顧晏齊 段永強(qiáng)

(西安市地下鐵道有限責(zé)任公司 西安 710016)

1 西安地鐵2號(hào)線的供電系統(tǒng)概況

西安地鐵2號(hào)線采用集中式外部電源供電方式，全線建行政中心、會(huì)展中心兩座地下式主變電站。地鐵供電系統(tǒng)采用110/35 kV兩級(jí)電壓供電，主變電站從地方電力系統(tǒng)引入110 kV高壓電源并降壓成地鐵供電系統(tǒng)使用的35 kV電源，通過地鐵環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)將電能分配至每一個(gè)車站和車輛段及停車場(chǎng)內(nèi)的牽引變電所和降壓變電所。

行政中心主站兩回外部電源，一回從330 kV草灘變電站引入，線路長(zhǎng)度10.7 km，一回從110 kV桃園路變電站引入，線路長(zhǎng)度16.2 km，雙回電源均采用110 kV單芯銅導(dǎo)體630 mm2的電纜溝道敷設(shè);會(huì)展中心主站兩回外部電源，分別從330 kV上苑變電站的兩段110 kV母線引入，單回線長(zhǎng)8.74 km，采用110 kV單芯銅導(dǎo)體800 mm2的電纜溝道敷設(shè)。

2 安裝無功補(bǔ)償裝置的必要性

從理論分析和調(diào)研考察兩個(gè)方面，對(duì)西安地鐵2號(hào)線是否需要安裝無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行研究。

2.1 地鐵供電系統(tǒng)無功功率的特點(diǎn)

每個(gè)地鐵主站一般下轄3個(gè)分區(qū)，35 kV高壓電纜總計(jì)100～200 km。經(jīng)過模型估算，充電無功可以達(dá)到幾個(gè)MV·A，為主變壓器容量的10% ～30%。尤其在夜晚負(fù)荷較輕、感性負(fù)荷很少時(shí)，系統(tǒng)存在無功倒送的問題。另外，電纜產(chǎn)生的容性無功對(duì)電壓有抬升的作用，若抬升到一定程度，則會(huì)影響到設(shè)備的安全性。

2.2 無功的危害

無功在線路中大量傳輸會(huì)造成線路的無功損耗，在通過升壓或降壓變壓器時(shí)會(huì)引起變壓器的無功損耗，有

式中，P為有功功率，Q為無功功率，U為系統(tǒng)電壓，X為線路阻抗或變壓器阻抗。

從上式可以得到如下結(jié)論:無功損耗伴隨有功的變化而成平方關(guān)系變化，當(dāng)有功增大一倍時(shí)，無功損耗將增大數(shù)倍。

感性無功的大量存在會(huì)引起電壓降落，容性無功的大量存在會(huì)引起電壓抬升，而電壓過低或過高都會(huì)對(duì)設(shè)備安全帶來隱患。沖擊性負(fù)荷會(huì)帶來有功沖擊和無功沖擊，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致電壓波動(dòng)和閃變。

2.3 對(duì)地鐵供電質(zhì)量的調(diào)研和實(shí)測(cè)

為了確定西安地鐵安裝無功補(bǔ)償裝置的必要性，公司對(duì)近年新運(yùn)行地鐵線路的電能質(zhì)量進(jìn)行了調(diào)研，并在某城市地鐵主變電站進(jìn)行了實(shí)測(cè)，其24 h三相功率因數(shù)變化曲線如圖1所示。

經(jīng)過測(cè)試，該地鐵站33 kV母線的白天功率因數(shù)可達(dá)0.9以上，夜間功率因數(shù)僅有0.3，日平均功率因數(shù)僅為0.78左右，且由于地鐵本身的工作特性，使得母線一直處于無功倒送狀態(tài)。

圖1 主變電站24 h三相功率因數(shù)變化曲線

經(jīng)過理論分析和調(diào)研實(shí)測(cè)，發(fā)現(xiàn)2號(hào)線在初期輸送功率較小以及晚上低負(fù)載運(yùn)行時(shí)，供電系統(tǒng)的無功功率不能內(nèi)部平衡，有很大的電纜容性無功存在，功率因數(shù)不符合要求，所以有必要安裝無功補(bǔ)償裝置。

