大連地鐵投運對電網側電能質量的影響

王 晛

(福州大學電氣工程及其自動化學院，福建 福州 350108)

1 諧波分析與治理措施

1.1 諧波來源

地鐵供電系統中的波形畸變主要來源于車輛牽引供電的整流逆變裝置和車站輔助供電系統的變頻裝置［1］。采用IGBT元件構成的主逆變器、三相鼠籠式異步電機、用于驅動電機的調頻調壓控制器都會產生諧波，機車的輔助電機、空調和通風系統、照明、控制監視診斷系統、蓄電池等用電電源，都由機車的輔助靜止逆變器提供，輔助逆變器是典型的非線性器件，通過接觸網和降壓站換流器向電網反饋諧波。但因列車裝有車載濾波裝置，能有效濾除逆變過程及牽引電機產生的諧波，因此，整流過程產生的諧波是主要因素。但降壓變向非線性用電設備供電產生的諧波不能忽視。

1.2 主要諧波特征

地鐵采用24脈波整流。理論上講，整流機組直流側主要含24次脈動電壓，交流35 kV側主要含23次、25次諧波電流，低次諧波電流如5次、7次大幅度降低。2臺整流機組產生的11次、13次諧波因大小相等方向相反，互相抵消，因此，35 kV側11次、13次諧波也將被削弱。根據上海地鐵統計數據及實測值，5次、7次諧波電流占基波電流的2.6%、1.6%，11次、13次諧波也比12脈波整流減少80%以上，這就從源頭減少了諧波含量。但實際上由于電網電壓不對稱和整流變壓器三相阻抗不對稱等非理想因素，不可避免產生非特征次諧波，在交流35 kV側也將產生5次、7次、11次、13次諧波。杭州地鐵采用12相24脈波整流，但交流側的5次、7次、11次諧波仍很大，正常運行方式下5次諧波電流達到3%，檢修方式下達到6.5%，24脈波整流依然存在問題，地鐵輕負荷與重負荷下的諧波有差異，近期負荷與遠期負荷相差也很大，在遠期客流量很大的時候，諧波仍較嚴重，仍有造成公共電網電能質量劣化的可能。

1.3 注入電網的諧波電流估算

整流機組產生的23次、25次諧波主要與整流機組制造技術有關，根據該機組供應方提供的數據，1個2×3 300 kVA牽引換流組合最大有功功率平均為7 MW，變壓器負荷率約77%，其電網側23次諧波電流含量最大，占基波電流的2.3%，25次諧波電流占基波電流的2.1%，其他各次諧波含量由大到小依次為5次、7次、11次、13次。低壓用電設備中，照明系統、熒光燈 (使用電子整流器)主要產生3次諧波;EPS電源屏、通風空調、電扶梯主要產生5次、7次諧波［2］。因為降壓變采用YND11接線，負荷側采用角形接線，避免了負荷側產生的3及其整數倍諧波進入電力系統。而5次、7次諧波通過主變電站進入電力系統。因此，應考慮非特征諧波電流和動力照明負荷產生的5次、7次諧波電流造成的影響，5次、7次諧波電流分別占基波電流的2.6%、1.6%［3］。

1.4 仿真模型

在遠期高峰小時負荷及系統最大運行方式下，進行諧波電流計算。

大連地鐵1號、2號線工程搭建的整流變壓器諧波模塊及降壓變負荷模塊如圖1、圖2所示。

分別對正常運行方式、單臺線變組解列、整座變電站解列3種運行方式進行仿真分析。仿真時假設遠期1號線東港廣場牽引站故障退出運行，由東海公園牽引站和勝利廣場牽引站越區供電，分別取最大負荷的25%、50%、75%、100%進行仿真，由仿真結果可以看出，隨牽引負荷的增大，66 kV側等效干擾電流相應增大，負荷變化對66 kV側電壓總諧波畸變率影響基本呈線性關系。因此，在遠期高峰小時下，地鐵產生諧波含量可能達到最大值，經計算66 kV側電壓總諧波畸變率最大值略超出國標允許值3.0%［4］，因此，建議初期在主變電站低壓側35 kV母線預留濾波裝置位置，遠期安裝濾波裝置。

