向 往 廖 钧

(中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031)

目前，国内城市轨道交通工程供电系统典型无功补偿方案为：(1)中高压系统采用集中补偿方式，即在主变电所或电源开闭所设置中压无功补偿装置，中压无功补偿装置采用静止无功发生器(SVG)或SVG+并联电抗器，前者由SVG承担满足考核点电能质量要求的谐波治理和无功补偿；后者由SVG承担谐波治理和城市轨道交通工程内部中压系统的无功补偿，由并联电抗器承担外部电源线路的无功补偿；(2)在各车站、车场降压变电所的0.4 kV侧集中设置低压无功补偿装置，低压无功补偿装置通常采用有源滤波装置(APF)，承担低压配电系统中的无功补偿和谐波治理；(3)对于功率因数不高的低压用电设备，采用自备就地无功补偿装置[1-2]。

传统中压系统无功补偿方案依赖于设置在主变电所或电源开闭所中压母线的SVG，虽然能满足电力部门功率因数考核要求，但未实现中压系统无功功率的就地平衡，增加了电压损失及(有功和无功)功率损耗，节能效益不佳，且SVG的发热及噪声问题明显。

实现中压系统无功功率就地平衡的理想方法是采用分散补偿方式。分散补偿方式是针对中压系统部分节点的无功平衡，适用于负荷分散的情况，在配电网、铁路电力供配电系统应用广泛[3-4]。分散补偿方式便于实现中压系统内部无功功率的分区控制、分区平衡，减少中压供电网络线路的有功损耗和电压损失，提高供电半径，经济效益好，但对于外部电源补偿需用量较大的情况，一般不能替代集中补偿方式，且由于无功补偿装置需分散安装，增加了车站(或车场)变电所的电气和土建投资，不便于运营维护与管理。

本文以国内某有轨电车工程为例，提出利用双向变流装置的中压系统无功补偿优化方案。

1 工程概况

1.1 供电系统概况

(1)供电系统采用35 kV分散供电方式，牵引供电系统和动力照明配电系统共用35 kV供电网络。牵引供电系统采用DC1500 V架空接触网供电、走行钢轨回流方式。

(2)全线共设置1座电源开闭所，11座牵引降压混合变电所(其中正线10座，车辆基地1座)，1座跟随式降压变电所，如图1所示。车辆基地电源开闭所与同址的牵引降压混合变电所整合。

图1 交流供电系统图

(3)上级110 kV变电站35 kV两段母线各出1回35 kV线路至车辆基地电源开闭所。外部电源电缆线路长约0.7 km，电缆截面为240 mm2。功率因数考核点设置在公共连接点(PCC)。

(4)每座牵引变电所分别设置1套1×1 650 kVA双向变流装置，双向变流装置由1台变流变压器和1面双向变流器柜组成；每座降压变电所设置2台配电变压器。

1.2 无功负荷和无功电源分析

根据供电系统构成，无功负荷主要来自牵引负荷、动力照明负荷、变压器(变流变压器、配电变压器)及电力电缆的无功损耗，无功电源主要来自电力电缆的充电无功功率。

(1)牵引负荷

根据双向变流器低压侧电压幅值、相位可控的特点，理论上牵引负荷功率因数可接近于1。

(2)动力照明负荷

动力照明负荷涉及多个用电设备，总功率因数与各用电设备的负荷大小和设备自身功率因数有关。

(3)变压器及电力电缆的无功损耗

变压器、电力电缆线路消耗无功功率。变压器消耗的无功功率分为空载无功损耗和负载无功损耗。

变压器的无功损耗可按式(1)进行计算。

(1)

式中：ΔQT——变压器中的无功损耗(kvar)；

I0%——变压器空载电流百分数；

uk%——变压器阻抗电压百分数；

Sc——变压器计算负荷(kVA)；

Sr——变压器额定容量(kVA)。

电力电缆线路的无功损耗可按式(2)计算。

(2)

式中：QL——三相线路中无功损耗(kvar)；

Ic——计算相电流(A)；

x——线路单位长度的交流电抗(Ω/km)；

l——线路计算长度(km)。

(4)电力电缆线路的充电无功功率

中压供电环网电力电缆及低压电力电缆都能提供充电无功功率，按式(3)进行计算。

(3)

式中：QC——线路充电无功功率(kvar)；

ω——角速度(rad/s)；

C0——线路单位长度等效电容(F/km)；

Un——系统标称电压(kV)；

l——线路计算长度(km)。

1.3 原中压系统无功补偿方案

(1)中压系统采用在电源开闭所设置SVG的集中无功补偿方案，结合供电系统内部和外部电源线路，经估算，需设置2×2 Mvar的SVG容量。

(2)每套SVG由1台隔离变压器和1台电压源换流器组成；2套SVG分别通过断路器接于不同段35 kV母线。2台隔离变压器分别设置于独立的隔离变压器室内，2台电压源换流器设置于1间无功补偿装置室内。

