地铁线路无功补偿方案研究

顾晏齐 段永强

(西安市地下铁道有限责任公司 西安 710016)

1 西安地铁2号线的供电系统概况

西安地铁2号线采用集中式外部电源供电方式，全线建行政中心、会展中心两座地下式主变电站。地铁供电系统采用110/35 kV两级电压供电，主变电站从地方电力系统引入110 kV高压电源并降压成地铁供电系统使用的35 kV电源，通过地铁环网系统将电能分配至每一个车站和车辆段及停车场内的牵引变电所和降压变电所。

行政中心主站两回外部电源，一回从330 kV草滩变电站引入，线路长度10.7 km，一回从110 kV桃园路变电站引入，线路长度16.2 km，双回电源均采用110 kV单芯铜导体630 mm2的电缆沟道敷设;会展中心主站两回外部电源，分别从330 kV上苑变电站的两段110 kV母线引入，单回线长8.74 km，采用110 kV单芯铜导体800 mm2的电缆沟道敷设。

2 安装无功补偿装置的必要性

从理论分析和调研考察两个方面，对西安地铁2号线是否需要安装无功补偿装置进行研究。

2.1 地铁供电系统无功功率的特点

每个地铁主站一般下辖3个分区，35 kV高压电缆总计100～200 km。经过模型估算，充电无功可以达到几个MV·A，为主变压器容量的10% ～30%。尤其在夜晚负荷较轻、感性负荷很少时，系统存在无功倒送的问题。另外，电缆产生的容性无功对电压有抬升的作用，若抬升到一定程度，则会影响到设备的安全性。

2.2 无功的危害

无功在线路中大量传输会造成线路的无功损耗，在通过升压或降压变压器时会引起变压器的无功损耗，有

式中，P为有功功率，Q为无功功率，U为系统电压，X为线路阻抗或变压器阻抗。

从上式可以得到如下结论:无功损耗伴随有功的变化而成平方关系变化，当有功增大一倍时，无功损耗将增大数倍。

感性无功的大量存在会引起电压降落，容性无功的大量存在会引起电压抬升，而电压过低或过高都会对设备安全带来隐患。冲击性负荷会带来有功冲击和无功冲击，严重时会导致电压波动和闪变。

2.3 对地铁供电质量的调研和实测

为了确定西安地铁安装无功补偿装置的必要性，公司对近年新运行地铁线路的电能质量进行了调研，并在某城市地铁主变电站进行了实测，其24 h三相功率因数变化曲线如图1所示。

经过测试，该地铁站33 kV母线的白天功率因数可达0.9以上，夜间功率因数仅有0.3，日平均功率因数仅为0.78左右，且由于地铁本身的工作特性，使得母线一直处于无功倒送状态。

图1 主变电站24 h三相功率因数变化曲线

经过理论分析和调研实测，发现2号线在初期输送功率较小以及晚上低负载运行时，供电系统的无功功率不能内部平衡，有很大的电缆容性无功存在，功率因数不符合要求，所以有必要安装无功补偿装置。

3 无功补偿方案的比较和补偿装置的选型

3.1 无功补偿方案的比较

地铁供电系统的结构形式为110 kV主站+35 kV分区，因此产生了3种动态无功补偿的方案:集中式补偿、分区集中补偿、分布式补偿。集中式补偿，就是指在110 kV主站集中进行无功补偿，如图2所示;分区集中补偿，就是指在每个分区进行动态无功补偿，因为地铁系统110 kV主站一般带3个分区的负荷;分布式补偿，就是指在每个35 kV的降压所、跟随所和牵引所都进行动态无功补偿。

图2 集中式补偿

在3种动态无功补偿方案中，理论上分布式补偿的方案效果最佳，其次为分区集中补偿的方案，再次为集中式补偿方案。但实际上由于电气距离短，电能质量变化不大，因此分布式补偿和分区集中补偿比集中式补偿效果好得不多，几乎可以认为效果一样。

