城市轨道交通主变电所无功补偿方案研究

李力鹏① LI Li-peng；盛家川② SHENG Jia-chuan

（①中铁电气化勘测设计研究院有限公司，天津 300250；②天津财经大学理工学院，天津 300222）

摘要： 分析了城市轨道交通用电负荷的特点及主变电所无功补偿的意义，在现有三种无功补偿方案（电抗器固定补偿、SVC及SVG动态补偿）的基础上，结合轨道交通用电负荷的特点及目前低压配电系统、直流牵引系统新设备的采用，提出了两种新的无功补偿方案。

教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 ： 功率因数；无功补偿；研究

中图分类号：TM714.3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）03-0042-02

基金项目：天津市高校科技发展基金项目（No.20140816）；天津市科技发展战略研究计划项目（12ZLZLZF01700）；天津市哲学社会科学研究规划资助项目（TJYY12-034）。

作者简介：李力鹏（1979-），男，蒙古族，天津人，高级工程师，硕士，研究方向为轨道交通供电系统。

1 主变电所无功补偿的意义及必要性

主变电所的功率因数主要由牵引负荷和动力照明负荷的性质所决定。对于牵引负荷，由于采用24脉波整流方式，理论基波因数在0.989以上，不可调变流器的位移因数在0.95以上，因而其总功率因数可达0.96左右。对于动力照明负荷，随着应用技术的发展，照明负荷功率因数已达到0.9甚至0.95以上；动力负荷功率因数多数达到0.8以上。

在线路运行初期，由于感性负荷较小，35kV电缆产生的容性无功无法被中和，以致返送至电力系统。我国已开通运营的城市轨道交通系统，如天津津滨轻轨、广州地铁、上海地铁等，在运营初期不投入0.4kV无功补偿装置的情况下，仍有容性无功返送至电力系统。电力部门采取“无功反转正计”的计费方法，导致主变电所功率因数达不到电力部门的要求，遭受电力部门的罚款，一条线一年的罚款数额约数百万元，大大增加了运营成本。

2 目前常用无功补偿方案

根据地铁负荷的特点，地铁负荷在高峰时段需要采取容性无功补偿，在低谷时段需要采取感性无功补偿。因此，采用普通的并联电容无功补偿已经不能满足要求，需要一种既能补偿容性无功又能补偿感性无功的设施。结合地铁供电系统负荷特点及无功功率考核方法，对几种可行的无功补偿方式分析如下。

方案一：在主变电所35kV母线设置并联电抗器。并联电抗器的优点是：价格低、故障率低、使用寿命长，且对使用环境要求相对低；其缺点是：输出容量固定，不可动态调节。

方案二：在主变电所35kV母线设置SVC。Static Var Compensator主要由晶闸管阀组、35kV相控电抗器、数字控制及保护系统及TCR故障自诊断系统组成。

SVC的优点是：可跟踪系统功率因数变化，动态调节电抗器的输出容量，使补偿精度更高，其价格介于电抗器与SVG之间；其缺点是：占地面积相对较大，且装置本身会产生谐波。

方案三：在主变电所35kV母线设置SVG。Static Var Generator就是专指由自换相的电力半导体桥式变流器来进行动态无功补偿的装置。

SVG的优点是：可跟踪系统功率因数变化，动态调节电抗器的输出容量，使补偿精度更高，不会产生谐波，且可以实现部分滤波功能；其缺点是：占地面积较大，价格较高，且对使用环境的要求较高。

目前，国内多数新建轨道交通供电系统采用了SVG方案。

3 其它无功补偿方案

虽然SVG装置能够实时对主变电所110kV侧进线功率因数进行动态补偿，理论上使其功率因数达到1。但是，由于需要采用国外进口IGBT元件，价格较高，且发热量较大。

随着双向变流器技术的发展及有源滤波器在轨道交通0.4kV系统的应用，为系统无功补偿提供了两个新的方案：

3.1 利用牵引变电所双向变流器进行无功补偿 目前国内已有多个厂家进行双向变流器的研制，并在轨道交通供电系统运行，其目的是用于对列车再生能量的回收再利用。双向变流装置不仅能够在列车牵引时为列车提供能量，而且还能在列车制动时将多余的再生制动能量反馈回交流电网。借助于大功率PWM整流器，其交流侧电流谐波含量小、功率因数任意可调。

