地铁供配电系统动态补偿装置技术应用

颉 鹏，王 卓，齐大洪

（徐州市城市轨道交通有限责任公司，江苏徐州 221000）

0 引言

地铁车站变电所通过35 kV中压环网电缆从110/35 kV主变电所取得中压电源，区间机电设备通过0.4 kV低压电缆从车站变电所取得低压电源[1-4]。地铁用电负荷主要由牵引用电、设备系统用电、照明用电、通风机、水泵和电扶梯用电构成。其中牵引用电、设备系统用电和照明用电负荷功率因数较高，都在0.9以上，通风空调风机、水泵和电扶梯用电负荷功率因数较低，在0.85以下[5]。由于区间隧道风机及水泵电机因功率因数低，需要就地补充电容电流，而传统电容补偿技术因补偿效率低、环境要求高且存在谐振风险等原因，无法在区间设备配电设计中推广使用。此外，地铁供配电系统受自身负荷特性（如客流量、末端设备负载等）影响，其综合功率因素并不是一成不变，配电系统无功功率分布和流向也需要动态调整。如在夜间停运时，主变电所35 kV功率因数超高，需要补偿电感电流。但部分长大区间隧道设备大容量风机的电机自然功率因数低，需要补偿电容电流。

本文针对地铁长大区间风机配电线路压降大、损耗高、配电系统无功功率分布复杂等问题，结合动态补偿、滤波技术的研究成果，在地铁区间低压配电设计中，提出了一种动态补偿装置（SVG）就地补偿技术。该技术不仅可有效降低电缆截面，节约电能损耗，还可促使变配电系统功率平衡，提高低压配电系统设计的科学性、合理性，可在地铁类似工程中推广参考使用。

1 动态补偿装置

1.1 装置功能

SVG（Static Var Generator）静止无功发生器靠其内部电子开关频繁动作产生无功电流。基本原理是自换相桥式电路通过电抗器或者变压器直接并联在电网上，通过实时调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的[6]。如图1所示。

图1 动态补偿装置（SVG）基本原理

假设Vi为SVG输出的交流电压，Vs为交流电网的电压源，VL为连接电抗器（由内阻R）上的电压，即Vs、Vi的向量差，而电抗器上的电流可由其电压Vi控制，该电流就是SVG从电网吸收的电流I。如图2所示。

图2 SVG等效电路及向量图（不含损耗）

从图可以看出：若SVG从电网吸收无功电流IQ，无功功率为Q，并吸收滞后无功为正，则：

从上式可以看出：当Vt＜Vs时，IQ＞0、Q＞0，SVG电流滞后系统电压90°，SVG处于感性工作区，从系统吸收感性功率；Vt=Vs时，SVG与系统之间存在功率交换关系；Vt＞Vs时，IQ＜0、Q＜0，电流超前系统90°，SVG处于容性工作状态，从系统吸收容性无功。考虑到连接电抗器的损耗和逆变器本身的损耗（管压降、开关损耗、线路损耗），可将总损耗等效为连接电抗器的电阻，SVG等效电路如图3所示。

图3 SVG等效工作原理和向量图（含损耗）

由于逆变器本身不需要消耗能量，因此逆变器输出电压Vt与电流I仍相差90°。但因为连接电抗器等效电阻R的存在，这样使得电网电压Vs与电流I的相差不再是90°，而是比90°小了δ，既Vt与Vs的相位差角。由于δ的存在使得SVG从系统接受有功，补偿电路的各种损耗。其中电网、SVG及负载电流、电压波形图如图4～图6所示。

图4 电网电压与电网电流波形图

图5 电网电压与负载电流波形图

图6 电网电压与SVG电流波形图

1.2 装置构成

动态补偿装置构成是典型的交-直-交结构，直流侧采用三相不可控整流桥，并经大电容滤波获得稳定的直流电压；逆变部分采用3个桥臂组成逆变桥的方式，通过控制IGBT的通断，输出预期的电压波形；交流侧通过LC低通滤波器组连接至电网，滤掉输出波形的高次谐波分量。如图7所示。

2 风机就地补偿技术

2.1 计算条件

地铁区间中间风井隧道风机一般设在长大区间隧道中间位置，最远距离车站近1 km，电机设备容量Pe=110 kW，自然功率因数cosΦ=0.83，且配有软启动装置启动电流Iq=4Ie。采用SVG装置补偿后的目标功率因数为cosΦ=0.98。

