鄒欣欣

摘 要：深圳地鐵供電系統(tǒng)采用集中供電方式，主要由110kv主變電所、35kv環(huán)網(wǎng)供電、直流1500V牽引供電、車站400V動力用電等系統(tǒng)組成。地鐵供電系統(tǒng)設(shè)備分布廣，一座主變電所的供電范圍長達(dá)20公里、高壓電纜總計有400多公里長。電纜在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的大量容性無功遠(yuǎn)高于地鐵系統(tǒng)內(nèi)電動機(jī)、變壓器等設(shè)備產(chǎn)生的感性無功，導(dǎo)致110kv主變電所功率因素不達(dá)標(biāo)，每月需額外支付力調(diào)電費(fèi)。地鐵主變電所增設(shè)無功補(bǔ)償裝置后，顯著提高了地鐵供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，功率因素達(dá)標(biāo)、節(jié)能環(huán)保、降低地鐵電費(fèi)支出，有效節(jié)省了地鐵運(yùn)營成本。

關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量；動態(tài)無功補(bǔ)償；MSVC；節(jié)能環(huán)保；地鐵主所

1 地鐵系統(tǒng)無功功率的特點(diǎn)

1.1 深圳地鐵西鄉(xiāng)樂鐵線供電范圍要容性無功源一覽表

表1

備注：C0為供電線路單位長度的電容（？滋F/km），L為供電線路的長度，BL為？仔型等值電路等值電納

線路電容的充電功率？駐QB與電壓的平方成正比，當(dāng)作無功損耗時應(yīng)取負(fù)號，即

線路容性無功功率簡化公式為：Q=U2*2πf*C

U-電壓，此處取值110，000伏

π=3.14，f-頻率，50赫茲

1.2 深圳地鐵西鄉(xiāng)樂鐵線供電范圍主要感性無功一覽表見表2（估值）

通過以上分析可以得出以下結(jié)論：

（1）0：00至6：00時段地鐵處于非運(yùn)營時段、牽引負(fù)荷近視為0；大電量的電機(jī)、空調(diào)、風(fēng)機(jī)、電扶梯等處于停運(yùn)狀態(tài)；感性負(fù)荷最小，產(chǎn)生的感性無功功率自然最小。

（2）由于110kv樂鐵線的電纜線路較長，達(dá)9300m；35kv電纜線路多達(dá)298km，線路越長，線路電容越大，產(chǎn)生的容性無功也就最大。電力電纜是深圳地鐵供電系統(tǒng)中最大的容性負(fù)載，且24小時不間斷地輸送無功功率。

（3）由于地鐵運(yùn)營的特點(diǎn)，分為運(yùn)營時段和非運(yùn)營時段。在運(yùn)營期間，牽引用電、動力照明等用電均較大，系統(tǒng)內(nèi)的有功電能需求大；非運(yùn)營期間，由于地鐵車輛的牽引負(fù)荷、車站動力負(fù)荷、照明等均減少。使系統(tǒng)內(nèi)的負(fù)荷嚴(yán)重不均勻，特別是有功負(fù)載波動極大，故在輕負(fù)載和休車時段系統(tǒng)功率因數(shù)明顯下降。

（4）地鐵系統(tǒng)的感性負(fù)載相對較少，不足以全時段平衡長電纜以及其他容性設(shè)備產(chǎn)生的容性無功，容性無功超值在2～4.5Mvar范圍內(nèi)。

2 無功補(bǔ)償設(shè)備選型

2.1 MSVC磁閥式可控電抗器的工作原理

磁閥式可控電抗器采用了自耦直流助磁設(shè)計和新型鐵心設(shè)計技術(shù)，利用附加直流勵磁磁化鐵心，通過改變控制繞組中直流電流大小來改變鐵心的磁飽和程度，進(jìn)而改變鐵心磁導(dǎo)率，實現(xiàn)無功輸出容量的連續(xù)可調(diào)，不僅使所產(chǎn)生的諧波大大減少，而且有功損耗低、響應(yīng)速度較快。

