地鐵供配電系統動態補償裝置技術應用

頡 鵬，王 卓，齊大洪

（徐州市城市軌道交通有限責任公司，江蘇徐州 221000）

0 引言

地鐵車站變電所通過35 kV中壓環網電纜從110/35 kV主變電所取得中壓電源，區間機電設備通過0.4 kV低壓電纜從車站變電所取得低壓電源[1-4]。地鐵用電負荷主要由牽引用電、設備系統用電、照明用電、通風機、水泵和電扶梯用電構成。其中牽引用電、設備系統用電和照明用電負荷功率因數較高，都在0.9以上，通風空調風機、水泵和電扶梯用電負荷功率因數較低，在0.85以下[5]。由于區間隧道風機及水泵電機因功率因數低，需要就地補充電容電流，而傳統電容補償技術因補償效率低、環境要求高且存在諧振風險等原因，無法在區間設備配電設計中推廣使用。此外，地鐵供配電系統受自身負荷特性（如客流量、末端設備負載等）影響，其綜合功率因素并不是一成不變，配電系統無功功率分布和流向也需要動態調整。如在夜間停運時，主變電所35 kV功率因數超高，需要補償電感電流。但部分長大區間隧道設備大容量風機的電機自然功率因數低，需要補償電容電流。

本文針對地鐵長大區間風機配電線路壓降大、損耗高、配電系統無功功率分布復雜等問題，結合動態補償、濾波技術的研究成果，在地鐵區間低壓配電設計中，提出了一種動態補償裝置（SVG）就地補償技術。該技術不僅可有效降低電纜截面，節約電能損耗，還可促使變配電系統功率平衡，提高低壓配電系統設計的科學性、合理性，可在地鐵類似工程中推廣參考使用。

1 動態補償裝置

1.1 裝置功能

SVG（Static Var Generator）靜止無功發生器靠其內部電子開關頻繁動作產生無功電流。基本原理是自換相橋式電路通過電抗器或者變壓器直接并聯在電網上，通過實時調節橋式電路交流側輸出電壓的相位和幅值，吸收或者發出滿足要求的無功電流，實現動態無功補償的目的[6]。如圖1所示。

圖1 動態補償裝置（SVG）基本原理

假設Vi為SVG輸出的交流電壓，Vs為交流電網的電壓源，VL為連接電抗器（由內阻R）上的電壓，即Vs、Vi的向量差，而電抗器上的電流可由其電壓Vi控制，該電流就是SVG從電網吸收的電流I。如圖2所示。

圖2 SVG等效電路及向量圖（不含損耗）

從圖可以看出：若SVG從電網吸收無功電流IQ，無功功率為Q，并吸收滯后無功為正，則：

從上式可以看出：當Vt＜Vs時，IQ＞0、Q＞0，SVG電流滯后系統電壓90°，SVG處于感性工作區，從系統吸收感性功率；Vt=Vs時，SVG與系統之間存在功率交換關系；Vt＞Vs時，IQ＜0、Q＜0，電流超前系統90°，SVG處于容性工作狀態，從系統吸收容性無功。考慮到連接電抗器的損耗和逆變器本身的損耗（管壓降、開關損耗、線路損耗），可將總損耗等效為連接電抗器的電阻，SVG等效電路如圖3所示。

圖3 SVG等效工作原理和向量圖（含損耗）

由于逆變器本身不需要消耗能量，因此逆變器輸出電壓Vt與電流I仍相差90°。但因為連接電抗器等效電阻R的存在，這樣使得電網電壓Vs與電流I的相差不再是90°，而是比90°小了δ，既Vt與Vs的相位差角。由于δ的存在使得SVG從系統接受有功，補償電路的各種損耗。其中電網、SVG及負載電流、電壓波形圖如圖4～圖6所示。

圖4 電網電壓與電網電流波形圖

圖5 電網電壓與負載電流波形圖

圖6 電網電壓與SVG電流波形圖

1.2 裝置構成

動態補償裝置構成是典型的交-直-交結構，直流側采用三相不可控整流橋，并經大電容濾波獲得穩定的直流電壓；逆變部分采用3個橋臂組成逆變橋的方式，通過控制IGBT的通斷，輸出預期的電壓波形；交流側通過LC低通濾波器組連接至電網，濾掉輸出波形的高次諧波分量。如圖7所示。

2 風機就地補償技術

2.1 計算條件

地鐵區間中間風井隧道風機一般設在長大區間隧道中間位置，最遠距離車站近1 km，電機設備容量Pe=110 kW，自然功率因數cosΦ=0.83，且配有軟啟動裝置啟動電流Iq=4Ie。采用SVG裝置補償后的目標功率因數為cosΦ=0.98。

