地铁供电系统无功补偿策略及补偿容量控制研究

兰州市轨道交通有限公司 贺同堂

地铁在工作过程中需使用较大功率的电能来作为动力启动车辆牵引，完成顺利地行驶。因此在地铁供电系统中供电设备长期处于超负荷和低负荷循环的状态，但由于电缆线路和设备中存在较大的能源消耗，出现充电无功现象，导致大量的电能浪费，也对地铁站的电能与费用的消耗产生较大负担。

1 地铁供电系统的构成

地铁供电系统构成。地铁供电系统的实际运行状态主要通过集中供电的方式来帮助车辆提供牵引动力，通过供电系统来保证地铁站的正常运行。供电站系统由电源和变电所以及相应的牵引供电系统等共同构成，电源的电压通过变电所来转化成适合内部设备能够应用的电压，确保整体的设备和系统能够正常运行[1]。

地铁供电系统无功率。在实际运行过程中，地铁供电系统中的功率逐渐增大，在运行较少或夜晚停止运行情况下功率会下降。但由于电压转换过程或变电站和电流运行过程中发生会产生大量消耗，导致系统中的无功率不断提升，使整体的系统中存在冲击电荷过大的现象，影响整体安全性，同时增加了电量的消耗和浪费。为降低对供电系统的不良影响，减少能源的消耗和浪费，同时保障地铁站供电系统的安全使用，应根据实际的情况设计出有效的无功补偿方案，通过方案的调整能够使供电系统达到平衡状态，降低危险或故障的发生。

2 无功补偿的概念和类型

2.1 无功补偿的概念和意义

电网在输出功率后，使用的过程中会通过两种方式进行功率消耗，其一是有功功率，将电能转化为对人们有用的、或是人们希望转化为的能量，如热能、机械能等；另一部分成为无功功率，其在转化过程中没有成为人们希望获得的能量，但其支撑了电气设备的正常运行，如设备和元件建立的磁场等消耗的电能。为减少无功功率、使总功率转化为有功功率的效率更高，应进行适当的无功补偿，降低电气设备和电网的消耗，提高供电系统的质量，同时达到供电的平衡，保证整体系统的安全性和稳定性[2]。

通过提高无功补偿效果能够提高有功功率的占比，使电能的利用效率更高；同时能够减少供电设备和发电系统中的设计容量，进而节省扩容的资金投入。在实现无功补偿后能使电线的损失大幅降低，实现整体的资金和能源消耗量的降低，降低维护成本，减少相关企业的经济负担。另外，在实现无功补偿后可减少设备的损坏，实现电能运转的顺畅和平稳，降低故障的发生概率，能在一定程度上降低危险性，保障电能使用者和设备维修人员的安全。

2.2 无功补偿的分类

就地补偿。通过对低压的电容器进行调整与组合，将其放置在用电设备的周围形成补偿系统，在设备运行时接入补偿系统，在设备停止时将补偿装置隔离，通过系统的接入使整体的电网电压达到平衡状态，达到补偿的效果。通过就地补偿中补偿系统的使用，能有效提高电压使用的质量，同时能提高有功功率的占比。就地补偿的补偿量在计算过程中通过Q≤UIO来进行计算，其中Q是无功补偿量、U是设备的额定电压、IO是空载时设备的电流。在实施过程中可发现，就地补偿的区域相对较大、效果也较好，但对电容的利用率较低。

集中补偿。其在使用过程中会将相应的并联补偿电容器安装在高低配压中，主要在供电所和变电所中使用。在电能运输电线中安置相应的电容器后，电线中出现无功返送的情况后会对内部的电压造成不良影响，降低有功功率的传输。因此，在通过降低变电所内部的电压使整体功率因数提高，进而实现无功补偿，避免电压因损耗产生降低的现象，实现电功率的平衡与稳定，在此基础上可对设备运输功率的潜力进行挖掘，提高电气设备的安全使用效果。

2.3 无功补偿的常见方法

SVC无功补偿装置。其主要构成是通过TSC高压控制装置来对电压进行补偿和设置，使地铁供电站的系统中基波频率成容性得到提升，进而达到无功补偿的效果。在补偿过程中，通过晶闸管来对投切电容的方式保障整体供电系统的安全运行。在使用该方式时，应根据地铁供电系统的电力使用状态来对补偿装置进行调整和设置，使其更加适应电力系统的实际运行，降低系统设备受到的电压冲击，强化对设备的保护和内部运行的平稳性[3]。