分布式补偿方式由于采用的动补装置数量太多，投资最大，其次是分区集中补偿方式，而集中式补偿方案只在110 kV主站安装动补装置，设备投资少，占地面积最少。分区集中补偿比集中式补偿增加60%左右的投资，分布式补偿比集中式补偿增加1倍的投资。

3.2 无功补偿方案的选型

静止无功发生器(static var generator，SVG)是目前最为先进的无功补偿技术，其基于电压源型变流器的补偿装置，实现了无功补偿方式质的飞跃。它不再采用大容量的电容、电感器件，而是通过大功率电子器件IGBT管的高频开关来实现无功能量的变换。它能够实现双向、动态无功功率的连续调节，既可补偿系统中的感性无功，又可补偿系统中的容性无功，稳定系统电压。它能达到全程范围内的连续无功补偿，没有盲区，使系统补偿后的功率因数达到0.98以上，同时实现补偿无功电流和谐波电流的双重目标。带有SVG无功补偿装置的系统如图3所示。

图3 带有SVG无功补偿装置的系统

综上所述，3种补偿方案的补偿效果接近，从经济指标考虑，西安地铁2号线采用集中式无功补偿方案，补偿装置选用SVG动态无功补偿装置。

4 计量考核点对无功补偿方案的影响

西安地铁2号线供电系统由于电力部门对于计量考核点位置选取的变化，使得无功补偿方案和无功补偿的设备容量也发生了大的变化。

4.1 计量考核点设在对侧变电站馈线侧

根据陕西省电力公司对地铁2号线外部电源工程可行性研究报告的评审意见，最初把计量考核点放在地方变电站的110 kV馈线处。地铁在初期输送功率较小以及晚上低负载运行的时候，系统要求对感性无功的补偿容量不会超过电缆的充电容性无功，所以统计补偿装置容量时仅考虑线路系统空载情况下的最大容性无功，即:需要配置无功补偿装置容量=110 kV电缆充电无功+35 kV电缆充电无功－110 kV主变空载无功－35 kV侧变压器空载无功。

行政中心主站35 kVⅠ段母线要补偿的无功容量:

8.2+1.98 －0.315 －0.408=9.45(Mvar)

行政中心主站35 kVⅡ段母线要补偿的无功容量:

12.4+1.98 －0.315 －0.408=13.66(Mvar)

会展中心主站35 kVⅠ段母线要补偿的无功容量:

7.16+2.46 －0.315 －0.298=9.01(Mvar)

会展中心主站35 kVⅡ段母线要补偿的无功容量:

7.16+2.46 －0.315 －0.298=9.01(Mvar)

考虑到110 kV电缆的充电无功基本上是恒定的，因此无功补偿方案采用了SVG(动态补偿部分)和电抗器(固定补偿部分)相结合的办法(SVG+电抗器补偿方案)。一方面利用了SVG的先进性，另一方面也考虑了方案的经济性。利用并联电抗器去固定补偿110 kV电缆的充电无功，使得电缆的充电无功基本平衡;再根据地铁系统在晚上低负载运行以及白天达到最大负荷运行这两种有代表性的状态，通过调节SVG的输出容量，可保证所有运行工况下的功率因数符合要求。SVG+电抗器容量配置如表1所示。

表1 SVG+电抗器容量配置

4.2 计量考核点设在地铁主变电站侧

西安地铁公司在与西安供电局签订供用电协议时，供电局最后把计量考核点放在地铁主变电站110 kV开关进线侧。由于考核点位置的变动，两座主变电站的110 kV外电源电缆的容性无功就不需要考虑。对2号线各种运行工况的有功、无功进行了计算，如表2所示。

表2 2号线在各种运行工况下的有功、无功

从表2分析得出，只需要在两座主变电站的Ⅰ、Ⅱ两段35 kV母线上各并联一套±2.4 Mvar的SVG设备(SVG补偿方案)，就可以满足电力部门对地铁供电系统功率因数的要求。