磁控電抗器輸出容量（電流）的大小由可控硅控制角α決定，α越小，輸出的控制電流越大，磁控電抗器工作鐵心接近磁飽，輸出電流最大。改變可控硅控制角即電抗器磁飽和度，能平滑調(diào)節(jié)電抗器容量的輸出。

2.2 MSVC動態(tài)無功補(bǔ)償方案

MSVC磁可控動態(tài)無功補(bǔ)償系統(tǒng)主要由磁控電抗器、閥組箱、控制柜體和濾波支路組成。接入系統(tǒng)的磁控電抗器采用△連接，可以消除3的倍數(shù)次諧波分量?？刂乒耋w針對輸電系統(tǒng)電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等電能數(shù)據(jù)進(jìn)行實時檢測。在根據(jù)檢測值計算需要補(bǔ)償?shù)臒o功量和控制角α，然后向閥組箱發(fā)送觸發(fā)信號，實現(xiàn)最佳的無功補(bǔ)償效果。濾波支路為可選項，MSVC動態(tài)無功補(bǔ)償系統(tǒng)自身只產(chǎn)生很小的諧波量，一般小于0.8%，因此補(bǔ)償系統(tǒng)本身不需要配置濾波支路。

MSVC無功補(bǔ)償系統(tǒng)有別于SVG系統(tǒng)不需要額外的隔離降壓變壓器，而是通過GIS開關(guān)柜直接接入35kv輸電側(cè)，西鄉(xiāng)主變電所無補(bǔ)償方案如圖1。

2.3 控制策略

方案一：本地實時動態(tài)補(bǔ)償

MSVC安裝于西鄉(xiāng)110kv主變電內(nèi)可以采集35kv進(jìn)線側(cè)可110kv側(cè)的電壓、電流，由MCR智能控制單元進(jìn)行就地?zé)o功補(bǔ)償，即由314開關(guān)的無功智能控制器實時采集母線PT、主變低壓側(cè)電流進(jìn)行計算無功大小，由控制器根據(jù)結(jié)果反饋給MSVC進(jìn)行等量反相補(bǔ)償，經(jīng)一段時間的數(shù)據(jù)表明此方法只能在本地實際動態(tài)補(bǔ)償本地效果能達(dá)至0.99以接近1，關(guān)口計費(fèi)點(diǎn)的無功有所減少，功率因數(shù)有所提高，全時段依然不達(dá)標(biāo)遠(yuǎn)低于0.9，詳見圖2，分析發(fā)現(xiàn)此方法不能有效對110kv電纜線路所產(chǎn)生的容性無功進(jìn)行補(bǔ)償從面導(dǎo)致了補(bǔ)償效果不理想。

圖2 2014年3月樂鐵線本地實時動態(tài)補(bǔ)償本側(cè)及關(guān)口

計費(fèi)側(cè)補(bǔ)償效果表

通過以上分析發(fā)現(xiàn)在地鐵計量表側(cè)功率因數(shù)近為1時（無功功率約為0kvar）對側(cè)計費(fèi)點(diǎn)，容性無功高達(dá)1200～2000kvar；此線路的無功量主要是由樂鐵線路自身產(chǎn)生的倒送系統(tǒng)無功。

方案二：模擬異地動態(tài)補(bǔ)償模式

為了能實現(xiàn)對異地計費(fèi)點(diǎn)進(jìn)行有效補(bǔ)償，需采集對側(cè)實時cosφ進(jìn)行動態(tài)調(diào)整無功輸出是最理想的方式，而目供電局不對外開放實時采集關(guān)口計費(fèi)的計量數(shù)據(jù)，我們只能另相辦法。

計算供電局關(guān)口計費(fèi)點(diǎn)至無功補(bǔ)償裝置設(shè)置點(diǎn)電纜無功量（110kv樂鐵線線路長3.1公里，非品字型安裝），通過理論計算樂鐵線110kv線路電容量為1823.3 kvar。

