無功補償方案在地鐵供電系統中的應用研究

2016-03-13 20:10:31東莞市軌道交通有限公司許焯毅譚雪嬌

電子世界 2016年2期

東莞市軌道交通有限公司　許焯毅　譚雪嬌

無功補償方案在地鐵供電系統中的應用研究

東莞市軌道交通有限公司許焯毅譚雪嬌

【摘要】隨著城市基礎設施建設水平的不斷提升，地鐵作為對舒適度、安全性、整體性能、施工技能等方面的要求都非常高的交通方式，已經成為現代城市交通水平的重要衡量標志，但由于其供電系統幾乎全部采用電纜連接，致使其充電無功功率和牽引負荷的波動性等較大，會對城市電網造成功率因數低、無功功率反送以及諧振過壓等多方面的不利影響，而城市電網的安全性和持續性對城市發展至關重要，所以通過有效的措施控制地鐵供電系統對城市供電網的影響至關重要，本文通過對供電因數計算模型的系統分析，結合深圳市地鐵對無功補償方案在地鐵供電系統中的應用展開研究，為促進城市地鐵快速發展作出努力。

【關鍵詞】無功補償方案；地鐵；供電系統

0　引言

地鐵的供電系統是采用兩級供電制的方式的高壓用電用戶，列車牽引和車站動力及照明負荷是其用電負荷的主要構成，所以其性質直接決定了地鐵供電系統的功率因數，而地鐵列車的設計決定其牽引負荷的功率因數總額在0.96左右，車站動力及照明的功率因數通常在0.78左右，這與我國電力部門現階段所規定的高壓供電用戶高峰時段功率因數應在0.9以上不符，致使地鐵供電系統發生線路損耗加快、有功輸出容量不足等問題，甚至對城市供電造成影響，所以采取無功補償方案是地鐵供電系統正常運行的必然選擇。

1　供電因數計算模型分析

110千伏和35千伏的兩級電壓制集中供電并覆蓋諸多低壓供電設備是現階段深圳市地鐵供電系統的主要結構形式，其用電負荷與常規地鐵一致，其中牽引負荷與行車密度和客流量呈現出較明顯的正相關性，而車站動力和照明負荷值相對比較穩定，通過對其牽引負荷的變化數據分析，其遠期負荷會達到近期的1.2至1.5倍，而近期又會達到初期的1.1至1.2倍，通過計算可以發現其自然功率將超過0.95；而深圳地鐵車站動力和照明的負荷基本穩定在0.73至0.81之間[1]。一天中由于城市居民的出行量會出現明顯的波動變化，所以深圳地鐵的主變壓器在一天內的負荷變化也呈現出顯著的波動特征，通常0:00至5:30由于地鐵停運主變壓器出現低谷負荷；一天內的其余時間則為高峰負荷時期，由于變壓器不僅具有轉化電壓的功能，還會對感性無功功率進行消耗，而電力電纜不僅對感性無功功率具有消耗的能力，而且當其充電功率超過其功率消耗時會產生容性無功功率，例如地鐵處于停運階段，電纜會生成容性無功功率，直接對電網的供電平衡造成影響[2]。由于地鐵的運行是機械式的對日運行的簡單重復，所以平均功率因數可以通過地鐵供電系統需要供電部門提供的日有功電度(P∑)和日無功電度(Q∑)表示，即，其中P∑可通過（全線的牽引負荷+全線的動力照明負荷+供電網絡的負載損耗）×18.5+供電網絡的空載損耗×24（千瓦/小時）獲得，而Q∑可通過（全線的牽引負荷×tan牽引負荷+全線的動力照明負荷×tan動力照明負荷）× 18.5-電力電纜的充電功率×24（千伏安/小時）[3]。例如深圳市在5至11月的空調季節中其動力照明負荷所產生的平均功率因數大約在0.74左右，而其余月份構成的非空調季節其取值為0.71，結合兩個時期功率因數較低的空調負荷有所縮減，牽引負荷中功率相對較高的比重會在原有程度上上升，致使地鐵供電系統的無功功率需求縮減，所以非空調季的功率因數較空調季更高，與平均供電因數計算模型一致[4。

