城市轨道主变电所无功补偿策略研究

雷霆，刘现军，张智宝，刘永建，石国帅，程明

（郑州地铁集团有限公司，郑州 450000）

0 引言

目前，国内地铁公司供电系统供电方式均采用110 kV 集中供电方式，即每条线路由1-3 个110 kV主变电站集中对35 kV/1 500 V 系统供电[1-2]。根据地铁系统与当地供电局签订的《高压供用电合同》，产权分界点和计量考核点TIP（the inspection point）一般均设置在供电局侧，供电局侧功率因数考核点不能低于基准值0.85，否则按照合同内容需缴纳因功率因数低导致的不同比例的力调电费。李建民分析了地铁系统无功运行状况，并提出对站用变系统、35 kV 系统进行集中无功补偿[3]。王沛沛对无功补偿设备容量进行了评估，根据线路侧设备运行数据进行了定性分析[4]。文献[5-8]介绍了SVG 在轨道交通中的设计安装和运行情况，通过原理分析与实测数据分析，加装SVG 可有效提高供电系统的电能质量和功率因数。文献[7-9]对比分析了SVG 与SVC 两种无功补偿装置的技术优势，提出SVG 更加满足城市轨道交通的供电需求。

为深入了解地铁系统无功补偿特性，本文通过分析TIP 处与地铁系统无功及有功数据、电缆容性无功计算，定量分析地铁系统负荷特性，提出地铁系统过渡时期无功补偿策略，以功率因数0.98 为基准，分析计算TIP 处与地铁系统无功补偿投运后的运行数据，评估能馈变压器与能馈逆变装置装配容量。

1 主变电站电抗器+SVG无功补偿

正常运营期间，地铁系统中的电缆容性无功与各类变压器感性无功相互抵消，特别是在客流高峰期间，直流导轨上挂网列车数量增加时，地铁系统所需无功容量随之增加，此时功率因数可能偏低，需要输入额外无功来提高功率因数[10-15]。

目前地铁系统无功补偿方案选择上应充分考虑成本问题，设计院一般采用定量补偿电抗器+SVG装置并联模式实现地铁系统无功供给[16-17]。

地铁供电系统无功补偿通过能馈变压器与SVG 装置串联后再接至35 kV 母线上，SVG 补偿系统主要由主控制回路、IGBT 大功率转换元件、电抗器元件组成[18-19]，主控制回路实时采集TIP 处与SVG 监测点电压与电流的幅值与相位数据，通过数据分析结果对当前地铁系统进行无功判别和补偿供电系统当前所需无功缺额。

郑州地铁供电系统先后采用过3 种无功补偿策略，采用恒定功率补偿方式在非运营期间出现过补，补偿效果有待提升；分时段补偿方式是按某一设定值进行补偿，功率因数可达到0.8（小于供电局功率因数考核基准值）；系统恒无功补偿通过建立数学模型和负荷计算，按照整个供电系统无功容量计算分析后的数值进行设定运行，功率因数可到达0.99 及以上。

2 主变电所数据测试方案分析

地铁系统TIP 以下无功负荷性质主要有三部分组成，一是110 kV 隧道电缆与35 kV 环网电缆，根据JBT 10181.11—2014《电缆载流量计算第11 部分：载流量公式（100%负荷因数）和损耗计算一般规定》相关内容，对城郊铁路一期110 kV 电缆（规格型号：ZC-YJLWO3-Z-64/110 kV-1×400、FS-WDZAYJY63-26/35 kV 1×300）进行无功计算，110 kV 隧道电缆按照标准计算得出每公里电缆容性无功约为570 kvar，35 kV 环网电缆其容性无功每公里约为60 kvar。二是主变压器感性无功，可以通过公式（3）计算得出。三是列车牵引和动力负荷系统感性无功，其等效结构图见图1。

