系統要求對感性無功的補償容量不會超過電纜的充電容性無功，所以統計補償裝置容量時僅考慮線路系統空載情況下的最大容性無功，即:需要配置無功補償裝置容量=110 kV電纜充電無功+35 kV電纜充電無功－110 kV主變空載無功－35 kV側變壓器空載無功。

行政中心主站35 kVⅠ段母線要補償的無功容量:

8.2+1.98 －0.315 －0.408=9.45(Mvar)

行政中心主站35 kVⅡ段母線要補償的無功容量:

12.4+1.98 －0.315 －0.408=13.66(Mvar)

會展中心主站35 kVⅠ段母線要補償的無功容量:

7.16+2.46 －0.315 －0.298=9.01(Mvar)

會展中心主站35 kVⅡ段母線要補償的無功容量:

7.16+2.46 －0.315 －0.298=9.01(Mvar)

考慮到110 kV電纜的充電無功基本上是恒定的，因此無功補償方案采用了SVG(動態補償部分)和電抗器(固定補償部分)相結合的辦法(SVG+電抗器補償方案)。一方面利用了SVG的先進性，另一方面也考慮了方案的經濟性。利用并聯電抗器去固定補償110 kV電纜的充電無功，使得電纜的充電無功基本平衡;再根據地鐵系統在晚上低負載運行以及白天達到最大負荷運行這兩種有代表性的狀態，通過調節SVG的輸出容量，可保證所有運行工況下的功率因數符合要求。SVG+電抗器容量配置如表1所示。

表1 SVG+電抗器容量配置

4.2 計量考核點設在地鐵主變電站側

西安地鐵公司在與西安供電局簽訂供用電協議時，供電局最后把計量考核點放在地鐵主變電站110 kV開關進線側。由于考核點位置的變動，兩座主變電站的110 kV外電源電纜的容性無功就不需要考慮。對2號線各種運行工況的有功、無功進行了計算，如表2所示。

表2 2號線在各種運行工況下的有功、無功

從表2分析得出，只需要在兩座主變電站的Ⅰ、Ⅱ兩段35 kV母線上各并聯一套±2.4 Mvar的SVG設備(SVG補償方案)，就可以滿足電力部門對地鐵供電系統功率因數的要求。

5 無功補償方案的仿真計算

由于計量考核點設在地鐵110 kV開關進線側，對行政中心主站的無功補償進行了仿真計算。

5.1 空載狀態

在t=1s時刻投入 SVG，容量為2.4 Mvar，仿真結果如圖4所示。

圖4 空載狀態功率因數變化波形

由圖4可以看出，在1 s時刻投入SVG后，上級110 kV側檢測點的功率因數由0.010增大到0.017，行政中心站110 kV側進線端的功率因數由0.086增大到0.901。

5.2 低負載狀態

在 t=1 s時刻投入 SVG，容量為1.4 Mvar，仿真結果如圖5所示。

圖5 低負載狀態功率因數變化波形

由圖5可以看出，在1 s時刻投入SVG后，上級110 kV側檢測點的功率因數由0.054增大到0.057，行政中心站110 kV側進線端的功率因數由0.513增大到0.9(投入容量為1.6 Mvar時，功率因數增大到0.95)。

5.3 滿載工作狀態

由于滿載工作狀態時110 kV側進線端功率因數大于0.9，SVG無需動作，故不做仿真研究。

5.4 討論

由行政中心主站空載及低載工作狀態的仿真結果可以得出:在行政中心、會展中心主變電站的Ⅰ、Ⅱ兩段35 kV母線上各并聯一套±2.4 Mvar的SVG設備，可以完全滿足110 kV進線側作為檢測點時的功率因數要求。

6 項目全壽命周期的經濟性比較

根據西安地鐵與供電局簽訂的供用電協議，供電局要求地鐵公司應按無功功率就地平衡的原則，功率因數在電網高峰時段應達到0.9以上，功率因數調整電費的考核標準為0.9。

在2號線前期的規劃設計中，行政中心、會展中心的主變電站近期要考慮與其他線路共享主變電站資源。根據電力部門功率因數調整電費的辦法，通過仿真計算不同時期的負荷情況。如果不安裝無功補償裝置，2號線初期、近期因為功率因數不合格而產生的調整電費如表3所示。

表3 2號線初期、遠期調整電費估算

項目全壽命按30年的周期考慮。2號線供電系統在SVG設備還未投運階段，已經因為功率因數而產生的調整電費為435萬元。考慮到初期10年、近期15年的規劃情況，安裝SVG無功補償裝置后就可以節約數額巨大的調整電費，遠遠超過設備700多萬元的投資。

7 結語

對西安地鐵2號線供電系統無功補償方案的研究，主要從安裝無功補償裝置的必要性、無功補償的方案選擇、無功補償裝置的選型、無功補償裝置的容量、計量考核點的位置確定、項目全壽命周期的經濟性比較進行了分析，結果表明供電系統有必要進行集中式無功補償，在行政中心主站、會展中心主站的Ⅰ、Ⅱ兩段35 kV母線上各并聯一套±2.4 Mvar的SVG設備。

以上所做的工作都是在2號線未投入運行的情況下進行的靜態研究，從理論計算和仿真結果基本一致的情況看，證明了方案研究的可行性。但無功補償裝置能否達到理想的補償效果，還需要在地鐵運行的狀態下進行檢驗，必要時再對補償方案進行優化，以確保供電質量，滿足設備的運行需求。

［1］陸安定.功率因數與無功補償［M］.上海:上海科學普及出版社，2004.

［2］靳龍章，丁毓山.電網無功補償實用技術［M］.北京:水利水電出版社，2008.

［3］程陳.新編電力系統無功補償技術實用手冊［M］.2009.

［4］王紅美，郭景武.鐵路變配電所動態無功補償［J］.鐵道工程學報，2008，25(2):65-68.

［5］程浩忠.電力系統無功與電壓穩定性［M］.北京:中國電力出版社，2004.

［6］王亞玲，吳命利.直流牽引變電所在供電系統運行仿真中的建模［J］.電氣化鐵道，2005，16(4):427.

［7］楊興山.分析中壓網絡和牽引機組對功率因數的影響［J］.都市快軌交通，2007，19(3):76-78.

［8］廣州市地下鐵道設計研究院.地鐵車站低壓負荷計算與無功補償專題研究［G］.廣州，2005.