城市軌道交通供電系統的無功補償要點分析

摘要：現階段，供電系統是保證軌道交通正常運行的重要的基礎，因此，要高度重視供電系統的無功補償問題，以確保供電系統的運行效率和安全。為了解決城市軌道交通中普遍存在的容性無功功率過剩威脅供電系統性能安全穩定的問題，圍繞無功補償技術進行研究，并提出無功補償技術在城市軌道交通工程供電系統中的實踐應用要點。以此改善供電系統無功補償效果，有效控制功率因數，確保城市軌道交通供電系統安全穩定運行。

關鍵詞：城市軌道交通""供電系統""無功補償""無功補償容量計算"無功補償裝置

Analysis"of"Reactive"Power"Compensation"Points"in"Urban"Rail"Transit"Power"Supply"System

FU"Yue""LIN"Ziang"""ZHU"Li

Beijing"Rail"Transit"Operation"Management"Co.，"Ltd.，"Beijing，"100071"China

Abstract："At"present，"the"power"supply"system"is"an"important"foundation"for"ensuring"the"normal"operation"of"rail"transit."Therefore，"it"is"necessary"to"attach"great"importance"to"the"issue"of"reactive"power"compensation"in"the"power"supply"system"to"ensure"its"operational"efficiency"and"safety."In"order"to"solvenbsp;the"problem"of"excessive"capacitive"reactive"power"threatening"the"safety"and"stability"of"power"supply"systems"in"urban"rail"transit，"research"is"conducted"on"reactive"power"compensation"technology，"and"practical"application"points"of"reactive"power"compensation"technology"in"urban"rail"transit"engineering"power"supply"systems"are"proposed."This"improves"the"reactive"power"compensation"effect"of"the"power"supply"system，"effectively"controls"the"power"factor，"and"ensures"the"safe"and"stable"operation"of"the"urban"rail"transit"power"supply"system.

Key"Words："Urban"rail"transit;"Power"supply"system;"Reactive"power"compensation;"Calculation"of"reactive"power"compensation"capacity;"Reactive"power"compensation"device

在城市軌道交通運營期間，供電系統功率因數偏低，無功補償技術應用效果不理想，導致供電不穩定、電能損耗加劇，不利于打造綠色軌道交通工程。在日常管理過程中，相關工作人員應主動承擔崗位職責，立足城市軌道交通供電系統運行實況，對當前供電系統存在的運行弊端問題進行及時改進與處理，減少隱患問題出現。

1""無功補償技術概述

無功補償是在供電系統結構內加裝多臺補償裝置，根據供電系統運行工況，實時控制無功補償裝置，持續輸出無功電流，利用無功電流來抵消感性無功或容性無功，最終起到提高功率因數、降低系統能耗水平、節省電力成本的作用。無功補償主要提供容性無功、感性無功兩種類型的無功電流，根據系統實際工況而定。例如：供電系統產生過多感性無功功率時，補償裝置發出容性無功電流，利用容性無功來抵消感性無功，維持功率因數平衡狀態。而在供電系統產生過多容性無功功率時，補償裝置則發出感性無功電流，利用感性無功來抵消容性無功。

2""無功補償技術在供電系統中的應用

2.1"優選無功補償方式

在城市軌道交通供電系統，主要采取靜止無功補償方式，在主所側安裝靜止無功補償器（Static"Var"Generator，SVG），以電壓源型逆變器"（voltage"source"converter，VSC）為核心，經過電抗器或變壓器，VSC裝置并聯電網，調節交流側輸出電壓的幅值相位，或控制交流側電源幅值相位，起到吸收/發出無功功率的作用，具體可采取集中式補償、分布式補償等形式。靜止無功補償方式有著技術成熟、應用經驗豐富、易于實現的優勢，電流相位角度滯后于電網電壓90°時，SVG裝置類似電感，持續從供電系統吸收感性無功功率；電流超前電網電壓90°時，SVG裝置類似電容供電系統[1]。

此外，由于SVG裝置采取電壓型三相橋式逆變電路（如圖1所示），無功補償效果受到過電壓因素影響，并且對器件硬件規格提出嚴格要求。如果需要進一步改善無功補償效果，工作人員可以采取基于中壓能饋裝置的新型無功補償方式，以電壓源型變流器（Virtual"Synchronous"Generator，VSG）作為中壓能饋裝置核心部件，控制系統內建立簡化模型，用于潮流計算、掌握供電系統無功功率分布規律，準確獲取各處變電所無功電流指令，動態提供無功補償。

新型無功補償系統主要由中壓能饋裝置、補償策略兩部分組成。第一，中壓能饋裝置：電壓源型變流器作為核心，把多臺變流器經過串聯、繞組變壓器隔離后形成中壓能饋裝置，以及配套控制保護系統，具備信號采樣、通信、反饋、控制運算等多項使用功能。在城市軌道交通供電系統，中壓能饋裝置以牽引供電、能量回饋、接觸網融冰、諧波補償、分散式無功補償作為運行模式，分散式無功補償原理如圖1所示。第二，補償策略：在不同時段的補償策略存在差異。在夜間停運時段，以粒子群算法作為控制算法，根據供電系統負荷分布情況計算最優初始指令，提供經濟性無功補償，將降低夜間線路損耗作為補償目標。在晝間運營時段，牽引負荷有著間歇性變化規律，安裝PI控制器，根據當前牽引負荷來跟蹤調節交流電網側功率因數，建立調節抑制機制，確保中壓能饋裝置不會超出線性區間[2]。