图1 等效结构图Fig.1 Equivalent structural diagram

从供电局TIP 处到地铁主所的外电源电缆无功功率为Q1，其表达式如式（1）所示。

式中：Un为埋地电缆的额定电压；f为工作频率；C为电缆的等值容抗；L为电缆长度；ε=2.8 ～3；Di为绝缘外径；Dc为绝缘内径。

根据主变电所进线线路电压与电流数据测试分析结果，采用定量电抗器+变量SVG 补偿方式，110 kV 进线1、2 电缆参数见表1。

表1 110 kV线路进线电缆数据Table 1 Incoming cable data of 110 kV line

主变压器消耗感性无功，其所需补偿的容性无功为Q2，其表达式如式（3）所示。

式中:Im和In分别为补偿侧的负荷电流和额定电流；I0为变压器空载电流；Ud为补偿侧阻抗电压；Sd为主变压器的额定容量。

35 kV 环网供电系统的功率因数公式为

式中：S为环网供电系统总负载；φ为功率因数；S1与S2分别为牵引系统和动力照明系统的负载；φ1与φ2分别为其功率因数，且S=S1+S2。

TIP 处无功功率为三部分无功量求和，如公式（5）所示。

对于电缆线路自身感性有功损耗可忽略不计，TIP 处功率因素按照公式（6）进行计算。

式中：P为TIP 处以下整个地铁供电系统的有功负荷；Q1为110 kV 电缆无功容量；Q2为35 kV 电缆无功容量；Q3为地铁供电系统牵引与动力无功容量，Q3具体数值可利用主所复示终端进行正线各站点牵引和动照数据查看和计算分析，或者到正线各个站点保护装置上进行查看。

通过对地铁供电系统数据精确计算分析，TIP处功率因数可达到0.99。特别是在地铁运营初期电抗器+SVG 装置补偿补偿作用尤为明显。

3 仿真分析

城市轨道交通在正常运行时，牵引系统和动力照明系统所连接的负载并不是持续满负荷运行。负载因调试、故障投入或退出运行时，会使轨道交通供电系统受到波动，对其稳定性造成影响。为深入研究SVG 对电力系统阻尼特性的影响，本文基于Matlab/Simulink 搭建如图2 所示的地铁供电系统。

图2 地铁供电系统图Fig.2 Metro power supply system diagram

以地铁实际供电系统运行情况搭建系统进行模拟仿真，两个主所4 个供电区域经主变压器、整流变压器、整流器与接触网相连；G1、G2电源点模拟主变电所1 的两路110 kV 电源，G3、G4电源点模拟主变电所2 的两路110 kV 电源，主变压器基准容量设置为31.5 MWA。

初始工作环境下，将主变压器二次侧母线5、母线6、母线7、母线8 是否加装SVG 视为不同的工况，特征根通过搭建Matlab/Simulink 模型，结合实际运营模式，输入相关设备参数后得出的数据，表2、表3、表4 为经图3 系统潮流分析之后的部分特征根结果，通过对比相应特征根值可看出，加装SVG后，根值有增大趋势，表明供电系统干扰性有所增加。供电系统受到小扰动而引发的低频振荡分为3 个模式：区域1 局部振荡模式，区域2 局部振荡模式，区域间振荡模式[7-8]。对比表3 中的数据不难发现，当系统加入SVG 之后，局部振荡模式和区域间振荡模式下的阻尼比均有所上升。其中，易受低频振荡影响的区域间振荡模式下的阻尼比提高较为明显，SVG 极大提高了系统的抗干扰[20-21]。

表3 区域1部分特征根Table 3 artial feature root of region 1

表4 区域2部分特征根Table 4 Partial feature root of region 2

图3 系统潮流分析Fig.3 System power flow analysis

表2 未加装SVG部分特征根Table 2 Feature root without adding SVG part

基于特征根分析时的参数设置，在Matlab 中进行50 s 的时域仿真分析。在系统不加装SVG 的情况下，G1-G4电源点的无功输出如图4（a）所示。观察响应曲线可以发现，电力系统正常运行时无功功率在感性负载和容性负载之间相互传递，表现为围绕稳定运行点的上下波动[22]。当系统中加入SVG之后，G1-G4电源点的无功输出如图4（b）所示，其响应曲线的波动趋势与原系统类似，表明SVG 的加入并没有改变原有的运行模式[23]。叠加SVG 加装前后的无功响应曲线如图4（c）所示，加装SVG 之后的无功波动幅值大为降低[24]。通过对比三组无功响应曲线，SVG 可以跟踪所接母线的电气信号，当系统缺少感性或容性无功功率时，准确的进行相应无功补偿[25-28]。

图4 响应曲线Fig.4 Response curves

4 结语

1）通过数据分析和供电局电费清单可看出，以整个供电系统为系统恒功率补偿策略效果良好，功率因数均可达到0.99 以上，弥补了因供电局不允许外来设备接入其系统的不足，探索了地铁供电系统3 种无功补偿运行方式，通过实际投运探索，最终使无功补偿装置运行达到最优补偿效果。

2）通过模拟仿真看出，相比无功补偿技改前，加装SVG 后无功波动曲线幅值大为降低，无功响应曲线得到优化，SVG 通过实时采集所接母线的电量数据进行定时定量补偿。

3）供电系统加装SVG 之后，其局部振荡模式和区域间振荡模式下的阻尼比得到显著提升，表明加装无功补偿装置后增强了系统抗干扰能力，提升了轨道交通供电系统运行的稳定性。