1.5 諧波治理方案

a． 方案一

遠期在35 kV側裝1.5 Mvar、35 kV、240 Hz，1.5 Mvar、35 kV、600 Hz調諧濾波電路，所設的5次、11次濾波裝置能有效抑制7次、13次等鄰近諧波。

b． 方案二

每套濾波裝置由4組單調諧濾波器組成［5］:1組5次單調諧濾波器、1組7次單調諧濾波器、1組11/13次單調諧濾波器 (仿真結果顯示沒有超標，但考慮到11次、13次諧波經電纜放大程度較大，建議根據實際情況選擇是否安裝)，1組23/25次單調諧濾波器。每組單調諧濾波器用于吸收單一次數諧波。

2 無功補償

2.1 66 kV側功率因數計算

通過ETAP軟件仿真預測66 kV側功率因數。仿真時，動力負荷功率因數設為0.75，照明負荷功率因數為0.83左右，牽引負荷設為0.95。仿真結果 (初期)顯示泉水路主所66 kV側功率因數為0.93，張前路主所為0.93，學苑廣場主所為0.92。為證明仿真結論具有可參照性，進行驗證。

運行初期，根據地鐵供電系統需要供電部門提供的日有功電度p∑與日無功電度q∑，計算出1號、2號線主變電站66 kV側初期日平均功率因數為

式中 PT——全線牽引負荷;

cosφT——牽引負荷平均功率因數;

PD——全線動力照明負荷;

cosφD——動力照明負荷功率因數;

PS——供電網絡負載損耗;

PS0——供電網絡空載損耗;

QL——電力電纜充電功率。

近期牽引負荷為初期牽引負荷的1.1～1.2倍，遠期牽引負荷為近期牽引負荷的1.2～1.5倍［5］。由鐵三院提供的負荷數據代入式 (1)進行計算，得出初期、近期、遠期主變66 kV側功率因數都在0.9以上，與仿真結果吻合。

降壓變壓器的實際負荷率低于設計值。牽引負荷的增長與預期客流的增長密切相關，目前廣州地鐵1號、2號線的客流增長低于預測值［6］。假設大連地鐵運營情況與廣州地鐵相同，由于PT、PD比預測值小，由式 (1)得出實際功率因數大于預測值。實際上，若用電負荷低于預測值10%以上，則66 kV側的功率因數將大于0.97～0.98;若用電負荷低于預測值50%以上，則66 kV側功率因數接近1［7］，若此時再進行無功補償，供電網絡66 kV側功率因數可能變為超前的功率因數，降到0.4左右，將受到供電部門處罰。根據現行電費收費方案，提高功率因數可減少電費開支，由此產生的經濟效益很顯著。功率因數不能過補，不補又不經濟，因此有必要在不發生過補償的前提下，提高動力照明負荷低壓側功率因數。假設牽引負荷的功率因數保持穩定 (為0.95)，則低壓側動力照明負荷的功率因數存在一個臨界功率因數cosφDL，使地鐵供電網絡110 kV側的功率因數為1。

以1號、2號線初步設計的用電負荷量為參考，分析動力照明負荷臨界功率因數cosφDL隨用電量變化規律，得出用電量越低 (牽引負荷越小)，動力照明負荷的臨界功率因數越低。根據電纜供應方和鐵三院提供的數據計算得出，高壓電纜充電功率約為24 779 kvar，動力照明負荷日平均需用功率約為47 269 kW，當牽引負荷PT取0時，可得出cosφDL最小計算值為0.88，若此時將動力照明負荷功率因數補償至0.9以上，則高壓66 kV則將出現過補償。

從技術經濟角度出發，兼顧設備投資與投資回報 (少繳納電費)，設計無功補償方案，使低壓側動力照明負荷功率因數處在一個較合理的水平(平均功率因數控制在0.8以上)。

2.2 補償方案

2.2.1 無源濾波器濾波與靜態無功補償結合

遠期負荷下，在3個主變電站的35 kV母線處集中使用調諧濾波電路，用于濾除諧波。在每個牽引降壓混合變電站和降壓變電站的0.4 kV母線處使用失諧設定的濾波電路，用于補償無功功率［8］。失諧的濾波電路對含有高次諧波的35 kV電網起阻隔作用，避免35 kV電網高次諧波侵入0.4 kV母線，影響各車站電氣設備與補償設備的安全經濟運行。在補償電容器前串接扼流線圈 (扼流作用率P取7%)，構成LC串聯諧振電路，使諧振頻率低于第5次諧波。

