地铁供电系统无功补偿策略及补偿容量控制研究

地铁供电系统无功补偿策略及补偿容量控制研究

李劲

深圳地铁运营集团有限公司 广东省深圳市 518000

摘要：随着电力系统并联补偿技术的发展，无功补偿技术运用越来越广泛。无功补偿技术在地铁供电系统的运用，能够较好的解决地铁供电系统中面临的谐波、电压波动、功率因素偏小等问题。能使供电系统功率因数达到电网运行标准,减小因供电系统电压波动、谐波等问题对地铁供电系统的影响。根据地铁供电系统实际运行的情况,采用合适的无功补偿策略,通过补偿容量控制，可提高功率因数，实现地铁供电系统的稳定运行。

关键词：地铁供电；无功补偿策略；补偿容量控制

引言

地铁在正线运行过程中需使用较大功率的电能来作为动力启动车辆牵引，完成顺利地启动、行驶。因此在地铁供电系统中供电设备长期处于超负荷和低负荷循环的状态，但由于电缆线路和设备中存在较大的能源消耗，出现充电无功现象，导致大量的电能浪费，也对地铁站的电能与费用的消耗产生较大负担。

1地铁供电系统的主要供电方式

目前地铁最广泛的供电方式是集中供电式，集中式供电即对地铁变电所用电科学设置，主要体现在依托地铁线路长度、使用电量的差异化，根据设计要求，为地铁设置110kV或220kV主变电所形成进线电源，地铁在地铁沿线设置35kV变电所，通过对地铁变电母线段数量、位置建立划分。地铁变电所需要进行两路电源设置，保障二者之间独立性存在，继而依托集中式供电方式，为地铁运行、牵引提供电力。

2无功补偿的概念和类型

2.1无功补偿的概念和意义

电网在输出功率后，使用的过程中会通过两种方式进行功率消耗，其一是有功功率，将电能转化为对人们有用的、或是人们希望转化为的能量，如热能、机械能等；另一部分成为无功功率，其在转化过程中没有成为人们希望获得的能量，但其支撑了电气设备的正常运行，如设备和元件建立的磁场等消耗的电能。为减少无功功率、使总功率转化为有功功率的效率更高，应进行适当的无功补偿，降低电气设备和电网的消耗，提高供电系统的质量，同时达到供电的平衡，保证整体系统的安全性和稳定性。通过提高无功补偿效果能够提高有功功率的占比，使电能的利用效率更高。在实现无功补偿后能使电线的损失大幅降低，实现整体的资金和能源消耗量的降低，降低维护成本。

2.2无功补偿的分类

就地补偿。通过对低压的电容器进行调整与组合，将其放置在用电设备的周围形成补偿系统，在设备运行时接入补偿系统，在设备停止时将补偿装置隔离，通过系统的接入使整体的电网电压达到平衡状态，达到补偿的效果。通过就地补偿中补偿系统的使用，能有效提高电压使用的质量，同时能提高有功功率的占比。就地补偿的补偿量在计算过程中通过Q≤UIO来进行计算，其中Q是无功补偿量、U是设备的额定电压、IO是空载时设备的电流。在实施过程中可发现，就地补偿的区域相对较大、效果也较好，但对电容的利用率较低。

集中补偿。其在使用过程中会将相应的并联补偿电容器安装在高低配压中，主要在供电所和变电所中使用。在电能运输电线中安置相应的电容器后，电线中出现无功返送的情况后会对内部的电压造成不良影响，降低有功功率的传输。因此，在通过降低变电所内部的电压使整体功率因数提高，进而实现无功补偿，避免电压因损耗产生降低的现象，实现电功率的平衡与稳定，在此基础上可对设备运输功率的潜力进行挖掘，提高电气设备的安全使用效果。

2.3地铁供电系统无功补偿的常见方法

SVG动态无功补偿。在地铁供电系统中，通过在主变电所35kV侧并联两套无功补偿装置，而并联无功补偿的作用主要的通过控制及调节流进系统的无功功率，进而很好的改善电力系统的运行环境，使地铁供电站的系统中基波频率成容性得到提升，进而达到无功补偿的效果。

在补偿过程中，通过控制和调节注入系统的无功功率来调节电力系统的运行特性，达到提高系统的稳定性。在使用该方式时，应根据地铁供电系统的电力使用状态来对补偿装置进行调整和设置，使其更加适应电力系统的实际运行，降低系统设备受到的电压冲击，强化对设备的保护和内部运行的平稳性。

