城市轨道交通供电系统的无功补偿方案研究*

王 敖

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300308）

0 引言

现阶段我国城轨交通直流牵引变电所的整流直流电源和动车牵引负荷、数量众多的降压变电所供电负荷，存在大量换流装置等非线性电力设备。电网电流和电压在运行过程中的波形产生了畸变[1]。经由傅里叶分析，最终波形是由基波与多种高次谐波组合形成。由于谐波电流在电网中产生阻抗压降，使电网电压也含有谐波成分而产生畸变，对用电设备造成不同程度的危害，进而威胁城市轨道交通的供电系统[2]。

轨道交通运营开始阶段，供电系统中的感性负荷比较小，导致系统中的容性无功功率无法被中和掉，最终输入至电力系统，造成电力系统电能质量下降。例如广州地铁电力系统存在大量无功功率返回的情况。这将影响电力系统的稳定性，也增加了运营成本。本文将通过对比提出高效供电系统无功补偿方案，提高系统功率因数，增加供电系统稳定性并减少成本。

1 传统无功补偿方案

根据轨道交通负荷的特点，运营高峰阶段需要对系统进行容性无功补偿，而低峰时期则要用感性无功补偿[3]。所以一种既能实现感性无功补偿又能实现容性无功补偿的装置很必要，所以并联电容无功补偿不能满足地铁负荷的要求。通过结合地铁供电系统负荷特点以及无功功率考核标准，有如下几种合适的无功补偿方法。

1.1 主变电所35kV母线设置并联电抗器

由于电抗器的输出容量无法调节，不便于控制，因此该方案不能满足动态补偿的要求。

1.2 主变电所35 kV母线设置新型静止无功补偿（SVC）装置

该装置主要由晶闸管阀组、35 kV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还可以追踪系统的有功、无功功率和功率因数变化，可以实时调节系统无功功率以提高主变电所的功率因数，但是SVC装置本身也会产生谐波分量[4]。

1.3 主变电所35kV母线设置静止无功发生器（SVG）装置

静止无功发生器（Static Var Generator）专指可通过自换相桥式变流器来进行动态无功补偿的装置。其概念在20世纪70年代被提出，但由于受到当时技术水平限制，采用强迫换相的晶闸管器件是实现自换相桥式电路的唯一方法。随着科学技术的发展，IGBT可控元件技术已经成熟并可以代替普通晶闸管器件进行逻辑换相[5]。它可以根据系统无功功率因数实时输出或吸收无功功率，使系统的功率因数维持在0.95以上。

1.3.1 SVG基本结构

SVG的基本原理是将自换相的桥式电路直接或通过电抗器并联在电网中。可通过调节自换相桥式电路交流侧输入电压的幅值、相位或直接调节输入电流，该电路就能达到吸收或输出无功功率的目的，以达到对系统进行无功补偿的效果。

SVG分为电压型桥式电路和电流型桥式电路两个类型。前者直流侧采用电容储能，后者采用电感储能。其中，电压型桥式电路需要串联上电抗器才能并网，而电流型桥式电路则需在交流侧并联上能吸收换相产生的过电压电容器才可以并网。实际中，电压型桥式电路的运行效率较高所以投入较多。本文所提到的动态无功补偿方式都是采用电压型电路。两种电路基本结构分别如图1、图2所示。

图1 电压型三相桥式逆变电路

图2 电流型三相桥式逆变电路

1.3.2 SVG工作原理

SVG正常工作时可把直流电压转换为与电网输出电压同频率的交流电压，类似于电压型逆变器。因此考虑在基波频率时，SVG可等效为一种可控幅值与相位的且与电网电压同频率的交流电压源，并可以通过交流电抗器并联到电网上。

SVG的工作原理如图3～4所示（不计连接电抗器和变流器损耗）。

图3 SVG单相等效电路

图4 SVG向量

图5 SVG运行模式

若考虑电抗器本身以及变流器的损耗（管压降、电阻等），可将总损耗集中考虑为连接电抗器的电阻，则SVG等效电路图如图6所示。

图6 SVG等效电路图及向量图（计及损耗）

对比于传统SVC装置存在的谐波问题，SVG装置中可以采用PWM技术解决，消除低次谐波并削弱高次谐波电流到允许范围内。而且SVG连接电网的电抗可以起到滤波作用过滤掉高次谐波，并且所需电感值没有补偿容量相同的TCR等SVC装置所需电感值大。