3 無功補(bǔ)償方案的比較和補(bǔ)償裝置的選型

3.1 無功補(bǔ)償方案的比較

地鐵供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式為110 kV主站+35 kV分區(qū)，因此產(chǎn)生了3種動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)姆桨?集中式補(bǔ)償、分區(qū)集中補(bǔ)償、分布式補(bǔ)償。集中式補(bǔ)償，就是指在110 kV主站集中進(jìn)行無功補(bǔ)償，如圖2所示;分區(qū)集中補(bǔ)償，就是指在每個(gè)分區(qū)進(jìn)行動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償，因?yàn)榈罔F系統(tǒng)110 kV主站一般帶3個(gè)分區(qū)的負(fù)荷;分布式補(bǔ)償，就是指在每個(gè)35 kV的降壓所、跟隨所和牽引所都進(jìn)行動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償。

圖2 集中式補(bǔ)償

在3種動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償方案中，理論上分布式補(bǔ)償?shù)姆桨感Ч罴?，其次為分區(qū)集中補(bǔ)償?shù)姆桨?，再次為集中式補(bǔ)償方案。但實(shí)際上由于電氣距離短，電能質(zhì)量變化不大，因此分布式補(bǔ)償和分區(qū)集中補(bǔ)償比集中式補(bǔ)償效果好得不多，幾乎可以認(rèn)為效果一樣。

分布式補(bǔ)償方式由于采用的動(dòng)補(bǔ)裝置數(shù)量太多，投資最大，其次是分區(qū)集中補(bǔ)償方式，而集中式補(bǔ)償方案只在110 kV主站安裝動(dòng)補(bǔ)裝置，設(shè)備投資少，占地面積最少。分區(qū)集中補(bǔ)償比集中式補(bǔ)償增加60%左右的投資，分布式補(bǔ)償比集中式補(bǔ)償增加1倍的投資。

3.2 無功補(bǔ)償方案的選型

靜止無功發(fā)生器(static var generator，SVG)是目前最為先進(jìn)的無功補(bǔ)償技術(shù)，其基于電壓源型變流器的補(bǔ)償裝置，實(shí)現(xiàn)了無功補(bǔ)償方式質(zhì)的飛躍。它不再采用大容量的電容、電感器件，而是通過大功率電子器件IGBT管的高頻開關(guān)來實(shí)現(xiàn)無功能量的變換。它能夠?qū)崿F(xiàn)雙向、動(dòng)態(tài)無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)，既可補(bǔ)償系統(tǒng)中的感性無功，又可補(bǔ)償系統(tǒng)中的容性無功，穩(wěn)定系統(tǒng)電壓。它能達(dá)到全程范圍內(nèi)的連續(xù)無功補(bǔ)償，沒有盲區(qū)，使系統(tǒng)補(bǔ)償后的功率因數(shù)達(dá)到0.98以上，同時(shí)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償無功電流和諧波電流的雙重目標(biāo)。帶有SVG無功補(bǔ)償裝置的系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 帶有SVG無功補(bǔ)償裝置的系統(tǒng)

綜上所述，3種補(bǔ)償方案的補(bǔ)償效果接近，從經(jīng)濟(jì)指標(biāo)考慮，西安地鐵2號(hào)線采用集中式無功補(bǔ)償方案，補(bǔ)償裝置選用SVG動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置。

4 計(jì)量考核點(diǎn)對(duì)無功補(bǔ)償方案的影響

西安地鐵2號(hào)線供電系統(tǒng)由于電力部門對(duì)于計(jì)量考核點(diǎn)位置選取的變化，使得無功補(bǔ)償方案和無功補(bǔ)償?shù)脑O(shè)備容量也發(fā)生了大的變化。

4.1 計(jì)量考核點(diǎn)設(shè)在對(duì)側(cè)變電站饋線側(cè)