西鄉(xiāng)110kv主變電所，110kv樂鐵線路容性無功功率計算如下：

（1）QC=U×IC IC=U/XC XC=1/2πfC

由上述三個公式得知：QC=U2×2πfC

其中QC為電纜容性無功功率、U為電纜供電電壓、IC為容性電流、XC為電纜容抗、f為供電頻率、C為電纜電容。

（2）電纜電容C的計算endprint

110kv交流聚氯乙烯3×400電纜每公里電容值為0.165微法每千米，其中樂鐵線長度為5080m則樂鐵線整體電容C=3.1km×0.165μF/km=0.5115μF

（3）由公式QC= U2×2πfC得：

QC=110000×110000×2×3.14×50×0.5115×10-6=1823var≈1.8MVar

計算結(jié)果表明樂鐵線線路電容無功功率高達(dá)1800kvar，為了驗證理論計算值正確性，分別同時采集計費(fèi)關(guān)口電源輸出點(diǎn)、本側(cè)電輸入電源端無功數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)分析表明地鐵關(guān)口計費(fèi)點(diǎn)至補(bǔ)償點(diǎn)成容性負(fù)荷且無功量在1200kvar至容性2300 kvar之間波動變化，作者分析論為差值不一致是由于兩側(cè)采集數(shù)據(jù)不同步、設(shè)備采相樣率及上傳速率不一致、兩側(cè)計量表變比過大（供電局側(cè)高達(dá)88萬倍）等引起的正常偏差值。

計算值及現(xiàn)場實測數(shù)分析樂鐵線兩端無功差成容性、因地鐵負(fù)荷變化兩側(cè)無功也同樣呈現(xiàn)相同化趨勢且差值始終處于容性1200kvar至容性2300 kvar之間波動；基于地鐵負(fù)荷瞬時變化較大（無功處于動態(tài)值），為避免向系統(tǒng)過補(bǔ)償感性無功，我們將MSVC控制器的平衡參數(shù)設(shè)為本側(cè)過補(bǔ)償1900kvar的動態(tài)無功鎖定，本側(cè)無功潮流動穩(wěn)值為1900kvar，不考慮本側(cè)功率因數(shù)cosφ的變化，使對側(cè)計費(fèi)點(diǎn)的無功量近視0值，從而使關(guān)口計費(fèi)點(diǎn)率因數(shù)cosφ保障0.95以上。

通過以上兩種補(bǔ)償模式的實際效果測試，充分表明了在地鐵內(nèi)部同樣能實現(xiàn)異地動態(tài)補(bǔ)償，通過鎖定動態(tài)補(bǔ)償量使異地關(guān)口計費(fèi)點(diǎn)功率因數(shù)cosφ達(dá)到0.95以上甚至接近1，從而避免了功率因不達(dá)標(biāo)交納考核電費(fèi)。

4 異地動態(tài)補(bǔ)償優(yōu)勢

4.1 無需實時采集供電局計費(fèi)側(cè)的表計數(shù)據(jù)，能夠僅采集變電站側(cè)的表計數(shù)據(jù)即可實現(xiàn)計費(fèi)側(cè)功率因數(shù)的全補(bǔ)償要求。

4.2 動態(tài)補(bǔ)償調(diào)整方式簡單通用，無論供電方式和負(fù)荷情況如何變化，都能對系統(tǒng)功率因數(shù)進(jìn)行有效補(bǔ)償。

4.3 動態(tài)補(bǔ)償靈敏度高，對有功功率及功率因數(shù)進(jìn)行實時追蹤實現(xiàn)高效快速的自動補(bǔ)償投切。

4.4 通過無功補(bǔ)償裝置的投入，能夠有效穩(wěn)定線路電壓，減少電壓波動的影響。

4.5 降低電能損耗。提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)，能夠有效的減少線路上的電能損耗，達(dá)到節(jié)能環(huán)保要求。

4.6 減少用戶電費(fèi)支出。功率因數(shù)的提高直接減少了向電網(wǎng)公司的力調(diào)電費(fèi)支出，獲得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益，依據(jù)目前投運(yùn)的效果測算投入運(yùn)行MSVC西鄉(xiāng)主所每年減少及獎勵考核電費(fèi)約310萬元，線路損耗約120萬元，經(jīng)濟(jì)效益非常可觀，一年可收回投資成本。