2 双向变流装置的无功补偿功能

双向变流器属于高功率因数整流器(又称“单位功率因数整流器”)，与采用不可控整流器或相控整流器相比，双向变流装置高功率因数、几乎不产生谐波的特性可从根本上提高系统自然功率因数，减少电网“谐波污染”，改进整流器自身性能[5-6]。

双向变流器实质上是四象限运行的PWM整流器，除了可以运行于整流、逆变、感性无功功补偿和容性无功补偿4个特殊的工作状态点外，还可以运行于整流兼感性无功补偿、整流兼容性无功补偿、逆变兼感性无功补偿、逆变兼容性无功补偿4种叠加工作状态[5]。在无功补偿方面，双向变流装置与SVG技术同源，具备感性无功和容性无功双向补偿功能，且具有响应速度快、自身谐波含量小等优点，可满足实际应用需求。同时可根据系统需求进行更为灵活和有针对性的无功补偿方案设计，实现系统的无功功率优化。

3 分布式无功补偿

近年来，得益于SVC、SVG等动态无功补偿技术的成熟，分布式无功补偿方案在智能配电网和分布式发电领域正日渐兴起，成为一种先进的系统动态分散补偿技术。[7]分布式无功补偿方案可根据控制目标自动调节系统各节点的无功补偿容量。不仅可提高中压系统内部各节点功率因数，改善电压损失，实现中压系统内部无功功率的分区控制、分区平衡，减少中压供电网络线路有功损耗，提升经济效益，还可减少无功功率在中压系统节点间的传输，减少集中补偿需用量。

当功率因数考核点设置在PCC时，利用靠近考核点无功补偿装置的富余能力，在一定条件下，可取消集中补偿，系统接线如图2所示。

图2 取消集中补偿的系统接线示意图

忽略变压器和电力电缆线路的无功损耗，其判断条件如式(4)所示。

(4)

式中：ω——角速度(rad/s)；

Un.S——外部电源系统标称电压(kV)；

lS——外部电源线路计算长度(km)；

C0.S——外部电源线路单位长度等效电容(F/km)；

Un.P——中压供电网络系统标称电压(kV)；

li——除外部电源线路外，考核点至无功补偿装置安装位置第i段中压供电网络线路的计算长度(km)；

C0.i——除外部电源线路外，考核点至无功补偿装置安装位置第i段中压供电网络线路的单位长度等效电容(F/km)；

Pc——考核点最大负荷有功功率(kW)；

tanφ1——考核点最大负荷功率因数角正切值；

tanφ2——考核点要求达到的功率因数角正切值；

QC.j——靠近考核点第j台无功补偿装置的容性无功补偿剩余容量(kvar)；

QL.j——靠近考核点第j台无功补偿装置的感性无功补偿剩余容量(kvar)。

4 中压系统节点功率因数和综合有功损耗

4.1 中压系统节点功率因数

在无功补偿前，通过对远期不同行车对数和非运行时段工况进行模拟计算，本文仅列举35 kV Ⅱ段各节点功率因数，如图2所示。

图2的模拟计算结果表明，中压系统内部无功功率平衡状况与牵引负荷轻重有关，仅当牵引负荷适中时，中压系统内部的无功功率接近自然平衡；在其他时段，均需采用无功补偿措施来改善中压系统内部的无功功率平衡。本文提出利用双向变流装置的工作特性和分散安装条件，实现中压系统内部的无功功率平衡，提高中压系统各节点功率因数。

4.2 中压系统综合有功损耗

中压系统中主要由变压器、电力电缆线路产生有功损耗。

变压器有的功损耗可按式(5)计算。

图3 中压系统节点功率因数图

(5)

式中：ΔPT——变压器中的有功损耗(kW)；

ΔP0——变压器空载有功损耗(kW)；

ΔPk——变压器负载有功损耗(kW)；

Sc——变压器计算负荷(kVA)；

Sr——变压器额定容量(kVA)。

电力电缆线路的有功损耗可按(6)计算。

(6)

式中：ΔPL——三相线路中无功损耗(kW)；

Ic——计算相电流(A)；

r——线路单位长度的交流电阻(Ω/km)；

l——线路计算长度(km)。

配电变压器的有功损耗相对固定。双向变流装置的无功补偿作用使电力电缆线路的负载电流和有功损耗减少、变流变压器的负载电流增大、有功损耗增加。中压系统综合有功损耗的增减主要由变流变压器和电力电缆线路的有功损耗决定。

5 优化方案

5.1 优化思路

(1)以分区补偿、就地平衡为原则。

(2)以满足电力部门考核功率因数要求为前提，并且不向电力系统倒送无功功率(过补偿)：在运行时段，功率因数≥0.95(滞后)，在非运行时段，功率因数≤0.95(滞后)[8]。