以下计算选取某城市地铁线路实际工程为算例，该线路存在一长大区间，设置有区间风井，风井内设置有大功率风机，低压配电距离取900 m。

2.2 计算公式

计算公式如下。

2.3 计算结果

采用动态补偿装置SVG后，因区间隧道风机功率因数提高了18%，电机视在功率从132.5 kVA下降到112.2 kVA，电机启动电流从806 A下降到683 A，计算电流也从201 A下降到171 A，减少了约15%。启动电流、计算电流降低均比较明显。如表1所示。

采用动态补偿装置SVG后，因电机功率因数提高了18%，电机运行压降从4.8%下降到3.3%。若电源电缆截面从240 mm2改为185 mm2时，电机运行末端压降为4.3%，也能满足供电质量要求。如表2所示。

图7 SVG装置构成

此外，根据《通用用电设备配电设计规范》GB50055-2011第2.2.2条[3]：交流电动机起动时，配电母线上的电压应符合下列规定：配电母线上接有照明或其他对电压波动较敏感的负荷，电动机频繁起动时，不宜低于额定电压的90%；电动机不频繁起动时，不宜低于额定电压的85%。考虑到变压器二次侧配电母线比额定电压高5%，修正后的设备末端压降满足≥85%额定电压要求[5]。可见，以上3种方案均满足远距离大容量风机供电时的启动压降要求。采用SVG补充装置后，不仅可降低电缆截面、减少线路功率损耗，还有效提高了电机末端运行电压和启动电压（相对于补偿前），具有良好的技术效果。

表1 典型区间隧道中间风井风机就地补偿计算结果

表2 典型区间隧道中间风井风机就地补偿线路压降计算结果

2.4 经济效益分析

采用SVG装置就地补充后，电缆截面可较大幅度降低。在忽略线缆损耗的前提下，可优化工程投资约50万元。此外，降低线缆后，可减少施工难度，提高线缆敷设的便捷性，整体经济效益较好。如表3所示。

表3 典型区间隧道中间风井风机就地补偿经济效益对比

3 技术优势

由于动态补偿、滤波装置具有技术先进、使用灵活，适应地铁工程的特点，动态补偿装置（SVG）所以能快速推广，主要是有以下先进的特点[6]。

（1）响应速度快（小于或等于8 ms）

动态补偿、滤波装置可在极短的时间之内完成从额定容性、感性无功功率的相互转换，这种无可比拟的响应速度完全可以胜任对冲击性负荷的补偿，从而能对电机软启动过程中的无功补偿做到快速响应。

（2）安全性高

装置运行时被控制为电流源，不存在与系统阻抗发生谐振的可能性，安全性更高。

（3）补偿功能多样化

使用同一套动态补偿、滤波装置，可以实现不同的多种补偿功能：补偿负载无功、补偿负载谐波、补偿负载不平衡、同时补偿负载无功、谐波和不平衡。

（4）谐波含量极低

动态补偿、滤波装置采用了PWM技术和多重化技术，与TCR、TSC等其它无功补偿装置相比，谐波含量极低，对电网不会产生二次污染。

（5）占地面积小

动态补偿装置（SVG）采用直接PWM电流控制技术，其输出电流波形和相位完全可控，SVG能够在额定感性到额定容性的范围内运行，由于无需大容量的电容器和电抗器做储能元件，SVG的占地面积只有相同容量SVC的50%[7-8]。

4 结束语

（1）地铁长大区间设置大功率风机水泵时，末端设置SVG装置，可有效降低电缆截面、节约电能损耗，还可促使变配电系统功率平衡，提高末端设备电压水平，具有良好的技术、经济效益。可在类似地铁工程中推广该技术。

（2）地铁供电系统35 kV中压网络电缆长、电容电流大，在供电系统空载运行时，主变电所功率因数偏高，适合在主变压器采用就地动态无功补偿方式。

（3）推荐在地铁区间隧道风机附近采用就地无功补偿方式，以减少电源配电线路压降，降低配电变压器视在功率，提高变配电系统运行效率。

（4）车站变电所配电变压器0.4 kV母线带有许多设备系统的高频电源设备和变频设备，含有一定的谐波电流，适合设置动态滤波装置。

（5）下阶段建议研究在地铁用电负荷集中处设置SVG技术方案，如：环控电控室、照明配电室、水泵房和车辆段单体建筑配电室等，以进一步减少电力电缆、开关设备投资，节省地铁电能损耗。