根據(jù)陜西省電力公司對(duì)地鐵2號(hào)線外部電源工程可行性研究報(bào)告的評(píng)審意見，最初把計(jì)量考核點(diǎn)放在地方變電站的110 kV饋線處。地鐵在初期輸送功率較小以及晚上低負(fù)載運(yùn)行的時(shí)候，系統(tǒng)要求對(duì)感性無功的補(bǔ)償容量不會(huì)超過電纜的充電容性無功，所以統(tǒng)計(jì)補(bǔ)償裝置容量時(shí)僅考慮線路系統(tǒng)空載情況下的最大容性無功，即:需要配置無功補(bǔ)償裝置容量=110 kV電纜充電無功+35 kV電纜充電無功－110 kV主變空載無功－35 kV側(cè)變壓器空載無功。

行政中心主站35 kVⅠ段母線要補(bǔ)償?shù)臒o功容量:

8.2+1.98 －0.315 －0.408=9.45(Mvar)

行政中心主站35 kVⅡ段母線要補(bǔ)償?shù)臒o功容量:

12.4+1.98 －0.315 －0.408=13.66(Mvar)

會(huì)展中心主站35 kVⅠ段母線要補(bǔ)償?shù)臒o功容量:

7.16+2.46 －0.315 －0.298=9.01(Mvar)

會(huì)展中心主站35 kVⅡ段母線要補(bǔ)償?shù)臒o功容量:

7.16+2.46 －0.315 －0.298=9.01(Mvar)

考慮到110 kV電纜的充電無功基本上是恒定的，因此無功補(bǔ)償方案采用了SVG(動(dòng)態(tài)補(bǔ)償部分)和電抗器(固定補(bǔ)償部分)相結(jié)合的辦法(SVG+電抗器補(bǔ)償方案)。一方面利用了SVG的先進(jìn)性，另一方面也考慮了方案的經(jīng)濟(jì)性。利用并聯(lián)電抗器去固定補(bǔ)償110 kV電纜的充電無功，使得電纜的充電無功基本平衡;再根據(jù)地鐵系統(tǒng)在晚上低負(fù)載運(yùn)行以及白天達(dá)到最大負(fù)荷運(yùn)行這兩種有代表性的狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)SVG的輸出容量，可保證所有運(yùn)行工況下的功率因數(shù)符合要求。SVG+電抗器容量配置如表1所示。

表1 SVG+電抗器容量配置

4.2 計(jì)量考核點(diǎn)設(shè)在地鐵主變電站側(cè)

西安地鐵公司在與西安供電局簽訂供用電協(xié)議時(shí)，供電局最后把計(jì)量考核點(diǎn)放在地鐵主變電站110 kV開關(guān)進(jìn)線側(cè)。由于考核點(diǎn)位置的變動(dòng)，兩座主變電站的110 kV外電源電纜的容性無功就不需要考慮。對(duì)2號(hào)線各種運(yùn)行工況的有功、無功進(jìn)行了計(jì)算，如表2所示。

表2 2號(hào)線在各種運(yùn)行工況下的有功、無功

從表2分析得出，只需要在兩座主變電站的Ⅰ、Ⅱ兩段35 kV母線上各并聯(lián)一套±2.4 Mvar的SVG設(shè)備(SVG補(bǔ)償方案)，就可以滿足電力部門對(duì)地鐵供電系統(tǒng)功率因數(shù)的要求。

5 無功補(bǔ)償方案的仿真計(jì)算

由于計(jì)量考核點(diǎn)設(shè)在地鐵110 kV開關(guān)進(jìn)線側(cè)，對(duì)行政中心主站的無功補(bǔ)償進(jìn)行了仿真計(jì)算。

5.1 空載狀態(tài)

在t=1s時(shí)刻投入 SVG，容量為2.4 Mvar，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 空載狀態(tài)功率因數(shù)變化波形

由圖4可以看出，在1 s時(shí)刻投入SVG后，上級(jí)110 kV側(cè)檢測(cè)點(diǎn)的功率因數(shù)由0.010增大到0.017，行政中心站110 kV側(cè)進(jìn)線端的功率因數(shù)由0.086增大到0.901。

5.2 低負(fù)載狀態(tài)

