无功补偿技术在地铁供电系统的应用

曾之煜

(中铁二院工程集团有限责任公司 成都610031)

1 无功补偿的必要性

国内地铁供电系统均采用电缆敷设，其充电的无功功率较大。同时，由于牵引负荷在一天内波动很大，所以不同时段的感性无功变化较大。以成都地铁2号线为例，该线采用集中式供电，全线共设2个主变电所，为9个供电分区供电。在第5个分区设置环网联络开关，以实现主所之间的支援，其无功计算如下:

按现有规划情况，成都地铁2号线沙河堡主变电所各时段的无功理论计算值如表1所示。由上述计算可知，在系统运营的各时段，由于主变电所110kV进线电缆较长，所以均将向电力系统倒送容性无功。在运营初期低谷时，功率因数低至0.2以下。

根据《功率因数调整电费增减查对表(国家统一标准)》中的相关规定，在地铁非高峰运营时段出现容性无功倒送现象，将被计入罚款区间。对于地铁运营线路而言，电费在其运营成本中占有很大比重，若能保证运营各时期的功率因数在0.95～1.0的优质区间以内，每年由此少交的电费与设置无功补偿装置而避免的罚款电费将是一笔可观的费用。鉴于此，推荐该线主变电所设置无功补偿装置，以提高功率因数。

表1 沙河堡主变电所各时段的功率分布

2 无功补偿装置的选择

静止同步无功发生器(SVG)是当前最先进的无功补偿装置，具有动态响应时间极快、滤除谐波、无谐振、低损耗、体积小的优点，更重要的是其双向补偿的特点是其他无功补偿装置不具备的:一方面可提供感性无功以减少电抗器的投资，另一方面为将来可能出现的重负荷提供容性补偿。2009年，广州地铁5号线率先使用SVG，此后佛山、深圳、天津、苏州、无锡、西安等地均采用过此项技术。从技术成熟可靠的角度来说，在成都地铁2号线使用SVG是完全可行的。

由于工程计算与实际运行情况可能存在一定的偏差，且该工程的两座主变电所最终的供电范围及运行模式存在不确定性，所以将来系统运量增大或负荷增加可能会产生容性无功的补偿需求。SVG为精密电力电子变流设备，当其容量过大时，设备投资将大大增加。因此，若能将SVG容量控制在合理的范围内，辅以固定电抗器来共同构成补偿系统，将可以降低工程投资。同时，为了避免固定电抗器频繁投切，减小电抗器的体积和成本，固定电抗器的容量按接近110kV电缆固有无功定档，剩余补偿容量由SVG提供。

3 采取无功补偿的效果

从已经投入运营的工程看，西安、成都采用SVG+并联电抗器的方案。成都地铁1号线主变电无功补偿设备已于2013年5月投入试运行，火车南站主变电所无功补偿设备容量见表2，其瞬时无功补偿情况见图1。

表2 沙河堡主变电所无功补偿设备容量 kvar

图1 瞬时无功补偿效果

火车南站主变电所无功补偿装置投入运行前后成都地铁公司电调统计数据见表3。通过表中数据看出，并联电抗器及SVG投入运行后，功率因数提高到0.95以上，效果良好。

4 无功补偿系统方案

成都地铁2号线主变电所无功补偿系统接线见图2。主变电所35 kV两段母线分别挂1台电抗器和SVG，成都地铁2号线已在主变电所35kV配电装置室预留无功补偿工程所需4面35 kV C-GIS柜的安装条件。

在SVG接入35 kV系统的方案选择上，目前国内有两种常见做法:一种是直接接在35 kV母线上，即直挂式;另一种是35 kV经变压器降压到10kV再接SVG，即降压式。直挂式的优点是免去了变压器的检修维护工作，功率电力电子器件的工作电流小，损耗较小;其缺点是工作电压增高必然导致功率电力电子器件的数量增加，既增加了成本，还增大了设备体积。降压式的优点是设备体积小、成本较低，缺点是增加了变压器的检修维护工作。以本工程为例，若采用直挂式，将使SVG的功率模块由33个增加到60个，考虑到功率模块的核心器件均为进口、价格较高，故在满足技术要求的前提下，优先选择降压式的方案。

表3 火车南站主变电所功率分布情况

图2 无功补偿接线

SVG、并联电抗器、隔离变压器设于新建的房间内，考虑电抗器噪声影响，SVG单独设于一间，SVG采用强迫风冷的方式。考虑到电抗器及变压器的发热量较大，在其所在房间设置轴流风机及空调设施。

结合表1中的理论计算值，考虑一定的裕度，设备容量选取见表4。

5 无功补偿关键设备

5.1 并联电抗器

出于消防安全考虑，选用干式并联电抗器。干式电抗器主要有空心的和铁芯的:空心电抗器的主要优点是抗大电流冲击、抗饱和能力强、线性度好，其缺点是体积大、成本较高;铁芯电抗器的主要优点是成本较低、体积小，其缺点是抗饱和能力弱、噪声较大。本工程在满足技术要求的条件下，选择使用干式铁芯电抗器。

表4 设备容量选取

5.2 静止无功补偿器

静止无功补偿器(SVG)应实现无功容量连续调节与平滑输出，满足无功功率、电压调节、功率因数及谐波治理等的技术要求;保证主变电所的对侧变电所110kV间隔出线计量点的实时功率因数值大于0.95(滞后、无过补)，满足注入系统的谐波电流和35 kV母线电压的总谐波畸变率低于GB/T 14549—93中的相关规定。

电力电子元器件IGBT的性能对SVG至关重要。本工程全部采用原装英飞凌系列的IGBT，其换流阀采用高压级联式结构，采取多重化控制技术，实现高频低脉动，输出电流谐波含量小。SVG功率器件由33个相同的变流模块组成，每相11个，三相Y形连接，采用10+1式的冗余设计，在1组模块故障时还可以工作，其结构见图3。

SVG控制系统结合DSP、FPGA及CPLD技术，保证了系统的处理能力、可维护性、可测试性以及可靠性。

5.3 其他设备

由于电抗器线路采用真空断路器投切，切电抗器产生的高频过电压可能超过电抗器的绝缘水平，所以对设备安全运行造成的隐患不容忽视。在抑制操作过电压上升陡度及高频振荡方面，阻容吸收器较避雷器效果要好，故本工程在电抗器进线处设置阻容吸收器。

6 结语

图3 SVG变流器拓扑

早期国内地铁线路一般未考虑在主变电所集中补偿无功，或者是在主变电所预留无功补偿设备场地，根据初期地铁投入运营情况决定是否增设无功补偿装置。事实证明，在城市轨道交通建设中，以集中供电方式为例，主变电所的110kV电缆长达数十公里，其产生的无功是无法忽视的。在新建线路时，一般应考虑直接在主变电所设集中无功补偿，线路开通即投入使用，这样可避免后续改造工程的一系列麻烦。至于是采用并联电抗器+SVG还是只设SVG，主要取决于110kV的电缆长度。

［1］中国航空工业规划设计研究院.工业与民用配电设计手册［M］.3版.北京:中国电力出版社，2005.

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