采用傳統的改善方案具有投資少、效率高、結構簡單、維護方便等優點，但補償功率不可調。當多列車同時啟動運行時及在2個整流變空隙間滑過時會產生有功沖擊，使66 kV側功率因數產生一定的波動，波動范圍為0.8～1［9］，補償無功不能隨功率因數變化實時調節。

2.2.2 靜止無功功率發生器SVG

SVG具有動態連續平滑補償功能，更快響應速度抑制電壓波動、閃變列車啟動及在2個整流變空隙間滑過時產生有功沖擊;可以補償沖擊性負荷;具有有源濾波功能;抑制三相不平衡功能。

電力機車牽引負荷是三相不平衡負荷，高壓電纜、變壓器等輸配電設備三相阻抗不可能做到三相完全平衡，這將導致電網電壓不平衡。SVG能快速補償由于三相不平衡引起的負序電流，保證輸入電網三相電流平衡，但SVG造價高。

目前我國地鐵變電站絕大部分采用固定并聯電容補償模式，但存在投切不及時、無功補償效果不好、投切時易出現很高的過電壓，導致嚴重的供電故障［10］。要從根本上解決問題，最好的方法是采用性能優良的動態無功補償裝置。

2.3 新的補償方案

從補償效果和經濟性考慮，采取動態無功補償(SVG或SVC)與靜態補償 (并聯電容補償、并聯電抗補償)相結合，分區集中補償與集中補償相結合的補償方式。

分區集中補償用并聯電抗器來補償35 kV電纜的充電無功功率，在主變電站35 kV母線安裝SVG與并聯電容器補償66 kV電纜充電無功功率和變壓器無功功率。

2.3.1 分區集中補償

分區集中補償電抗器容量應滿足:

QL=QC12－QS12－Qd

式中 QL——并聯電抗器總補償容量;

QC12——35 kV電纜充電功率;

QS12——35 kV電纜無功損耗;

Qd——末端無功負荷 (一般為感性負荷)［11］。

大連地鐵2號線分區1并聯電抗器補償容量:

由此可見，末端負荷是決定補償容量的關鍵。負荷越小，需要補償的感性無功越多，因此，總補償容量應根據夜間休車時段低谷負荷決定。休車時段，QS12可忽略不計，牽引功率Pd1為0，動力照明負荷Sd2按15%正常負荷計算Sd2=419.5 kvar，則QL=Qc12－Qs12min－Qdmin=499.8－419.5=80.2 kvar。建議在分區1設補償容量為80.2 kvar的并聯電抗器。其他分區補償容量計算方法相同。

2.3.2 集中補償

動態無功補償裝置容量應滿足:

式中 QC34——66 kV電纜充電無功功率，可視為定值;

QS34——66 kV電纜無功損耗，很小可以忽略;

QT——主變壓器的無功損耗。

QT隨負荷量變化而變化，因此，補償裝置容量范圍為

Qc34－Qs34max－QTmax＜QB＜Qc34－Qs34min－QT34min

按70%正常負荷率，主變損耗為

QTmax=(Ukβ2+I0) ×Se=(10.5% ×0.72+0.7%)×100×103=5 845 kvar

QTmin=I0×Se=0.7%×100×103=700 kvar

則－3 629 kvar≤QB≤1 516 kvar，即2號線泉水路主變電站35 kV側日間需補償3 629 kvar容性無功功率，夜間休車時段需補償1 516 kvar感性無功功率。為節約成本，建議集中補償采用并聯補償電容器+SVG方式，其中并聯補償電容器安裝容量為2 100 kvar，SVG安裝容量為1 600 kvar。

3 結束語

運營初期，大連地鐵1號、2號線供電系統66 kV側的自然功率因數大于0.9，處于比較合理水平。考慮到地鐵用電負荷增長的滯后性及無功補償裝置投入對供電系統運行的負面影響、補償裝置使用壽命 (8～10年)等因素，1號、2號線供電系統低壓側在運營初期可不進行無功補償，但應在車站變電站預留無功補償裝置的安裝位置，以備在負荷增長和供電部門電費政策變化，從技術經濟角度全面權衡，決定是否需要無功補償［3］。

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