若系统已经采用双向变流器技术对列车再生电能进行吸收利用，可利用其多余的容量进行系统无功补偿。

3.2 由主变电所电抗器与0.4kV系统有源滤波装置配合进行无功补偿

3.2.1 轨道交通功率因数的特点及电抗器装置的应用分析 轨道交通供电系统的容性无功主要由中压环网电缆产生，其量值基本固定。因此，理论上可以采用电抗器固定补偿的方式进行补偿。这种方式即简单又便于运营维护、节省投资。但是，由于轨道交通负荷白天与夜晚负荷变化较大、初期与近远期负荷变化也较大，采用固定补偿方式，要达到0.95这样比较高的功率因数，相对困难。这就需要其它装置进行可调式补充。

3.2.2 轨道交通供电系统特点及有源滤波装置的应用分析 轨道交通用电负荷具有以下特点：

①白天感性负荷大，可中和电缆产生的容性无功，供电系统的总的功率因数能够满足电力系统的要求；夜晚感性负荷小，中压电缆产生的容性无功不能被感性负荷中和，导致系统无功返送；

②白天谐波含量大，由于白天动照系统内的变频负荷、整流负荷均投入运行，这使得动照系统的谐波含量在白天较大；夜晚谐波含量小，因为夜晚变频负荷、整流负荷大多停运，系统内的谐波含量很少。

根据以上特点，结合0.4kV有源滤波装置既能滤除谐波，同时还能补偿无功的双重功能，将有源滤波装置的作用按照白天和晚上进行划分：白天利用0.4kV有源滤波装置重点滤除低压系统谐波，夜晚除利用该装置除滤波外还进行无功补偿，补偿中压环网产生的容性无功（该无功量相对固定）。但是，有源滤波装置的容量有限，以120A有源滤波装置为例，其最大无功补偿容量为83kvar，相对于环网电缆产生的无功，补偿能力较小。

3.2.3 无功补偿方案 综合轨道交通的无功补偿需求及电抗器、有源滤波装置的特点，电抗器与有源滤波装置可相互补充，有源滤波装置容量较小，而电抗器容量较大；电抗器只能固定补偿，而有源滤波装置可以起到一定的调解作用。因此，初步的简化无功补偿方案如图3所示，各降压变电所根据0.4kV谐波含量设置有源滤波装置，主变电所设置电抗器，并且在电抗器设置调解抽头。

3.2.4 功能实现 0.4kV有源滤波装置的原理是通过对测量点的电特性参数进行分析，确定测量点的谐波含量以及功率因数，然后对其进行滤波和无功补偿。对于轨道交通供电系统0.4kV侧来讲，通过该原理便可解决0.4kV侧的滤波和无功补偿的问题。但要实现夜晚有源滤波装置对中压电缆容性无功的补偿，是无法简单通过对测量点的补偿完成的。因此，需要由供电系统与有源滤波装置共同完成该功能。

①首先，0.4kV有源滤波装置应具有调节滤波和无功补偿目标值的能力；

②其次，在主变电所设置带有调解抽头的电抗器；

③通过主变电所电能质量的监测点确定无功补偿总需补容量；

④结合全线0.4kV有源滤波装置的配置情况，对无功补偿总需补容量进行分配，并下达给各降压变电所的0.4kV有源滤波装置；

⑤有源滤波装置将测量点的谐波含量、功率因数以及下达的无功补偿容量三者结合，确定新的滤波及无功补偿目标值。

3.2.5 小结 通过采用电抗器固定补偿中压环网产生的容性无功，并利用0.4kV有源滤波装置进行调节，取消主变电所设置的SVG，也可以实现整个供电系统的无功补偿及滤波的综合治理。

4 结论

本文通过对轨道交通用电负荷的特点进行分析，对目前轨道交通供电系统3种无功补偿方案进行了分析和比较，并结合技术的发展，提出了两种新的无功补偿方案。

教育期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献：

[1]杨兴山.分析中压网络和牵引机组对功率因数的影响[J].都市快轨交通，2007，20（3）：76-78.

[2]李力鹏，方攸同.城市轨道交通2种供电方式下供电系统功率因数分析[J].中国铁道科学，2009（11）：67-71.

[3]李鲲鹏，吴柳青.地铁供电系统无功补偿方案[J].低压电器，2006（2）：41-46.

[4]李建民，徐坚.基于SVG的城市轨道交通供电系统功率因数补偿研究[J].变压器，2008，45（2）：5-9.

[5]穆志光，李汉卿.轨道交通供电系统无功补偿的研究[J].电气化铁道，2006（4）：30-31.

[6]张进思.电牵引负荷谐波的分布计算[M].西南交通大学，1985：37-68.