5 无功补偿方案的仿真计算

由于计量考核点设在地铁110 kV开关进线侧，对行政中心主站的无功补偿进行了仿真计算。

5.1 空载状态

在t=1s时刻投入 SVG，容量为2.4 Mvar，仿真结果如图4所示。

图4 空载状态功率因数变化波形

由图4可以看出，在1 s时刻投入SVG后，上级110 kV侧检测点的功率因数由0.010增大到0.017，行政中心站110 kV侧进线端的功率因数由0.086增大到0.901。

5.2 低负载状态

在 t=1 s时刻投入 SVG，容量为1.4 Mvar，仿真结果如图5所示。

图5 低负载状态功率因数变化波形

由图5可以看出，在1 s时刻投入SVG后，上级110 kV侧检测点的功率因数由0.054增大到0.057，行政中心站110 kV侧进线端的功率因数由0.513增大到0.9(投入容量为1.6 Mvar时，功率因数增大到0.95)。

5.3 满载工作状态

由于满载工作状态时110 kV侧进线端功率因数大于0.9，SVG无需动作，故不做仿真研究。

5.4 讨论

由行政中心主站空载及低载工作状态的仿真结果可以得出:在行政中心、会展中心主变电站的Ⅰ、Ⅱ两段35 kV母线上各并联一套±2.4 Mvar的SVG设备，可以完全满足110 kV进线侧作为检测点时的功率因数要求。

6 项目全寿命周期的经济性比较

根据西安地铁与供电局签订的供用电协议，供电局要求地铁公司应按无功功率就地平衡的原则，功率因数在电网高峰时段应达到0.9以上，功率因数调整电费的考核标准为0.9。

在2号线前期的规划设计中，行政中心、会展中心的主变电站近期要考虑与其他线路共享主变电站资源。根据电力部门功率因数调整电费的办法，通过仿真计算不同时期的负荷情况。如果不安装无功补偿装置，2号线初期、近期因为功率因数不合格而产生的调整电费如表3所示。

表3 2号线初期、远期调整电费估算

项目全寿命按30年的周期考虑。2号线供电系统在SVG设备还未投运阶段，已经因为功率因数而产生的调整电费为435万元。考虑到初期10年、近期15年的规划情况，安装SVG无功补偿装置后就可以节约数额巨大的调整电费，远远超过设备700多万元的投资。

7 结语

对西安地铁2号线供电系统无功补偿方案的研究，主要从安装无功补偿装置的必要性、无功补偿的方案选择、无功补偿装置的选型、无功补偿装置的容量、计量考核点的位置确定、项目全寿命周期的经济性比较进行了分析，结果表明供电系统有必要进行集中式无功补偿，在行政中心主站、会展中心主站的Ⅰ、Ⅱ两段35 kV母线上各并联一套±2.4 Mvar的SVG设备。

以上所做的工作都是在2号线未投入运行的情况下进行的静态研究，从理论计算和仿真结果基本一致的情况看，证明了方案研究的可行性。但无功补偿装置能否达到理想的补偿效果，还需要在地铁运行的状态下进行检验，必要时再对补偿方案进行优化，以确保供电质量，满足设备的运行需求。

［1］陆安定.功率因数与无功补偿［M］.上海:上海科学普及出版社，2004.

［2］靳龙章，丁毓山.电网无功补偿实用技术［M］.北京:水利水电出版社，2008.

［3］程陈.新编电力系统无功补偿技术实用手册［M］.2009.

［4］王红美，郭景武.铁路变配电所动态无功补偿［J］.铁道工程学报，2008，25(2):65-68.

［5］程浩忠.电力系统无功与电压稳定性［M］.北京:中国电力出版社，2004.

［6］王亚玲，吴命利.直流牵引变电所在供电系统运行仿真中的建模［J］.电气化铁道，2005，16(4):427.

［7］杨兴山.分析中压网络和牵引机组对功率因数的影响［J］.都市快轨交通，2007，19(3):76-78.

［8］广州市地下铁道设计研究院.地铁车站低压负荷计算与无功补偿专题研究［G］.广州，2005.