地铁低压配电系统不平衡补偿研究

周健

摘要：在轨道交通建设的快速发展，三相四线配电系统中存在大量的单相负荷，一般在电气设计之初通过对配置各相负载插座等方式来平衡三相负载，但由于单相负荷使用的随机性等因素，会使得车站负荷三相不平衡问题严重，由此产生的不平衡电流，迫切需要进行不平衡补偿，将三相负荷产生的不平衡电流平衡化，以降低对电网和用户的危害。

关键词：地铁；低压配电系统；不平衡补偿

1地铁低压配电系统简介

地铁的低压配电系统即为地铁车站内的低压负荷提供电力的系统，为动力负荷提供电力的为动力系统，为地铁站照明提供电力的为照明系统。地铁站点的负荷可以按照对电力的重要性分为三个等级：一级负荷用电可靠性要求较高，如专用通信设备、信号设备、应急照明设备、消防泵、废水泵、雨水泵、火灾自动报警系统设备等；二级负荷较为重要，一般高扩非消防疏散用自动扶梯、电梯、乘客信息系统、一般照明系统等；三级负荷相对来说重要性较低，在进行地铁低压配电系统的设计优化时，应当对各类负荷的要求掌握清楚，以保障突发情况时的用电正常。

2不平衡补偿原理

图1所示为三相四线制不平衡负荷无功补偿原理图，右侧所接为三相负载。通常情况下，Y形连接的补偿网络可对系统的零序电流进行补偿最终使三相四线的配电系统中线中的电流与各相电压同相位。△形连接的补偿网络由于其连接方式，能在补偿负序电流的同时不产生零序电流，因此将Y形连接的补偿网络和△形连接的补偿网络进行结合，就能使三相四线制系统达到真正的三相平衡。

图1 不平衡负荷无功补偿原理图

假设系统三相电压完全对称，利用对称分量法进行分析，取电流的正序、负序、零序分量分别为I1，I2，I0，可以推导出零序电流补偿网络及负序电流补偿网络中电流的各序分量。由于△型负序电流补偿网络对于线电流不产生零序分量，则有：

在此基础上，再补充一个目标方程即可确定方程组的解。

在本文中，按无功容量最小建立补偿无功功率的平方和目标函数为：

（4）

为使无功功率最小，则需：dF/dBYa=0。得到所需补偿功率为：

（5）

式中PLa，PLb，PLc，QLa，QLb，QLc分别表示A、B、C三相负荷的基波有功功率和基波无功功率，可以通过功率变送器快速得出，从而在负荷发生变化时方便地计算出新的无功补偿值，从而实现动态负荷的动态补偿。

3不平衡补偿方案研究

静止无功补偿器SVC被广泛应用于配电系统电压调整、改善功率因素等。固定电容器加可控电抗器（FC+CR）是最典型的SVC补偿装置，其中FC电路用来补偿系统需要的容性无功，可控电抗器CR用来动态补偿系统需要的感性无功，进而实现无功的动态补偿。

磁阀式可控电抗器MCR正是一种基于铁芯磁饱和工作原理的电气设备。在接入交流系统中之后，通过控制MCR晶闸管导通角改变励磁绕组中直流电流的大小，就能连续的调节电抗器中铁芯的磁导率，进而调节电抗器无功容量。由于磁阀式可控电抗器的特殊小截面结构，同TCR相比，MCR在很多方面具有明显优势。它具有较小的谐波，近似线性的伏安特性，结构简单，调节范围广等优点。因而在本文中研究可采用磁控式无功补偿方案（FC+MCR）在理论分析的基础上，利用MATLAB进行无功补偿仿真分析，基于容量最优对称分量法补偿原理，计算得到所需的补偿容量，通过控制电抗器导通角及固定电容器的投入，可以得到补偿前后三相电流的仿真波形。

由仿真波形可以看出，在补偿前三相电流的幅值和相位都不平衡，补偿前的零线电流的幅值大概有35A；而在基于容量最优的对称分量法补偿后，其三相电流的幅值和相位几乎都达到了平衡，零线电流幅值不超过4A，因此验证了该补偿方法能很好的补偿系统的三相电流不平衡。

在仿真分析的基础上，结合相应结构及控制原理，研究相关的不平衡补偿装置控制策略。在设计补偿装置时，需先首先结合补偿系统的原理结构，选用合适容量的补偿器件，并配以相应的控制系统，实现装置的不平衡补偿功能。

基于MCR的MSVC是将FC与MCR进行结合的一种无功补偿方法。其中FC电路用来补偿系统需要的容性无功，MCR用来补偿系统需要的感性无功。在低压配电系统中，可使用多个小容量的电容器分组进行投切的模式来提供容性无功，将电容与可控电感一起串联投入到系统中，这样不仅可以对单相某次谐波电流进行滤波的作用，还能减小电容器透切时的冲击电流，从而保护电容器组。分组投切的电容器组在进行投切时将会对系统产生一定的冲击。因此，需要对电容器组的投切顺序和MCR的投入量的控制策略进行研究。

以零序补偿网络的A相为例，假设零序补偿网络A相需要提供的无功功率为Q。将电容器分两组进行投切，在提供容性无功的同时兼做3次和5次单调谐滤波器的作用。设3次电容器组投入时K1=1，其能够提供的容性无功为QC1，5次电容器组投入时K2=1，其能够提供的容性无功为QC2，MCR能够提供的最大感性无功为-QMmax，MCR实际需要提供的感性无功为-QM。根据以上分析的补偿原理和补偿原则，最终零序补偿网络A相需要提供的无功补偿量的控制策略为：

当Q≤-QMmax，則K1=0，K2=0，-QM=-QMmax；

当-QMmax

当0

若QC1

若Q>（QC1+QC2），则K1=1，K2=1，-QM=0。

其他各相的零序及负序补偿策略与上述相似，通过控制系统实时调节可控电抗器容量及电容器透切，即可较为稳定的实现系统的不平衡补偿。

结束语

（1）本文提出一种基于对称分量法的不平衡补偿方案，可以有效地补偿三相四线制配电系统的电流不平衡状况。（2）提出采用FC+MCR的动态无功补偿方案，来实现可靠的不平衡补偿，并针对该补偿方案的控制策略进行了相应的研究分析。

参考文献

[1]张园园.杭州地铁四号线杨家墩站动力配电设计[D].华南理工大学，2016.