以下計算選取某城市地鐵線路實際工程為算例，該線路存在一長大區間，設置有區間風井，風井內設置有大功率風機，低壓配電距離取900 m。

2.2 計算公式

計算公式如下。

2.3 計算結果

采用動態補償裝置SVG后，因區間隧道風機功率因數提高了18%，電機視在功率從132.5 kVA下降到112.2 kVA，電機啟動電流從806 A下降到683 A，計算電流也從201 A下降到171 A，減少了約15%。啟動電流、計算電流降低均比較明顯。如表1所示。

采用動態補償裝置SVG后，因電機功率因數提高了18%，電機運行壓降從4.8%下降到3.3%。若電源電纜截面從240 mm2改為185 mm2時，電機運行末端壓降為4.3%，也能滿足供電質量要求。如表2所示。

圖7 SVG裝置構成

此外，根據《通用用電設備配電設計規范》GB50055-2011第2.2.2條[3]：交流電動機起動時，配電母線上的電壓應符合下列規定：配電母線上接有照明或其他對電壓波動較敏感的負荷，電動機頻繁起動時，不宜低于額定電壓的90%；電動機不頻繁起動時，不宜低于額定電壓的85%。考慮到變壓器二次側配電母線比額定電壓高5%，修正后的設備末端壓降滿足≥85%額定電壓要求[5]。可見，以上3種方案均滿足遠距離大容量風機供電時的啟動壓降要求。采用SVG補充裝置后，不僅可降低電纜截面、減少線路功率損耗，還有效提高了電機末端運行電壓和啟動電壓（相對于補償前），具有良好的技術效果。

表1 典型區間隧道中間風井風機就地補償計算結果

表2 典型區間隧道中間風井風機就地補償線路壓降計算結果

2.4 經濟效益分析

采用SVG裝置就地補充后，電纜截面可較大幅度降低。在忽略線纜損耗的前提下，可優化工程投資約50萬元。此外，降低線纜后，可減少施工難度，提高線纜敷設的便捷性，整體經濟效益較好。如表3所示。

表3 典型區間隧道中間風井風機就地補償經濟效益對比

3 技術優勢

由于動態補償、濾波裝置具有技術先進、使用靈活，適應地鐵工程的特點，動態補償裝置（SVG）所以能快速推廣，主要是有以下先進的特點[6]。

（1）響應速度快（小于或等于8 ms）

動態補償、濾波裝置可在極短的時間之內完成從額定容性、感性無功功率的相互轉換，這種無可比擬的響應速度完全可以勝任對沖擊性負荷的補償，從而能對電機軟啟動過程中的無功補償做到快速響應。

（2）安全性高

裝置運行時被控制為電流源，不存在與系統阻抗發生諧振的可能性，安全性更高。

（3）補償功能多樣化

使用同一套動態補償、濾波裝置，可以實現不同的多種補償功能：補償負載無功、補償負載諧波、補償負載不平衡、同時補償負載無功、諧波和不平衡。

（4）諧波含量極低

動態補償、濾波裝置采用了PWM技術和多重化技術，與TCR、TSC等其它無功補償裝置相比，諧波含量極低，對電網不會產生二次污染。

（5）占地面積小

動態補償裝置（SVG）采用直接PWM電流控制技術，其輸出電流波形和相位完全可控，SVG能夠在額定感性到額定容性的范圍內運行，由于無需大容量的電容器和電抗器做儲能元件，SVG的占地面積只有相同容量SVC的50%[7-8]。

4 結束語

（1）地鐵長大區間設置大功率風機水泵時，末端設置SVG裝置，可有效降低電纜截面、節約電能損耗，還可促使變配電系統功率平衡，提高末端設備電壓水平，具有良好的技術、經濟效益。可在類似地鐵工程中推廣該技術。

（2）地鐵供電系統35 kV中壓網絡電纜長、電容電流大，在供電系統空載運行時，主變電所功率因數偏高，適合在主變壓器采用就地動態無功補償方式。

（3）推薦在地鐵區間隧道風機附近采用就地無功補償方式，以減少電源配電線路壓降，降低配電變壓器視在功率，提高變配電系統運行效率。

（4）車站變電所配電變壓器0.4 kV母線帶有許多設備系統的高頻電源設備和變頻設備，含有一定的諧波電流，適合設置動態濾波裝置。

（5）下階段建議研究在地鐵用電負荷集中處設置SVG技術方案，如：環控電控室、照明配電室、水泵房和車輛段單體建筑配電室等，以進一步減少電力電纜、開關設備投資，節省地鐵電能損耗。