SVG无功补偿装置。是一种静态的无功发生器，将其安装在电网和交流器中对网络的交变电流进行调节，同时控制电力的输出，使整体的电能供应在补偿装置的控制下，提高整体系统的安全性，进而提高运行质量，通过控制电流和电压来满足用电设备的电能需求，强化了地铁供电系统的运行效果。

3 补偿容量的计算与分析

3.1 变压器无功计算

变压器的等值电路中的计算公式为：

其中SN为变压器运行时产生的额定功率；UN为变压器输出的额定电压；ΔPS为在额定电压下设备中的短路损耗；ΔP0为变压器内部存在的空载损耗；I0%为变压器空载情况下的电流；UK%为变压器发生短路时的电压值。

变压器中产生的无功损耗分为两种支路的电能损耗，包括励磁支路损耗以及绕组漏抗损耗。励磁支路损耗主要由空载电流产生，绕组漏抗损耗主要由短路电压产生。通过其相互间的关系可列为公式：，其中QLT为变压器中产生的无功损耗；ΔQ0为励磁支路损耗；ΔQT为绕组漏抗中的损耗；I0%为空载电流；UK%电压器满载时的短路电压。通过将电能损耗进行联合计算能大致计算出变压器的无功损耗。无功补偿装置在设计过程中应对内部装置的容量进行调整，使其能适应地铁供电系统中不同电荷和功率的变化，进而保证整体供电系统的安全使用。

3.2 供电因素的分析

目前地铁供电系统中较多使用110kV电压和35kV电压来对内部设备进行供电。在地铁运行的过程中需保证一定的功率来进行牵引，其中牵引所需要功率与地铁中车辆的密度以及车内的客流量有一定关系，客流量越多、运行车辆越多则其所消耗的牵引功率越大。在城市中地铁内的客流量具有一定变化规律，其根据城市居民的生活习惯发生波动，因此对电力系统中功率的负荷也产生影响，使其呈现波动变化，一般在夜晚和凌晨时间段内部变压器呈现出低谷负荷，在白天尤其是上下班的高峰期呈现高峰负荷。由于变压器等相关的用电设备和电缆等传输设备会产生容性无功功率，因此会对供电平衡产生影响，通过降低功率因素的方式来提高有功功率的占比，降低无功负荷。

4 无功补偿方案设计

4.1 工程案例

某地铁线路的长度约19.1千米，整条线路中存在车站18个、1个控制中心、2个变电站，在线路周围设置6个供电区。变电所中接入电流为110kV，其中母线分段接线。在工程方案设计中，根据工程中的具体参数进行合理的计算得出结果，变电站1号的运行电压为35kV，其中第一段母线产生的无功补偿功率为－2439～4603kVar，第二段母线产生的补偿功率范围在－4960～2183kVar之间；第2个变电站在运行电压为35kV时，母线一号的产生的无功补偿范围是-3213～3603kVar，二号母线的补偿范围是-1168～6523kVar。为使供电电压一定的情况下电缆母线上的无功功率消耗保持一定的平衡状态，在方案设计过程中，通过SVG与电抗器中产生的固定补偿部分进行结合的方式，通过对固定补偿装置进行调整，使额定容性容量能够在合理调整的情况下，保证地铁供电系统的负载中功率因素能够符合标准要求，实现对变电站实际运行状况的可控性，维持整体的平衡性。

4.2 效果分析

将上述补偿装置安装在供电系统中，使用串联方式进行连接，并为其设计相应的控制策略以及运行模式，在运行过程中对方案进行验证。设置仿真系统的参数，如：将电网的电压设置为10kV，其容量为5000kVar，电压的频率为50Hz；连接变压器，其电压为35kV，容量保持在5000kVar，设置短路阻抗等数据。设置完毕后得到相应的电压波形，其趋向于正弦波，输出较为平滑稳定，内部的低次谐波较少，在对电流进行观察时，无功电流运行较为稳定、无静差。在实际的运行过程中，其功率因素有明显提高并趋近于1，有非常明显的补偿效果，证明此方案有效。

综上，在对地铁供电系统无功补偿策略及补偿容量控制进行研究的过程中，通过文中的计算和分析结果可了解到，想要对补偿容量进行合理控制、使其达到平衡系统的效果，可使用SVG与固定补偿装置结合的方案进行调整，通过固定装置的合理设置能有效提高系统中的功率移速，提高整体系统的安全性和稳定性，该方案具有一定效果，可以推广使用。