2.2"無功補償容量計算

在城市軌道交通工程項目中，供電系統由中壓電纜、主變壓器、牽引所、降壓所等部分組成，要求工作人員根據已知信息，依次計算各部分的無功功率，再把計算結果匯總整理，確定供電系統總體無功容量。在無功補償容量計算環節，提前確定電能計量點位置、無功補償范圍和補償目標，將其作為容量計算依據。正常情況下，以220"kV或110"kV變電所出線處作為電能計量點，或在軌道交通主變電所進線側作為電能計量點；無功補償范圍涵蓋列車牽引負載、動力照明負載和輸變電設備，具體包括各類電壓等級變壓器、電纜等；以功率因數超過0.9作為補償目標，在必要情況下，也可以選擇把無功補償目標放寬到補償后功率因數超過0.85。了解供電系統組成部分的運行情況，根據工程實際情況準確計算無功補償容量[3]。以中壓電纜無功補償容量為例，中壓電纜承擔電能傳輸任務，有著分布距離遠、對地分布電容大的特性，輸電期間產生大量容性無功功率，建立數學分析模型，設定電纜參數、系統工況作為模型屬性，推演中壓電纜在假定工況時所產生的無功值，具體根據單位距離電纜等效電阻、等效電纜、等效電容、線路總長度、額定頻率來計算電纜對地電容產生的無功功率。最后，考慮到我國城市軌道交通行業正處于高速發展階段，用電設備安裝容量、供電負荷、總體用電量都將持續增長，在無功補償容量計算結果基礎上，額外預留一定比例的冗余容量，以此滿足軌道交通發展需求，避免后續頻繁變更無功補償配置方案。

2.3"改進無功補償裝置

2.3.1智慧型SVG裝置

以物聯網技術為支撐，打造新一代智慧無功補償裝置，型號包括SSCT/SACT、SMART"SVG，把有源模塊、無源模塊完美組合，具備動態連續補償功能，不會形成補償死角。根據實際應用情況來看，智慧型SVG裝置的完全響應時間不超過10"ms，組態靈活、平滑穩定、可濾除特定次諧波，100%全功率輸出，不但可以提高功率因數，還可以解決供電系統的諧波污染與三相不平衡問題。

2.3.2軌道交通專用SVG裝置

盡量配備帶有橋式變流電路逆變器的SVG裝置作為無功補償裝置，由自換相橋式電路經過電抗器并列到電網當中，通過調節電壓/電流幅值相位來產生無功電流，這有利于消除低次諧波與高次諧波電流。裝置工作原理如圖2所示，U1為交流輸出電壓、Us為網側電壓、UL為電抗器電壓，X為電抗器。在無功補償期間，通過調節網側電壓和電抗器電壓來提供補償電流，或控制電抗器電流相位來改變交流輸出電壓幅值[4]。

2.4"無功補償系統設計

2.4.1控制柜

控制柜是無功補償系統的核心，以接收信號、輸出信號作為功能定位，連接控制柜、開關柜等其他設備，控制柜由主控單元、采樣單元組成。其中，主控單元涵蓋主控板、順序控制板及電源板，主控板負責采集電壓電流信號與計算無功補償電流、PWM波形傳輸到對應功率單元；順序控制板負責處理信號順序，率先把主控板接收信號發送給下位機，再把功率采集信息提交給上位機；電源板負責持續向主控單元電路供電。采樣單元配備CT板和PT板，以電流互感器作為高壓側CT板，以電壓互感器作為PT板，前者負責采集、等比例縮小與轉換電網側電流信號，最終傳遞給控制單元，后者負責把相電壓和線電壓信號縮小后傳遞給主控單元。為滿足邏輯信號傳輸要求，對各處信號點位進行改造，把一部分常開節點變更為常閉節點[5]。

2.4.2功率柜

配備大功率IGBT雙極型晶體管構成三相橋式逆變電路，運用鏈式變流技術，組成功率柜，根據供電系統情況、無功補償要求來調整柜內接線方式和回路結構，增設閉鎖關系與配備光纖配線架，負責傳遞區間光纜信號。正常情況下，把逆變橋相數控制在3相，額定頻率為50"Hz，以功率單元直流側電壓作為輸入信號，以多路IGBT驅動脈沖信號作為輸出信號。

2.4.3變壓器柜

適當調整變壓器運行方式，正常工況下，網側電壓經過降壓處理后，持續把電壓傳遞給功率單元，以備用電源為用途。而在功率單元充電期間，保持變壓器網側連接斷開狀態，電源經過升壓處理后再給功率單元充電。

3""結語

綜上所述，改善無功治理效果是全面推動城市軌道交通健康發展的關鍵，也是顯著提升供電系統節能系數、貫徹落實可持續發展戰略的重要途徑。工作人員必須加強對無功補償技術的應用力度，全面掌握在補償方式選擇、補償容量計算、裝置改進、系統設計等諸多方面的技術應用要點，為無功補償技術創造良好應用條件。

參考文獻

[1]劉成剛.城市軌道交通供電系統及電力技術分析[J].智能城市，2021，7（8）：64-65.

[2]陳瑞軍.城市軌道交通供電系統新型無功補償方法研究[D].北京：北京交通大學，2022.

[3]趙琦.城市軌道交通供電系統及其無功補償方案研究[D].西安：西安石油大學，2021.

[4]王敖.城市軌道交通供電系統的無功補償方案研究[J].機電工程技術，2021，50（5）：48-52.

[5]梁偉軍.城市軌道交通供電系統節能優化控制策略的研究[J].電氣技術與經濟，2024（9）：65-67.