趙帥帥 賈琨

【摘 要】城市軌道交通供電系統(tǒng)存在較嚴重的無功功率問題，針對杭州地鐵2號線，根據(jù)不同時段系統(tǒng)產(chǎn)生的無功性質(zhì)不同，主要從安裝無功補償裝置的必要性、無功補償?shù)姆桨高x擇、無功補償裝置的選型、無功補償裝置的容量等進行了研究，提出采用磁控電抗器（MCR）集中補償+有源濾波（APF）分散補償?shù)姆绞绞且惶妆容^適合杭州地鐵2號線的無功補償方案。

【關(guān)鍵詞】城市軌道交通 MCR APF 組合式無功補償 容性無功

1 軌道交通供電系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 外部供電系統(tǒng)

由市電力公司所屬變電站、供電網(wǎng)絡(luò)至軌道交通受電變電所組成。

1.2 軌道交通供電系統(tǒng)

由受電主變電所、供電網(wǎng)絡(luò)、牽引、降壓變電所、電力監(jiān)控、接觸網(wǎng)、車站及區(qū)間動力照明、雜散電流防護、防雷設(shè)施和接地系統(tǒng)等組成。

2軌道交通供電系統(tǒng)無功功率新情況

2.1 軌道交通負荷：牽引負荷和動力照明負荷兩類

（1）牽引負荷功率因數(shù)較高，0.95以上。（2）車站動力照明系統(tǒng)，存在一定量感性負荷，例如環(huán)控設(shè)備、給排水設(shè)備、自動扶梯、照明等設(shè)備。

2.2 車站動力照明負荷新特征

（1）車站照明系統(tǒng)：采用電子鎮(zhèn)流器節(jié)能燈或LED照明，照明系統(tǒng)功率因數(shù)已達0.9以上。（2）車站動力配電系統(tǒng)：車站通風空調(diào)設(shè)備、電扶梯，因節(jié)能需要，采用了較多的變頻設(shè)備，動力負荷功率因數(shù)與傳統(tǒng)方式相比，已由原來的0.7左右提高到0.9以上。各降壓變電所0.4kV側(cè)設(shè)置自動投切電容補償裝置，已無法投用，容性無功的補償已無必要。在低壓側(cè)采用諧波治理APF同時輸出感性無功的必要性較為突出。

2.3 通常情況下，電路中的容性無功功率可以抵消部分或全部感性無功功率，進而提高功率因數(shù)。但當容性無功功率大于感性無功功率時，將向上一級電路返送容性無功功率

軌道交通網(wǎng)絡(luò)一般位于市區(qū)內(nèi)，多采用中壓電纜供電替代架空線路。從110kV主變電所至沿線各牽引降壓所采用幾百km的35kV電纜連接，電纜規(guī)格主要有：95mm2、120mm2、150mm2、185mm2 、240mm2、300mm2等。35kV電纜存在分布電容，其充電功率：60～80kvar/km。在主變電所每段35kV母線側(cè)將有幾兆千乏的容性無功存在，每天產(chǎn)生大量容性無功電度。

3杭州地鐵2號線供電系統(tǒng)概述

3.1 工程概況

杭州地鐵2號線一期工程（東南段）供電系統(tǒng)采用110/35kV兩級電壓集中供電方式，設(shè)置鐵建益主變電所一座。鐵建益主變電所從城市電網(wǎng)引入兩回110kV進線電源，降壓為35kV后由35kV中壓通過地鐵環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)將電能分配至每一個車站和車輛段內(nèi)的牽引變電所和降壓變電所。

鐵建益主變電所正常供電范圍為朝陽站～錢江路站，共包含13座車站、1座車輛段，共設(shè)置4個供電分區(qū)。

3.2本工程供電系統(tǒng)無功功率分析

根據(jù)杭州情況，對杭州地鐵2號線各期不同時段總功率因數(shù)進行估算如下：

主變電所110kV本側(cè)在運營各期高峰小時時段的總功率因數(shù)估算結(jié)果見表1、2、3

當建設(shè)一路主變電所在運營各期高峰小時時段，均不向電力系統(tǒng)返送無功，功率因數(shù)處于0.90～1.00的優(yōu)質(zhì)區(qū)間。

當建設(shè)一路主變電所供電負荷位于低谷時段時，均向電力系統(tǒng)返送容性無功。由于建設(shè)一路主變電所110kV進線電源路徑較短，110kV進線電纜產(chǎn)生的容性無功對系統(tǒng)的總功率因數(shù)影響較小。

為使地鐵供電系統(tǒng)不向電力系統(tǒng)返送容性無功以避免罰款，且使功率因數(shù)處于優(yōu)質(zhì)區(qū)間，推薦建設(shè)一路主變電所設(shè)置無功功率補償裝置。