2 利用中压能馈型再生能吸收装置的无功补偿方案

虽然在理论上，SVG装置能实时对高压进线侧功率因数动态补偿，使系统功率因数接近于1。但是由于IGBT元件噪声大、发热高、价格高。PWM四象限变流器技术为系统无功补偿提供了新的思路，该思路属于分散补偿。图7所示为中压能馈式再生能回馈装置方案示意图。

图7 中压能馈式再生能回馈装置设置方案

目前国内的中压逆变型再生能回馈装置技术日趋成熟并且已经在地铁供电系统牵引网挂网试运行，可进行列车再生能量回收再利用。PWM四象限变流器用于再生能装置内部进行能量回馈，减小直流电压纹波提高供电质量。所以可通过大功率PWM整流器功率因数调节特性实现分散式无功补偿。PWM四象限变流器主电路原理图与典型工况如图8～9所示。由图可知，可通过控制策略调节PWM四象限变流器的输出电压幅值相位来实现变电所交流电流相位控制，从而实现无功补偿[5]。

图8 PWM四象限变流器主电路原理

图9 PWM四象限变流器的典型工况

三相电力电缆由于相间及相对地存在电容[6]，因此在正常或单相接地时，均有电容电流流过线路。当系统中牵引负荷、动力照明负荷等比较少的时候，此时供电系统由于电缆的充电无功效应，将产生大量无功功率输送至电网，这将造成大量电力损耗，而使用中压能馈式再生能装置实现分布式无功补偿能够很好地解决此类情况。需特别指出的是，在线路运营初期，由于牵引及动力负荷（主要为感性）较小且环网电缆的充电无功作用显著，导致再生能装置内的PWM四象限变流器频繁切换于容性与感性工作模式之间，使得实时监测牵引变电所内电压与电流间相位关系显得尤为重要[7]。因此，必须对变电所内的电压幅值及相位进行实时精确检测，并作为四象限变流器控制参照，实现牵引变电所的电源进线电流与电网电压间相位同步，使功率因数得到提升。

因此，城市轨道交通的供电系统可利用全线牵引变电所内配备的中压能馈型（PWM四象限变流器）的再生能装置对车辆再生的电能加以吸收，并且可将过剩的容量对系统进行无功补偿。

3 呼和浩特市城市轨道交通2号线一期工程供电系统的无功补偿容量计算分析

本工程供电系统采用集中供电方式，在全线设置2座主变电所，在35 kV供电系统采用分区供电，在相邻的几个车站之前设置一个由环网电缆构成的供电分区，主变电所向处在各分区的第一个车站供电，位于分区内的其他变电所可串联获得电源。本线设置了4个供电分区，在呼和浩特站设置环网联络开关。容性无功计算如下。

3.1 主变电所参数

本项目2座主变电所参数如表1所示。

表1 主变电所参数

3.2 环网电缆参数

环网电缆参数如表2所示。

表2 环网电缆参数

3.3 计算说明

（1）本次计算主要计算系统运行中最大容性无功需求量，因此选取夜间地铁停运时容性无功最大感性无功最小时进行计算。

（2）由于电缆厂家提供的电缆电容参数不统一，导致结果存在一定的差异。

（3）本次计算未考虑主变电和降压变、牵引变的感性阻抗影响。

3.4 分段计算无功补偿量

各分区无功补偿量如表3所示。

3.5 容性无功补偿容量

阿尔山路、锡林公园、诺和木勒、新华广场牵引变电所的中压能馈装置对水上公园变电所进行补偿；内蒙古体育场、成吉思汗广场、一家村、新城图书馆、塔利东路牵引变电所的中压能馈装置对成吉思汗广场主所进行补偿。

其中喇嘛营安装为电容储能装置，因此不进行无功补偿，其无功补偿量由相邻牵引所考虑。

表3 各分区无功补偿量

综合以后补偿量计算，利用再生能补偿无功时，要求每台再生能吸收装置的无功补偿容量为0.9 Mvar（不考虑解列情况下）。

4 列车再生制动回馈方案

4.1 列车再生制动能量吸收的意义与必要性

地铁是一种密度大、运量高的交通方式，其特点是站间距离较短，启停较为频繁。目前列车普遍采用VVVF动车组，其制动一般为电制动（再生制动、电阻制动）和空气制动两级制动，运行中以再生制动和电阻制动为主，空气制动为辅[7]。此种制动方式使得部分再生能量不容易被临近的列车吸收，浪费电能，而且散发的大量热量还会聚集在隧道内，增加隐患。