5 該補(bǔ)償裝置的不足之處

MSVC無功補(bǔ)償裝置在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生持續(xù)的低頻噪音，對值班人員及周邊住戶產(chǎn)生不適影響，因此需配套安裝噪音隔離防護(hù)設(shè)備，滿足環(huán)評標(biāo)準(zhǔn)。

6 結(jié)束語

在地鐵設(shè)計規(guī)劃時應(yīng)充分考慮同步設(shè)計無功補(bǔ)償系統(tǒng)，優(yōu)選低成本，動態(tài)可調(diào)無功補(bǔ)償設(shè)備；地鐵車站級400V系統(tǒng)主要成感性無功，本地功率因數(shù)基本達(dá)標(biāo)，不宜在投入補(bǔ)償設(shè)備，目前全國各地鐵車站無一投入運(yùn)行車站級無功補(bǔ)償設(shè)備；建議在地鐵新線設(shè)計規(guī)劃時取消地鐵車站級400V無功補(bǔ)償設(shè)備；在集中式供電變電所內(nèi)集中安裝一套無功補(bǔ)償設(shè)備。

參考文獻(xiàn)

[1]周均德.無功補(bǔ)償與節(jié)能降耗在電網(wǎng)運(yùn)行中的重要性分析[J].高科技與產(chǎn)業(yè)化，2010（12）：79.

[2]周冬莉，韓國慶.SVG無功補(bǔ)償裝置在供電系統(tǒng)節(jié)能降損中的應(yīng)用[J].煤礦機(jī)械，2012，33（4）：200-201.endprint

110kv交流聚氯乙烯3×400電纜每公里電容值為0.165微法每千米，其中樂鐵線長度為5080m則樂鐵線整體電容C=3.1km×0.165μF/km=0.5115μF

（3）由公式QC= U2×2πfC得：

QC=110000×110000×2×3.14×50×0.5115×10-6=1823var≈1.8MVar

計算結(jié)果表明樂鐵線線路電容無功功率高達(dá)1800kvar，為了驗證理論計算值正確性，分別同時采集計費(fèi)關(guān)口電源輸出點(diǎn)、本側(cè)電輸入電源端無功數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)分析表明地鐵關(guān)口計費(fèi)點(diǎn)至補(bǔ)償點(diǎn)成容性負(fù)荷且無功量在1200kvar至容性2300 kvar之間波動變化，作者分析論為差值不一致是由于兩側(cè)采集數(shù)據(jù)不同步、設(shè)備采相樣率及上傳速率不一致、兩側(cè)計量表變比過大（供電局側(cè)高達(dá)88萬倍）等引起的正常偏差值。

計算值及現(xiàn)場實測數(shù)分析樂鐵線兩端無功差成容性、因地鐵負(fù)荷變化兩側(cè)無功也同樣呈現(xiàn)相同化趨勢且差值始終處于容性1200kvar至容性2300 kvar之間波動；基于地鐵負(fù)荷瞬時變化較大（無功處于動態(tài)值），為避免向系統(tǒng)過補(bǔ)償感性無功，我們將MSVC控制器的平衡參數(shù)設(shè)為本側(cè)過補(bǔ)償1900kvar的動態(tài)無功鎖定，本側(cè)無功潮流動穩(wěn)值為1900kvar，不考慮本側(cè)功率因數(shù)cosφ的變化，使對側(cè)計費(fèi)點(diǎn)的無功量近視0值，從而使關(guān)口計費(fèi)點(diǎn)率因數(shù)cosφ保障0.95以上。

通過以上兩種補(bǔ)償模式的實際效果測試，充分表明了在地鐵內(nèi)部同樣能實現(xiàn)異地動態(tài)補(bǔ)償，通過鎖定動態(tài)補(bǔ)償量使異地關(guān)口計費(fèi)點(diǎn)功率因數(shù)cosφ達(dá)到0.95以上甚至接近1，從而避免了功率因不達(dá)標(biāo)交納考核電費(fèi)。

4 異地動態(tài)補(bǔ)償優(yōu)勢

4.1 無需實時采集供電局計費(fèi)側(cè)的表計數(shù)據(jù)，能夠僅采集變電站側(cè)的表計數(shù)據(jù)即可實現(xiàn)計費(fèi)側(cè)功率因數(shù)的全補(bǔ)償要求。