2　深圳市地鐵對無功補償方案在地鐵供電系統中的應用分析

深圳地鐵一號線在進線側存在5千米左右長度的110千伏電纜，其供電局考核點因此段電纜在輕負荷時致使無功倒送，出現功率因數較低的現象，而其地鐵負荷起點因主變壓器設計容量過高，也會對地鐵負荷構成影響；另外，35千伏的電纜沿著地鐵線鋪設所造成的容性無功功率的倒送也不容忽視，為管理的方便，預期在一號線地鐵負荷的起點進行補償。

無功補償方案通常有集中式、分區集中式和分布式三種類型，結合不同的無功補償類型，確定以下補償方案：第一種是利用35千伏級別的靜止無功發生器，在35千伏電纜的起點位置進行補償，此方案靜止無功發生器的電流較小，所以對散熱的要求較低，而且在運行的過程中只會產生較低的噪音，但是在應用此方案的過程中，要求在供電局考核點安裝功率監視裝置，并將裝置獲取的數據以通信的方式不斷向35千伏電纜的起點進行傳送，由靜止無功發生器對其進行比較，由此構成遠距離閉環控制系統，但在此系統運行的過程中，靜止無功率發生器的響應速度會明顯降低，另外，補償裝置的運行也會因為通信對穩定性的較強依賴而狀況不穩定。第二種方案是利用10千伏級別的靜止無功發生器安裝在35千伏電纜的起點位置，并利用干式升壓變壓器將其與35千伏的母線連接進行補償，此方案雖然也達到了無功補償的目的，但是在運行的過程中需要利用通信的方式實現對無功功率的傳輸，傳輸的穩定性和持續性都難以保證；第三種方案是直接對供電局考核點進行補償，這樣無功功率的近距離采集得到保證，其只需要對110千伏電纜地鐵方向的功率進行檢測，無功誤補的現象可以得到有效的遏制，不僅對靜止無功發生器快速響應的優點進行最大化的挖掘利用，而且達到的無功補償效果也最理想，但在實際運行中由于其安裝位置隸屬于供電部門范圍，所以維修、養護、管理等實際操作會受到一定的影響。

結合深圳市地鐵一號線的實際情況，選擇第一種方案對其進行無功功率補償，在實際應用的過程中其選擇的成套裝置的控制目標應確定為35千伏方向母線電壓，靜止無功發生器的補充容量應滿足-3.5至3.5之間的無功連續可調，其對地鐵供電系統的電壓變化進行實施的跟蹤，而且會隨著跟蹤結果的變化對無功輸出的實際值進行連續的調節，由此對電壓的穩定性做出貢獻，通常情況下，靜止無功功率器對電力系統電壓變化的響應時間要控制在5毫秒以內。短時間過載是成套裝置所允許的，成套裝置總容量的15%左右為過載無功補償容量的大致范圍，在應用方案1的過程中必須保證110千伏母線公共連接點處被注入的諧波的總畸變率在2%及其以下，其中奇次諧波電壓含有率必須在1.6%及其以下，偶次諧波電壓含有率必須在0.8%及其以下，電壓不平衡度必須保持在1.3%及其以下，電壓波動必須在2%及其以下，當補充容量滿足要求的情況下，使用本方案的深圳地鐵一號線的月平均功率因數應該在0.95及其以上，補償效果較理想，具體優化過程可結合深圳地鐵一號線在運行過程中的實際情況逐漸進行，提升地鐵的整體性能[5]。

在利用無功補償方案對地鐵供電系統進行調整的過程中，需要注意站內動力及照明負荷的實際用電量受使用電機設備實際耗電程度和環控系統、照明系統的實際運行模式兩方面有關，所以在利用靜止無功功率器調節供電系統負荷時，必須綜合考慮無功功率相對穩定的站內照明和動力負荷，以免因設計或采購等方面的失誤造成不必要的資本浪費。