4無功功率補償方式及裝置選擇

4.1 無功功率補償方式

無功功率補償技術(shù)經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，產(chǎn)生了種類繁多的無功功率補償裝置。從補償方式上可以分為靜態(tài)無功功率補償和動態(tài)無功功率補償兩類。

4.1.1動態(tài)靜止無功功率補償裝置

動態(tài)靜止無功功率補償裝置是指其主要部件無運動部分，其輸出能及時快速做出變化，以達到設(shè)計的各種控制目標的無功功率補償裝置。目前，動態(tài)靜止無功功率補償裝置的種類很豐富，主要包括相控電抗器、磁控電抗器、靜止無功發(fā)生器等。能夠滿足地鐵供電系統(tǒng)無功功率補償?shù)囊蟆?/p>

4.1.2動態(tài)無功功率補償裝置方案比選

動態(tài)無功功率補償裝置種類繁多，根據(jù)前節(jié)的計算分析結(jié)論，建設(shè)一路主變電所的無功功率補償主要是向系統(tǒng)補入感性無功功率，據(jù)此對三種比較成熟的動態(tài)無功功率補償裝置方案——相控電抗器（TCR）、磁控電抗器（MCR）、靜止無功功率發(fā)生器（SVG）進行分析并進行經(jīng)濟比較，見表4。

由上可知，TCR、MCR、SVG裝置的技術(shù)性能均能滿足地鐵供電系統(tǒng)主變電所對容性無功功率補償?shù)男枰?。但相對于而言：傳統(tǒng)的軌道交通行業(yè)多選擇SVG裝置，具有補償原理先進、補償能力強、占地面積小、響應(yīng)速度快等諸多優(yōu)勢。

4.2 無功功率補償裝置的選擇

結(jié)合前文提到的目前軌道交通行業(yè)出現(xiàn)的新特點，尤其是：（1）目前運營時段與非運營時段無功功率波動情況，對無功補償設(shè)備的響應(yīng)速度的要求在分鐘級別，而不是毫秒級。時段內(nèi)無經(jīng)常劇烈的無功負荷波動。（2）集中供電方式，提供了獨立的110kV變電所，有著充足的設(shè)備安裝空間和散熱條件。（3）諧波治理的濾波通道已經(jīng)在低壓側(cè)APF具備功能。

我們提出新的觀點：建設(shè)一路主變電所設(shè)置的動態(tài)無功功率補償裝置采用磁控電抗器（MCR）集中補償+有源濾波（APF）分散補償?shù)姆绞健?/p>

即先在車站變電所底層400V母線上，將分組投切電容器換為分組投切電抗器（各站全部投入容量不大于1000 kvar）。由APF有源濾波裝置控制。即起到濾波功能，兼顧補償35電纜部分無功功能。

由于本系統(tǒng)計算容量并不大（原設(shè)計2×2000kvar），在實際中2號線第一、二、三、四供電分區(qū)各降壓變電所400V側(cè)一、二段有源濾波裝置，使其輸出固定感性無功，來抵消由35kV電纜線路產(chǎn)生的部分容性無功。11個降壓所，共22臺400V一、二段有源濾波器均感性無功輸出容量進行調(diào)整，以此來降低磁控電抗器（MCR）設(shè)備容量投資。收到了很好的效果（容量：2×1000kvar）。如圖1所示。

這種組合式補償方式，打破了原有單一設(shè)備集中補償?shù)木窒蕖?/p>

（1）新線（共享主變電所）或延伸線建設(shè)時，無需對原有電抗器設(shè)備進行擴容改造，在延伸線增加分散補償即可。（2）將由原來在主變電所集中無功補償?shù)牟糠秩萘?，變?yōu)楦鬈囌痉稚⒀a償?shù)姆绞剑髯冸娝a償設(shè)備投資大量減少。（3）每個區(qū)段35V電纜無功可被大量平衡，有效降低線纜損耗。（4）主變電所設(shè)置磁控電抗器，需設(shè)置通風空調(diào)設(shè)備。APF的應(yīng)用可簡化主變電所的通風空調(diào)設(shè)備的設(shè)置。

5結(jié)語

本文對杭州地鐵2 號線供電系統(tǒng)無功補償方案的研究，主要從安裝無功補償裝置的必要性、無功補償?shù)姆桨高x擇、無功補償裝置的選型、無功補償裝置的容量等進行了研究，結(jié)果表明供電系統(tǒng)有必要采用磁控電抗器（MCR）集中補償+有源濾波（APF）分散補償?shù)姆绞健?/p>

以上所做的工作是在杭州2 號線進行的研究，從理論計算和上海軌道交通10號線的現(xiàn)場實測結(jié)果基本一致的情況看，證明了方案研究的可行性。為新形勢下的城市軌道交通無功治理提供新思路。

參考文獻：

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