4.2 動態(tài)補(bǔ)償調(diào)整方式簡單通用，無論供電方式和負(fù)荷情況如何變化，都能對系統(tǒng)功率因數(shù)進(jìn)行有效補(bǔ)償。

4.3 動態(tài)補(bǔ)償靈敏度高，對有功功率及功率因數(shù)進(jìn)行實時追蹤實現(xiàn)高效快速的自動補(bǔ)償投切。

4.4 通過無功補(bǔ)償裝置的投入，能夠有效穩(wěn)定線路電壓，減少電壓波動的影響。

4.5 降低電能損耗。提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)，能夠有效的減少線路上的電能損耗，達(dá)到節(jié)能環(huán)保要求。

4.6 減少用戶電費(fèi)支出。功率因數(shù)的提高直接減少了向電網(wǎng)公司的力調(diào)電費(fèi)支出，獲得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益，依據(jù)目前投運(yùn)的效果測算投入運(yùn)行MSVC西鄉(xiāng)主所每年減少及獎勵考核電費(fèi)約310萬元，線路損耗約120萬元，經(jīng)濟(jì)效益非常可觀，一年可收回投資成本。

5 該補(bǔ)償裝置的不足之處

MSVC無功補(bǔ)償裝置在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生持續(xù)的低頻噪音，對值班人員及周邊住戶產(chǎn)生不適影響，因此需配套安裝噪音隔離防護(hù)設(shè)備，滿足環(huán)評標(biāo)準(zhǔn)。

6 結(jié)束語

在地鐵設(shè)計規(guī)劃時應(yīng)充分考慮同步設(shè)計無功補(bǔ)償系統(tǒng)，優(yōu)選低成本，動態(tài)可調(diào)無功補(bǔ)償設(shè)備；地鐵車站級400V系統(tǒng)主要成感性無功，本地功率因數(shù)基本達(dá)標(biāo)，不宜在投入補(bǔ)償設(shè)備，目前全國各地鐵車站無一投入運(yùn)行車站級無功補(bǔ)償設(shè)備；建議在地鐵新線設(shè)計規(guī)劃時取消地鐵車站級400V無功補(bǔ)償設(shè)備；在集中式供電變電所內(nèi)集中安裝一套無功補(bǔ)償設(shè)備。

參考文獻(xiàn)

[1]周均德.無功補(bǔ)償與節(jié)能降耗在電網(wǎng)運(yùn)行中的重要性分析[J].高科技與產(chǎn)業(yè)化，2010（12）：79.

[2]周冬莉，韓國慶.SVG無功補(bǔ)償裝置在供電系統(tǒng)節(jié)能降損中的應(yīng)用[J].煤礦機(jī)械，2012，33（4）：200-201.endprint

110kv交流聚氯乙烯3×400電纜每公里電容值為0.165微法每千米，其中樂鐵線長度為5080m則樂鐵線整體電容C=3.1km×0.165μF/km=0.5115μF

（3）由公式QC= U2×2πfC得：

QC=110000×110000×2×3.14×50×0.5115×10-6=1823var≈1.8MVar

計算結(jié)果表明樂鐵線線路電容無功功率高達(dá)1800kvar，為了驗證理論計算值正確性，分別同時采集計費(fèi)關(guān)口電源輸出點(diǎn)、本側(cè)電輸入電源端無功數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)分析表明地鐵關(guān)口計費(fèi)點(diǎn)至補(bǔ)償點(diǎn)成容性負(fù)荷且無功量在1200kvar至容性2300 kvar之間波動變化，作者分析論為差值不一致是由于兩側(cè)采集數(shù)據(jù)不同步、設(shè)備采相樣率及上傳速率不一致、兩側(cè)計量表變比過大（供電局側(cè)高達(dá)88萬倍）等引起的正常偏差值。

