牛二兵

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SVG在地鐵供電系統(tǒng)中的應(yīng)用

牛二兵

為提高地鐵供電系統(tǒng)功率因數(shù)及電能質(zhì)量，減小無(wú)功和諧波等問(wèn)題對(duì)系統(tǒng)及負(fù)載的影響，根據(jù)實(shí)際情況，可采用不同的無(wú)功補(bǔ)償方式，以提高功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，確保系統(tǒng)穩(wěn)定性。通過(guò)應(yīng)用實(shí)例得出，SVG（靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置）對(duì)提高供電系統(tǒng)功率因數(shù)及電能質(zhì)量效果顯著。

地鐵；無(wú)功補(bǔ)償；功率因數(shù)；SVG；控制策略

0 引言

目前，根據(jù)電壓等級(jí)劃分，地鐵多采用 110 kV/35 kV兩級(jí)集中供電方式，每條地鐵線路一般設(shè)置2～3個(gè)主變電所，電壓等級(jí)為110 kV，通過(guò)主變壓器降壓為35 kV。主變電所35 kV中壓系統(tǒng)采用分區(qū)供電方式，對(duì)應(yīng)35 kV子變電所以交流電纜為媒介，通過(guò)串接的方式組成相應(yīng)的供電分區(qū)[1]。

地鐵作為城市電網(wǎng)的重要用戶，其負(fù)荷等級(jí)屬于一級(jí)負(fù)荷，供電系統(tǒng)的電壓質(zhì)量是衡量供電系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，系統(tǒng)電壓的變化將對(duì)地鐵的各類負(fù)載產(chǎn)生影響[2]。以天津地鐵3號(hào)線為例，經(jīng)測(cè)算，如果不采取無(wú)功補(bǔ)償措施，3號(hào)線2個(gè) 110 kV主變電所每月的平均功率因數(shù)均低于0.9，而天津電網(wǎng)公司規(guī)定功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)考核標(biāo)準(zhǔn)為0.85，存在考核風(fēng)險(xiǎn)。低壓配電、列車牽引用電是地鐵的主要用電負(fù)荷，其中動(dòng)力及照明用電設(shè)備主要包括車站環(huán)控風(fēng)機(jī)、空調(diào)、照明設(shè)施等，風(fēng)機(jī)多采用變頻技術(shù)，功率因數(shù)較低。列車牽引用電功率因數(shù)相對(duì)較高，不低于0.95[3]。

1 SVG安裝的必要性

隨著城市地鐵的快速發(fā)展，地鐵運(yùn)營(yíng)線路逐年增加，功率因數(shù)較低引起的電能質(zhì)量問(wèn)題逐漸受到重視。大量無(wú)功功率導(dǎo)致的功率因數(shù)問(wèn)題需要解決，伴隨著沖擊性無(wú)功功率帶來(lái)的電壓波動(dòng)和閃變等問(wèn)題也需要解決。另外，由于大量整流器件的非線性特性，給供電系統(tǒng)帶來(lái)了大量的諧波電流，影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，需有效解決。

1.1 無(wú)功問(wèn)題

在地鐵供電系統(tǒng)中，從負(fù)荷情況看，阻感負(fù)載占有很大比例，如環(huán)控風(fēng)機(jī)、各類變壓器、照明設(shè)施（熒光燈）等都是阻感負(fù)載，其消耗的無(wú)功功率在供電系統(tǒng)總無(wú)功中所占的比例較大。同時(shí)，目前國(guó)內(nèi)地鐵線路均采用電纜敷設(shè)的方式，電纜路徑較長(zhǎng)，隨之充電功率增大，會(huì)造成無(wú)功倒送，也會(huì)引起無(wú)功功率增大，從而導(dǎo)致功率因數(shù)降低。

1.2 諧波問(wèn)題

隨著現(xiàn)代電子工業(yè)的不斷發(fā)展，地鐵供電系統(tǒng)引入了大量電子設(shè)備，如各類電源模塊、充電裝置、整流/逆變模塊等，產(chǎn)生大量諧波，且隨著電子裝置應(yīng)用的普及，該類諧波所占比重呈上升趨勢(shì)。同時(shí)，地鐵列車在運(yùn)行期間的啟動(dòng)/制動(dòng)會(huì)引起電壓的波動(dòng)、閃變，造成電壓不穩(wěn)定，可能造成設(shè)備故障、運(yùn)作失靈等問(wèn)題。

由上述分析可見，對(duì)供電系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償十分必要[5]。靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置（SVG）相當(dāng)于一個(gè)可變的無(wú)功電流源，其電流值可根據(jù)負(fù)載無(wú)功電流的變化進(jìn)行調(diào)整，自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)所需的無(wú)功功率，從而提高功率因數(shù)。

2 地鐵無(wú)功補(bǔ)償方式

目前地鐵常用的補(bǔ)償方式有3種，即集中式補(bǔ)償、分區(qū)集中補(bǔ)償和分布式補(bǔ)償，其形式如圖1所示[6]。集中式補(bǔ)償是指在主變電所（天津地鐵3號(hào)線為110 kV變電所）集中進(jìn)行補(bǔ)償；分區(qū)集中式補(bǔ)償指在每個(gè)用電分區(qū)進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償；分布式補(bǔ)償指在每個(gè)子變電所（天津地鐵3號(hào)線為35 kV變電所）均進(jìn)行動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償。

