無功補償技術在地鐵供電系統的應用

曾之煜

(中鐵二院工程集團有限責任公司 成都610031)

1 無功補償的必要性

國內地鐵供電系統均采用電纜敷設，其充電的無功功率較大。同時，由于牽引負荷在一天內波動很大，所以不同時段的感性無功變化較大。以成都地鐵2號線為例，該線采用集中式供電，全線共設2個主變電所，為9個供電分區供電。在第5個分區設置環網聯絡開關，以實現主所之間的支援，其無功計算如下:

按現有規劃情況，成都地鐵2號線沙河堡主變電所各時段的無功理論計算值如表1所示。由上述計算可知，在系統運營的各時段，由于主變電所110kV進線電纜較長，所以均將向電力系統倒送容性無功。在運營初期低谷時，功率因數低至0.2以下。

根據《功率因數調整電費增減查對表(國家統一標準)》中的相關規定，在地鐵非高峰運營時段出現容性無功倒送現象，將被計入罰款區間。對于地鐵運營線路而言，電費在其運營成本中占有很大比重，若能保證運營各時期的功率因數在0.95～1.0的優質區間以內，每年由此少交的電費與設置無功補償裝置而避免的罰款電費將是一筆可觀的費用。鑒于此，推薦該線主變電所設置無功補償裝置，以提高功率因數。

表1 沙河堡主變電所各時段的功率分布

2 無功補償裝置的選擇

靜止同步無功發生器(SVG)是當前最先進的無功補償裝置，具有動態響應時間極快、濾除諧波、無諧振、低損耗、體積小的優點，更重要的是其雙向補償的特點是其他無功補償裝置不具備的:一方面可提供感性無功以減少電抗器的投資，另一方面為將來可能出現的重負荷提供容性補償。2009年，廣州地鐵5號線率先使用SVG，此后佛山、深圳、天津、蘇州、無錫、西安等地均采用過此項技術。從技術成熟可靠的角度來說，在成都地鐵2號線使用SVG是完全可行的。

由于工程計算與實際運行情況可能存在一定的偏差，且該工程的兩座主變電所最終的供電范圍及運行模式存在不確定性，所以將來系統運量增大或負荷增加可能會產生容性無功的補償需求。SVG為精密電力電子變流設備，當其容量過大時，設備投資將大大增加。因此，若能將SVG容量控制在合理的范圍內，輔以固定電抗器來共同構成補償系統，將可以降低工程投資。同時，為了避免固定電抗器頻繁投切，減小電抗器的體積和成本，固定電抗器的容量按接近110kV電纜固有無功定檔，剩余補償容量由SVG提供。

3 采取無功補償的效果

從已經投入運營的工程看，西安、成都采用SVG+并聯電抗器的方案。成都地鐵1號線主變電無功補償設備已于2013年5月投入試運行，火車南站主變電所無功補償設備容量見表2，其瞬時無功補償情況見圖1。

表2 沙河堡主變電所無功補償設備容量 kvar

圖1 瞬時無功補償效果

火車南站主變電所無功補償裝置投入運行前后成都地鐵公司電調統計數據見表3。通過表中數據看出，并聯電抗器及SVG投入運行后，功率因數提高到0.95以上，效果良好。

4 無功補償系統方案

成都地鐵2號線主變電所無功補償系統接線見圖2。主變電所35 kV兩段母線分別掛1臺電抗器和SVG，成都地鐵2號線已在主變電所35kV配電裝置室預留無功補償工程所需4面35 kV C-GIS柜的安裝條件。

在SVG接入35 kV系統的方案選擇上，目前國內有兩種常見做法:一種是直接接在35 kV母線上，即直掛式;另一種是35 kV經變壓器降壓到10kV再接SVG，即降壓式。直掛式的優點是免去了變壓器的檢修維護工作，功率電力電子器件的工作電流小，損耗較小;其缺點是工作電壓增高必然導致功率電力電子器件的數量增加，既增加了成本，還增大了設備體積。降壓式的優點是設備體積小、成本較低，缺點是增加了變壓器的檢修維護工作。以本工程為例，若采用直掛式，將使SVG的功率模塊由33個增加到60個，考慮到功率模塊的核心器件均為進口、價格較高，故在滿足技術要求的前提下，優先選擇降壓式的方案。