在 t=1 s時(shí)刻投入 SVG，容量為1.4 Mvar，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 低負(fù)載狀態(tài)功率因數(shù)變化波形

由圖5可以看出，在1 s時(shí)刻投入SVG后，上級(jí)110 kV側(cè)檢測(cè)點(diǎn)的功率因數(shù)由0.054增大到0.057，行政中心站110 kV側(cè)進(jìn)線端的功率因數(shù)由0.513增大到0.9(投入容量為1.6 Mvar時(shí)，功率因數(shù)增大到0.95)。

5.3 滿載工作狀態(tài)

由于滿載工作狀態(tài)時(shí)110 kV側(cè)進(jìn)線端功率因數(shù)大于0.9，SVG無需動(dòng)作，故不做仿真研究。

5.4 討論

由行政中心主站空載及低載工作狀態(tài)的仿真結(jié)果可以得出:在行政中心、會(huì)展中心主變電站的Ⅰ、Ⅱ兩段35 kV母線上各并聯(lián)一套±2.4 Mvar的SVG設(shè)備，可以完全滿足110 kV進(jìn)線側(cè)作為檢測(cè)點(diǎn)時(shí)的功率因數(shù)要求。

6 項(xiàng)目全壽命周期的經(jīng)濟(jì)性比較

根據(jù)西安地鐵與供電局簽訂的供用電協(xié)議，供電局要求地鐵公司應(yīng)按無功功率就地平衡的原則，功率因數(shù)在電網(wǎng)高峰時(shí)段應(yīng)達(dá)到0.9以上，功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)的考核標(biāo)準(zhǔn)為0.9。

在2號(hào)線前期的規(guī)劃設(shè)計(jì)中，行政中心、會(huì)展中心的主變電站近期要考慮與其他線路共享主變電站資源。根據(jù)電力部門功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)的辦法，通過仿真計(jì)算不同時(shí)期的負(fù)荷情況。如果不安裝無功補(bǔ)償裝置，2號(hào)線初期、近期因?yàn)楣β室驍?shù)不合格而產(chǎn)生的調(diào)整電費(fèi)如表3所示。

表3 2號(hào)線初期、遠(yuǎn)期調(diào)整電費(fèi)估算

項(xiàng)目全壽命按30年的周期考慮。2號(hào)線供電系統(tǒng)在SVG設(shè)備還未投運(yùn)階段，已經(jīng)因?yàn)楣β室驍?shù)而產(chǎn)生的調(diào)整電費(fèi)為435萬元?？紤]到初期10年、近期15年的規(guī)劃情況，安裝SVG無功補(bǔ)償裝置后就可以節(jié)約數(shù)額巨大的調(diào)整電費(fèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)備700多萬元的投資。

7 結(jié)語(yǔ)

對(duì)西安地鐵2號(hào)線供電系統(tǒng)無功補(bǔ)償方案的研究，主要從安裝無功補(bǔ)償裝置的必要性、無功補(bǔ)償?shù)姆桨高x擇、無功補(bǔ)償裝置的選型、無功補(bǔ)償裝置的容量、計(jì)量考核點(diǎn)的位置確定、項(xiàng)目全壽命周期的經(jīng)濟(jì)性比較進(jìn)行了分析，結(jié)果表明供電系統(tǒng)有必要進(jìn)行集中式無功補(bǔ)償，在行政中心主站、會(huì)展中心主站的Ⅰ、Ⅱ兩段35 kV母線上各并聯(lián)一套±2.4 Mvar的SVG設(shè)備。

以上所做的工作都是在2號(hào)線未投入運(yùn)行的情況下進(jìn)行的靜態(tài)研究，從理論計(jì)算和仿真結(jié)果基本一致的情況看，證明了方案研究的可行性。但無功補(bǔ)償裝置能否達(dá)到理想的補(bǔ)償效果，還需要在地鐵運(yùn)行的狀態(tài)下進(jìn)行檢驗(yàn)，必要時(shí)再對(duì)補(bǔ)償方案進(jìn)行優(yōu)化，以確保供電質(zhì)量，滿足設(shè)備的運(yùn)行需求。

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