計算值及現(xiàn)場實測數(shù)分析樂鐵線兩端無功差成容性、因地鐵負(fù)荷變化兩側(cè)無功也同樣呈現(xiàn)相同化趨勢且差值始終處于容性1200kvar至容性2300 kvar之間波動；基于地鐵負(fù)荷瞬時變化較大（無功處于動態(tài)值），為避免向系統(tǒng)過補(bǔ)償感性無功，我們將MSVC控制器的平衡參數(shù)設(shè)為本側(cè)過補(bǔ)償1900kvar的動態(tài)無功鎖定，本側(cè)無功潮流動穩(wěn)值為1900kvar，不考慮本側(cè)功率因數(shù)cosφ的變化，使對側(cè)計費(fèi)點(diǎn)的無功量近視0值，從而使關(guān)口計費(fèi)點(diǎn)率因數(shù)cosφ保障0.95以上。

通過以上兩種補(bǔ)償模式的實際效果測試，充分表明了在地鐵內(nèi)部同樣能實現(xiàn)異地動態(tài)補(bǔ)償，通過鎖定動態(tài)補(bǔ)償量使異地關(guān)口計費(fèi)點(diǎn)功率因數(shù)cosφ達(dá)到0.95以上甚至接近1，從而避免了功率因不達(dá)標(biāo)交納考核電費(fèi)。

4 異地動態(tài)補(bǔ)償優(yōu)勢

4.1 無需實時采集供電局計費(fèi)側(cè)的表計數(shù)據(jù)，能夠僅采集變電站側(cè)的表計數(shù)據(jù)即可實現(xiàn)計費(fèi)側(cè)功率因數(shù)的全補(bǔ)償要求。

4.2 動態(tài)補(bǔ)償調(diào)整方式簡單通用，無論供電方式和負(fù)荷情況如何變化，都能對系統(tǒng)功率因數(shù)進(jìn)行有效補(bǔ)償。

4.3 動態(tài)補(bǔ)償靈敏度高，對有功功率及功率因數(shù)進(jìn)行實時追蹤實現(xiàn)高效快速的自動補(bǔ)償投切。

4.4 通過無功補(bǔ)償裝置的投入，能夠有效穩(wěn)定線路電壓，減少電壓波動的影響。

4.5 降低電能損耗。提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)，能夠有效的減少線路上的電能損耗，達(dá)到節(jié)能環(huán)保要求。

4.6 減少用戶電費(fèi)支出。功率因數(shù)的提高直接減少了向電網(wǎng)公司的力調(diào)電費(fèi)支出，獲得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益，依據(jù)目前投運(yùn)的效果測算投入運(yùn)行MSVC西鄉(xiāng)主所每年減少及獎勵考核電費(fèi)約310萬元，線路損耗約120萬元，經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^，一年可收回投資成本。

5 該補(bǔ)償裝置的不足之處

MSVC無功補(bǔ)償裝置在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生持續(xù)的低頻噪音，對值班人員及周邊住戶產(chǎn)生不適影響，因此需配套安裝噪音隔離防護(hù)設(shè)備，滿足環(huán)評標(biāo)準(zhǔn)。

6 結(jié)束語

在地鐵設(shè)計規(guī)劃時應(yīng)充分考慮同步設(shè)計無功補(bǔ)償系統(tǒng)，優(yōu)選低成本，動態(tài)可調(diào)無功補(bǔ)償設(shè)備；地鐵車站級400V系統(tǒng)主要成感性無功，本地功率因數(shù)基本達(dá)標(biāo)，不宜在投入補(bǔ)償設(shè)備，目前全國各地鐵車站無一投入運(yùn)行車站級無功補(bǔ)償設(shè)備；建議在地鐵新線設(shè)計規(guī)劃時取消地鐵車站級400V無功補(bǔ)償設(shè)備；在集中式供電變電所內(nèi)集中安裝一套無功補(bǔ)償設(shè)備。

參考文獻(xiàn)

[1]周均德.無功補(bǔ)償與節(jié)能降耗在電網(wǎng)運(yùn)行中的重要性分析[J].高科技與產(chǎn)業(yè)化，2010（12）：79.

[2]周冬莉，韓國慶.SVG無功補(bǔ)償裝置在供電系統(tǒng)節(jié)能降損中的應(yīng)用[J].煤礦機(jī)械，2012，33（4）：200-201.endprint