表3 火車南站主變電所功率分布情況

圖2 無功補償接線

SVG、并聯電抗器、隔離變壓器設于新建的房間內，考慮電抗器噪聲影響，SVG單獨設于一間，SVG采用強迫風冷的方式。考慮到電抗器及變壓器的發熱量較大，在其所在房間設置軸流風機及空調設施。

結合表1中的理論計算值，考慮一定的裕度，設備容量選取見表4。

5 無功補償關鍵設備

5.1 并聯電抗器

出于消防安全考慮，選用干式并聯電抗器。干式電抗器主要有空心的和鐵芯的:空心電抗器的主要優點是抗大電流沖擊、抗飽和能力強、線性度好，其缺點是體積大、成本較高;鐵芯電抗器的主要優點是成本較低、體積小，其缺點是抗飽和能力弱、噪聲較大。本工程在滿足技術要求的條件下，選擇使用干式鐵芯電抗器。

表4 設備容量選取

5.2 靜止無功補償器

靜止無功補償器(SVG)應實現無功容量連續調節與平滑輸出，滿足無功功率、電壓調節、功率因數及諧波治理等的技術要求;保證主變電所的對側變電所110kV間隔出線計量點的實時功率因數值大于0.95(滯后、無過補)，滿足注入系統的諧波電流和35 kV母線電壓的總諧波畸變率低于GB/T 14549—93中的相關規定。

電力電子元器件IGBT的性能對SVG至關重要。本工程全部采用原裝英飛凌系列的IGBT，其換流閥采用高壓級聯式結構，采取多重化控制技術，實現高頻低脈動，輸出電流諧波含量小。SVG功率器件由33個相同的變流模塊組成，每相11個，三相Y形連接，采用10+1式的冗余設計，在1組模塊故障時還可以工作，其結構見圖3。

SVG控制系統結合DSP、FPGA及CPLD技術，保證了系統的處理能力、可維護性、可測試性以及可靠性。

5.3 其他設備

由于電抗器線路采用真空斷路器投切，切電抗器產生的高頻過電壓可能超過電抗器的絕緣水平，所以對設備安全運行造成的隱患不容忽視。在抑制操作過電壓上升陡度及高頻振蕩方面，阻容吸收器較避雷器效果要好，故本工程在電抗器進線處設置阻容吸收器。

6 結語

圖3 SVG變流器拓撲

早期國內地鐵線路一般未考慮在主變電所集中補償無功，或者是在主變電所預留無功補償設備場地，根據初期地鐵投入運營情況決定是否增設無功補償裝置。事實證明，在城市軌道交通建設中，以集中供電方式為例，主變電所的110kV電纜長達數十公里，其產生的無功是無法忽視的。在新建線路時，一般應考慮直接在主變電所設集中無功補償，線路開通即投入使用，這樣可避免后續改造工程的一系列麻煩。至于是采用并聯電抗器+SVG還是只設SVG，主要取決于110kV的電纜長度。

［1］中國航空工業規劃設計研究院.工業與民用配電設計手冊［M］.3版.北京:中國電力出版社，2005.

［2］中鐵二院工程集團有限責任公司.成都地鐵2號線主變電所無功補償成套裝置技術協議［G］.成都，2013.

［3］中鐵二院工程集團有限責任公司.成都地鐵2號線主變電所無功補償工程初步設計文件［G］.成都，2012.

［4］王明飛.城市軌道交通靜止無功發生器設置［J］.都市快軌交通，2012，25(4):108-110.

［5］隋佳斌.SVG技術在城市軌道交通領域的應用研究［D］.廣州:華南理工大學，2012.

［6］陳飛.軌道交通供電系統功率因數分析及補償方案研究［J］.鐵道工程學報，2012(4):100-103.

［7］周方圓，黃燕艷，龍禮蘭，等.地鐵供電系統無功特性分析與補償設計［J］.大功率變流技術，2011(4):9-12.