3. SVG控制的策略和功能

如图1无功补偿控制策略，在供电系统的输出端，SVG设备的连接端，将电力系统等效为一台发电机用G表示，电力系统的输入端电压为U；U0经过附加输入控制的输入电压；AVR为自动电压调节器，该调节器是电力电子设备装置，能够控制功率较低的励磁机磁场，从而能够调节励磁机电枢的输出功率，进一步控制主机磁场电流，达到稳定的输出电压要求，并且该自动电压调节器具有并联无功补偿的功能；SVG可以等效为一个可控的无功电流源，其从电力系统中吸收的无功电流i1跟随电流参考值i2变化，i2则是由自动电压调节器控制规律产生。这种较为常用的SVG控制策略，根据供电系统对电压、无功功率的需求，需采用较为合适的自动电压调节器及提供能达到特定控制目标的附加控制信号。

图1 无功补偿控制策略

然而在供电系统的实际应用中，SVG设备并不是最为理想、可靠的系统端电压校正器，最理想的状态的允许端电压按照补偿电流的比例而变化，具有以下优点：对于给定最大容性和感性容量的SVG设备,通过采用有差的斜率调节方式，可使得系统在投入最大容性补偿时，端电压允许比无载时的额定值低，相反在投人最大感性补偿时，允许比额定值高。增强供电系统的稳定性，如果系统等效阻抗在特定频率范围内表现为低阻抗甚至零阻抗，则采用无差调节会导致运行点难以确定，易引发振荡。

SVG在电力系统中的应用，可以很好改善系统的稳定性。可见，SVG在适当的控制方式下，如电压控制、暂态稳定控制、阻尼控制、无功储备控制等，可以达到提高电力系统电压调节的精度，增强电压的稳定性。

4补偿容量的计算与分析

4.1变压器无功计算

变压器的等值电路中的计算公式为：

其中SN为变压器运行时产生的额定功率；UN为变压器输出的额定电压；ΔPS为在额定电压下设备中的短路损耗；ΔP0为变压器内部存在的空载损耗；I0%为变压器空载情况下的电流；UK%为变压器发生短路时的电压值。变压器中产生的无功损耗分为两种支路的电能损耗，包括励磁支路损耗以及绕组漏抗损耗。励磁支路损耗主要由空载电流产生，绕组漏抗损耗主要由短路电压产生。通过其相互间的关系可列为公式：

其中QLT为变压器中产生的无功损耗；ΔQ0为励磁支路损耗；ΔQT为绕组漏抗中的损耗；I0%为空载电流；UK%电压器满载时的短路电压。通过将电能损耗进行联合计算能大致计算出变压器的无功损耗。无功补偿装置在设计过程中应对内部装置的容量进行调整，使其能适应地铁供电系统中不同电荷和功率的变化，进而保证整体供电系统的安全使用。

4.2供电因素的分析

目前地铁供电系统中较多使用110kV电压和35kV电压来对内部设备进行供电。在地铁运行的过程中需保证一定的功率来进行牵引，其中牵引所需要功率与地铁中车辆的密度以及车内的客流量有一定关系，客流量越多、运行车辆越多则其所消耗的牵引功率越大。在城市中地铁内的客流量具有一定变化规律，其根据城市居民的生活习惯发生波动，因此对电力系统中功率的负荷也产生影响，使其呈现波动变化，一般在夜晚和凌晨时间段内部变压器呈现出低谷负荷，在白天尤其是上下班的高峰期呈现高峰负荷。由于变压器等相关的用电设备和电缆等传输设备会产生容性无功功率，因此会对供电平衡产生影响，通过降低功率因素的方式来提高有功功率的占比，降低无功负荷。

结语

综上所述，为了能够很好解决地铁供电系统功率因数偏低、电压波动、谐波等问题，根据地铁供电系统实际运行的情况,采用合适的无功补偿策略,通过补偿容量控制，提高功率因数实现地铁供电系统运行的稳定性。

参考文献

[1]潘国能.电力系统无功补偿点及其补偿容量的确定[J].设备管理与维修,2021,22.

[2]钟骏.浅议动态无功补偿装置SVG在地铁供电系统中的应用[J].铁道勘测与设计,2021,03:84-86．