城市軌道交通新型無功補償方案研究

1、城市軌道交通新型無功補償方案研究【摘 要】城市軌道交通供電系統(tǒng)存在較嚴(yán)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(jìn)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?！娟P(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、

2、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(hù)、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(fù)荷：牽引負(fù)荷和動力照明負(fù)荷兩類1）牽引負(fù)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(fù)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(fù)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(dá) 0.9 以上。（2）車站動力配電系 統(tǒng)：車站通風(fēng)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(fù)荷功率因數(shù)與傳統(tǒng)方式相比，已由原來 的 0.7 左右

3、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(jìn)而提高功率因數(shù)。但當(dāng)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。

4、35kV 電纜存在 分布電容，其充電功率：6080kvar/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(jìn)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.

5、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(jìn)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(dāng)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(dāng)建設(shè)一路主變電所供電負(fù)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(jìn)線電 源路徑較短， 110kV 進(jìn)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)

6、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(dá)到設(shè)計的各種控制目 標(biāo)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?.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，

7、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 置方案一一相控電抗器（TCR ）、磁控電抗器（MCR ）、靜止 無功功率發(fā)生器（ SVG ）進(jìn)行分析并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)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?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(jìn)、補償能力強(qiáng)、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

8、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(fù)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?。即先在車站變電所底?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

9、量并不大（原設(shè)計 2 x 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(jìn)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：2x lOOOkvar）。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)?局限。（ 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(jìn)行擴(kuò)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?，?為各車站分散補償?shù)姆绞?，主變電所補償設(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(fēng)空調(diào)設(shè) 備。 APF 的應(yīng)用可簡化主變電所的通風(fēng)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(jìn)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Ｒ陨纤龅墓ぷ?/p>