如圖1所示，3種補(bǔ)償方式的區(qū)別較明顯，補(bǔ)償效果優(yōu)劣依次為：分布式、分區(qū)集中式、集中式。分布式補(bǔ)償方式所需設(shè)備數(shù)量最多，資金投入額最大；集中式補(bǔ)償方式所需設(shè)備數(shù)量最少，從而資金投入最少，設(shè)備空間占地面積最??；分區(qū)集中補(bǔ)償方式從設(shè)備數(shù)量和投資額方面考慮均居中。結(jié)合天津地鐵3號(hào)線實(shí)際情況，主變電所與子變電所距離較短，電能質(zhì)量變化不大，因此3種補(bǔ)償方式補(bǔ)償效果差別不大，綜合考慮，該線采用集中式補(bǔ)償方式[6]。

圖1 無(wú)功補(bǔ)償方式示意圖

3 SVG裝置介紹

3.1 裝置組成

天津地鐵3號(hào)線所選用無(wú)功補(bǔ)償裝置為RSVG系列高壓靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置，型號(hào)為RSVG-6M/ 35kV-CT，主要由控制柜、功率柜和充電柜3大部分組成，如圖2所示。

圖2 SVG裝置設(shè)備構(gòu)成

（1）控制柜?？刂乒裼晒た貦C(jī)、控制系統(tǒng)硬件和電源系統(tǒng)組成[7]。工控機(jī)是系統(tǒng)內(nèi)上位機(jī)軟件的運(yùn)行系統(tǒng)，是與外部系統(tǒng)進(jìn)行人機(jī)交互的接口；為保證供電的可靠性，電源系統(tǒng)采用冗余設(shè)計(jì)；控制系統(tǒng)硬件由主控單元和采樣單元組成，是設(shè)備的核心部件。

（2）功率柜。功率柜主要由功率單元組成，是無(wú)功補(bǔ)償裝置的主體部分。功率單元是SVG的核心主電路，其采用模塊化設(shè)計(jì)，各模塊單元結(jié)構(gòu)和電氣性能完全一致，用以實(shí)現(xiàn)功率變換。

（3）充電柜。充電柜的作用是給設(shè)備充電，柜內(nèi)裝有電阻，通過(guò)柜內(nèi)的充電電阻限制初始充電電流，待充電完成后，充電柜接觸自動(dòng)合閘。

3.2 RSVG裝置的基本原理

天津地鐵3號(hào)線所選用RSVG裝置的工作原理是將自換相橋式電路通過(guò)電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)中，通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位或直接控制交流側(cè)電流[8]，吸收或發(fā)出符合要求的無(wú)功電流，起到無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔?。RSVG控制原理如圖3所示。

圖3 RSVG控制原理

由于RSVG并聯(lián)在電網(wǎng)中，其無(wú)功電流可以快速地根據(jù)負(fù)載無(wú)功電流的變化進(jìn)行調(diào)整，自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)所需無(wú)功功率。RSVG的主要功能為：提高線路輸電穩(wěn)定性；穩(wěn)定受電端電壓；補(bǔ)償系統(tǒng)無(wú)功功率，提高功率因數(shù)；諧波動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，改善電能質(zhì)量；抑制電壓波動(dòng)和閃變；抑制三相不平衡。

4 技術(shù)應(yīng)用

以天津地鐵3號(hào)線華苑和張興莊主變電所為例，每個(gè)主變電所裝設(shè)2臺(tái)SVG裝置，35 kV母線一、二段各設(shè)置1臺(tái)SVG，選用集中式安裝方式。

通過(guò)對(duì)比主變電所SVG退出與運(yùn)行情況下的功率因數(shù)（表1）可以看出，當(dāng)SVG退出后，功率因數(shù)普遍較低，當(dāng)SVG投入運(yùn)行后，功率因數(shù)均接近于1，符合要求。

表1 主變電所功率因數(shù)對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)數(shù)據(jù)分析與實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證可以看出，SVG對(duì)提高供電系統(tǒng)功率因數(shù)效果明顯，同時(shí)SVG的應(yīng)用使電能質(zhì)量顯著提高。功率因數(shù)的提高有助于減少能耗，提高能源利用率，同時(shí)SVG有助于諧波補(bǔ)償，從而減少電網(wǎng)中諧波對(duì)地鐵車輛等負(fù)載的干擾，保障地鐵供電系統(tǒng)及車輛等負(fù)載運(yùn)行的穩(wěn)定。

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In order to improve the power factors and power energy quality for the subway power supply system, lessen adverse effects to the system and loads induced by the reactive power and harmonics, the adaptive reactive power compensation modes may be adopted in accordance with the actual conditions, so as to improve power factors, realize the energy saving and cost reducing, guarantee the system stability. The experiments and results show that the SVG has dramatic effects for improving the power factors and power energy quality of the power supply system.

Subway; reactive power compensation; power factor; SVG; control strategy

U223.5+3

B

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.01.018

1007-936X(2018)01-0075-03

2017-05-20

牛二兵.天津市地下鐵道運(yùn)營(yíng)有限公司，工程師，研究方向?yàn)榈罔F供電系統(tǒng)。