(3)尽量减少中压系统内部综合有功损耗。

5.2 补偿策略构思

在满足PCC总功率因数考核要求的前提下，按照分布式无功补偿的不同控制目标，本文提出两种策略。

(1)局部补偿策略

分布式无功补偿从局部角度出发，以各套双向变流装置所在35 kV母线均达到目标功率因数为控制目标。

(2)全局补偿策略

分布式无功补偿从全局角度出发，以减少中压系统综合有功损耗为控制目标。全局补偿策略可有多种规则，其中一个较简单的规则是：从中压系统末端节点开始，顺次判断相应节点是否需要进行无功补偿。假设使该节点位置的双向变流装置所在35 kV母线达到目标功率因数，若该节点位置的双向变流装置的无功补偿出力将不会引起中压系统的综合有功损耗增加，则该节点位置的双向变流装置进行无功补偿；反之，则该节点位置的双向变流装置不进行无功补偿。此后再判断倒数第二个节点位置是否需要进行无功补偿，并以此类推。

5.3 补偿策略初步分析

根据牵引供电系统模拟计算结果，对远期、非运行时段中压系统分别采用SVG集中补偿方案、局部分布式补偿方案和全局分布式补偿方案的节能效果进行了估算，分别如表1、表2所示。

表1 三种无功补偿方案节能效果对比表(远期)

表2 三种无功补偿方案节能效果对比表(非运行时段)

表1、表2的模拟计算结果表明，中压系统采用双向变流装置的分布式无功补偿可满足电力部门对PCC总功率因数的考核要求，且不向电力系统倒送无功功率(过补偿)，可替代采用SVG集中补偿。

按照“无功功率就地平衡”的思路，局部分布式无功补偿是无功补偿的最理想方案[6]，对系统参数不敏感，不需要多套双向变流装置协同工作，实现方法简单，能够减少中压系统电力电缆线路有功损耗。但双向变流装置的无功补偿出力将影响其视在功率，使其负载电流和有功损耗增加，由此引起中压系统的综合有功损耗增加，在节能方面有些得不偿失。

全局分布式无功补偿方案存在对系统参数较敏感、需要全线的双向变流装置协同工作、实现方法较复杂等缺点，但从全局角度出发，能够减少中压系统综合有功损耗，经济效益更优。

5.4 无功补偿容量

根据牵引供电系统模拟计算结果，按照满足PCC总功率因数考核要求，对远期高峰时段、非运行时段(动力照明用电低谷)的无功补偿需用量和双向变流装置需用容量进行了估算，结果如表3、表4所示。

表3 无功补偿需用量估算表(远期高峰时段)

表4 无功补偿需用量估算表(非运行时段)

表3、表4模拟计算结果表明，双向变流装置容量满足整流兼无功补偿(或逆变兼无功补偿)的工作要求。

5.5 方案对比

(1)电能质量

根据牵引供电系统模拟计算结果，对远期高峰时段中压系统采用SVG的集中无功补偿后与采用局部分布式补偿后的中压网络累计电压损失进行了对比，结果如表5所示。

表5 中压网络累计电压损失对比表

从表5可以看出，采用全局分布式补偿方案仅在部分节点进行无功补偿，其中压供电网络电压损失介于SVG集中补偿方案与局部分布式补偿方案之间。中压系统采用分布式无功补偿方案后，能进一步降低中压供电网络的电压损失。

(2)建设成本

分布式无功补偿方案替代SVG集中无功补偿方案后，可减少2套SVG、2面40.5 kV GIS开关柜、2套35 kV电流保护装置及相关设备之间的连接电缆，并能取消隔离变压器室、无功补偿装置室配套的通风、动力照明等机电设施，合计节约建设成本约450万元。

(3)运营成本

分布式无功补偿方案替代SVG集中无功补偿方案后，完全消除了SVG的有功损耗，在无功补偿方面可付出更小的有功“代价”，并减少了中压供电网络电力电缆线路的有功损耗。运营各期节省的用电量估算如表6所示。

表6 运营各期两种分布式补偿方案全年节能表

以30 a运营期估算，当分布式无功补偿采用局部补偿策略时，节省电费约250万元；当分布式无功补偿采用全局补偿策略时，节省电费约265万元，节能效果提升约5%。

(4)其他

目前，国内SVG大多采用强迫风冷散热方式，存在设备用房排热量大、装置噪声大等缺点。分布式无功补偿方案替代SVG集中无功补偿方案将有助于创造更良好的运营环境。

6 结论与展望

本文利用双向变流装置四象限变流的工作特性和多套双向变流装置的协同工作优势，结合城市轨道交通运行特点，制定了分布式无功补偿系统方案，研究得出以下主要结论：

(1)城市轨道交通中压系统采用双向变流装置的分布式无功补偿方案可满足电力部门功率因数考核要求，且双向变流装置的无功补偿出力较小，不影响其设备安装容量选择。

(2)利用双向变流装置进行分布式无功补偿可减少集中补偿需用量，在一定条件下，甚至可取消集中补偿，在电能质量、建设成本、运营成本、运营环境等方面均优于仅采用集中无功补偿方案。

(3)城市轨道交通供电系统采用双向变流装置，除利用其高功率因数特性及逆变功能外，还可采用分布式无功补偿方案挖掘系统节能潜力，并充分发挥多套双向变流装置的协同工作优势，实现经济效益最大化。

无功功率优化问题是一个多变量、多约束的混合非线性规划问题，因此，适用于城市轨道交通工程供电系统的分布式无功补偿策略还有待进一步优化和完善。