由以上特点分析可以看出，轨道交通的诸多特点对车辆是否能够最大限度地利用再生制动，减少空气制动频率有很大影响。目前节能减排已成为国家的一项基本国策，尤其是目前轨道交通列车普遍应用VVVF技术，若在变电所内设置再生能量吸收装置能够使列车最大限度使用再生制动，这样使得能量利用率得到提升，增加供电系统稳定性并降低污染。

4.2 再生能量吸收技术发展现状

为了达成目的，一般可在牵引变电所的直流母线上设置再生能量吸收装置，其主要工作原理是当牵引网压上升到一定程度时，再生能量吸收装置投入工作，吸收掉多余的再生电流，维持车辆再生电流稳定，以最大限度地发挥再生制动性能。以北京地铁10号线二期工程为例，现场测试结果如图10～11所示。

图10 能馈装置未投入时列车直流电压、电流与速度曲线

图11 能馈装置投入后列车直流电压、电流与速度曲线

国内如天津地铁1号线、重庆轻轨等均采用了再生能量吸收装置。

4.3 呼和浩特市城市轨道交通2号线一期工程供电系统的再生能量吸收方案

再生能量逆变技术在国内正处于发展高峰，逆变+电阻型再生能量吸收设备已在重庆轻轨1号线及3号线运行，经北京地铁9号线科研方测试验证，装置运行稳定，节能效果良好。中压能馈型装置与电容储能型装置是目前再生电能利用技术的最新发展方向，目前中压能馈装置已在国内很多轨道交通工程进行应用，如北京地铁15号线一期工程西段等线路，设备性能稳定，经测试，节能效果良好；对于电容型再生吸收装置，国内已生产出超级电容器，拥有寿命相对较长、节能环保并能快速充放电功能的特点，基本上可以满足对于城市轨道交通中产生的再生能量吸收的需要，目前如株洲机车厂和湖南恒信等厂商对电容型再生能量吸收装置样机进行生产和试验、试挂。

综上所述，中压能馈型和储能型代表了再生电能利用技术的发展方向，目前国内中压能馈型装置技术及设备制造工艺已成熟，电容储能型装置也已基本成熟，但需要更多的工程实践和验证，同时应结合运营实测数据对方案及装置进行不断的改善。而再生能量吸收装置的设置方案将直接影响牵引变电所面积、环控设备配备、车辆的制动电阻配备、工程投资等问题。

因此，本工程在正线牵引变电所车站设置中压能馈型再生电能吸收装置，其中喇嘛营站采用储能型再生电能吸收装置，对储能型再生能吸收利用技术进行工程实践、验证。同时考虑车辆段试车线要求全工况进行试车，因此从节约成本考虑，在车辆段设置电阻型制动电能消耗装置。

4.4 中压能馈型与电容储能型共同作用对供电系统影响分析

本工程正线部分共设置11座牵引变电所，其中10座牵引变电所内设置中压能馈式再生能利用装置，1座牵引变电所内设置超级电容式再生能利用装置。由于中压能馈装置将电能回馈至35 kV中压母线供系统内牵引及动照负荷利用，而超级电容将吸收的再生能量储存，并回馈至1 500 V接触网供列车牵引使用，因此两种再生能装置彼此间并无冲突，能够保证供电系统安全可靠运行，并最大程度上利用再生电能，降低运营成本。采用再生能量利用装置后能平抑接触网电压波动，更有利于地铁列车运行。

5 结束语

本文通过分析比较了在主变电所35 kV母线设置并联电抗器、SVC、SVG以及利用中压能馈型再生能吸收装置等无功补偿方案，根据地铁负荷的特性以及需要对变电所内的电压幅值及相位进行实时精确检测，实现牵引变电所的电源进线电流与电网电压间相位同步，所以中压能馈式再生能装置可以用来实现分布式无功补偿。

通过分析对比各种再生能量吸收技术并结合发展现状，本工程采用全线牵引变电所内配备的中压能馈型（PWM四象限变流器）的再生能装置，可对城市轨道交通列车产生的再生电能进行吸收，并利用其多余的容量对系统进行无功补偿，同时在其中一座牵引变电所设置超级电容式再生能利用装置，以最大程度地利用能源、降低成本，为城市轨道交通供电系统的稳定性与高效性提供了新思路。