周健

摘要：在軌道交通建設(shè)的快速發(fā)展，三相四線配電系統(tǒng)中存在大量的單相負(fù)荷，一般在電氣設(shè)計(jì)之初通過(guò)對(duì)配置各相負(fù)載插座等方式來(lái)平衡三相負(fù)載，但由于單相負(fù)荷使用的隨機(jī)性等因素，會(huì)使得車站負(fù)荷三相不平衡問(wèn)題嚴(yán)重，由此產(chǎn)生的不平衡電流，迫切需要進(jìn)行不平衡補(bǔ)償，將三相負(fù)荷產(chǎn)生的不平衡電流平衡化，以降低對(duì)電網(wǎng)和用戶的危害。

關(guān)鍵詞：地鐵；低壓配電系統(tǒng)；不平衡補(bǔ)償

1地鐵低壓配電系統(tǒng)簡(jiǎn)介

地鐵的低壓配電系統(tǒng)即為地鐵車站內(nèi)的低壓負(fù)荷提供電力的系統(tǒng)，為動(dòng)力負(fù)荷提供電力的為動(dòng)力系統(tǒng)，為地鐵站照明提供電力的為照明系統(tǒng)。地鐵站點(diǎn)的負(fù)荷可以按照對(duì)電力的重要性分為三個(gè)等級(jí)：一級(jí)負(fù)荷用電可靠性要求較高，如專用通信設(shè)備、信號(hào)設(shè)備、應(yīng)急照明設(shè)備、消防泵、廢水泵、雨水泵、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)備等；二級(jí)負(fù)荷較為重要，一般高擴(kuò)非消防疏散用自動(dòng)扶梯、電梯、乘客信息系統(tǒng)、一般照明系統(tǒng)等；三級(jí)負(fù)荷相對(duì)來(lái)說(shuō)重要性較低，在進(jìn)行地鐵低壓配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)，應(yīng)當(dāng)對(duì)各類負(fù)荷的要求掌握清楚，以保障突發(fā)情況時(shí)的用電正常。

2不平衡補(bǔ)償原理

圖1所示為三相四線制不平衡負(fù)荷無(wú)功補(bǔ)償原理圖，右側(cè)所接為三相負(fù)載。通常情況下，Y形連接的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)可對(duì)系統(tǒng)的零序電流進(jìn)行補(bǔ)償最終使三相四線的配電系統(tǒng)中線中的電流與各相電壓同相位?！餍芜B接的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)由于其連接方式，能在補(bǔ)償負(fù)序電流的同時(shí)不產(chǎn)生零序電流，因此將Y形連接的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和△形連接的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行結(jié)合，就能使三相四線制系統(tǒng)達(dá)到真正的三相平衡。

圖1 不平衡負(fù)荷無(wú)功補(bǔ)償原理圖

假設(shè)系統(tǒng)三相電壓完全對(duì)稱，利用對(duì)稱分量法進(jìn)行分析，取電流的正序、負(fù)序、零序分量分別為I1，I2，I0，可以推導(dǎo)出零序電流補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)及負(fù)序電流補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中電流的各序分量。由于△型負(fù)序電流補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)對(duì)于線電流不產(chǎn)生零序分量，則有：

在此基礎(chǔ)上，再補(bǔ)充一個(gè)目標(biāo)方程即可確定方程組的解。

在本文中，按無(wú)功容量最小建立補(bǔ)償無(wú)功功率的平方和目標(biāo)函數(shù)為：

（4）

為使無(wú)功功率最小，則需：dF/dBYa=0。得到所需補(bǔ)償功率為：

（5）

式中PLa，PLb，PLc，QLa，QLb，QLc分別表示A、B、C三相負(fù)荷的基波有功功率和基波無(wú)功功率，可以通過(guò)功率變送器快速得出，從而在負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)方便地計(jì)算出新的無(wú)功補(bǔ)償值，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)負(fù)荷的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

3不平衡補(bǔ)償方案研究

靜止無(wú)功補(bǔ)償器SVC被廣泛應(yīng)用于配電系統(tǒng)電壓調(diào)整、改善功率因素等。固定電容器加可控電抗器（FC+CR）是最典型的SVC補(bǔ)償裝置，其中FC電路用來(lái)補(bǔ)償系統(tǒng)需要的容性無(wú)功，可控電抗器CR用來(lái)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)需要的感性無(wú)功，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無(wú)功的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

磁閥式可控電抗器MCR正是一種基于鐵芯磁飽和工作原理的電氣設(shè)備。在接入交流系統(tǒng)中之后，通過(guò)控制MCR晶閘管導(dǎo)通角改變勵(lì)磁繞組中直流電流的大小，就能連續(xù)的調(diào)節(jié)電抗器中鐵芯的磁導(dǎo)率，進(jìn)而調(diào)節(jié)電抗器無(wú)功容量。由于磁閥式可控電抗器的特殊小截面結(jié)構(gòu)，同TCR相比，MCR在很多方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。它具有較小的諧波，近似線性的伏安特性，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。因而在本文中研究可采用磁控式無(wú)功補(bǔ)償方案（FC+MCR）在理論分析的基礎(chǔ)上，利用MATLAB進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償仿真分析，基于容量最優(yōu)對(duì)稱分量法補(bǔ)償原理，計(jì)算得到所需的補(bǔ)償容量，通過(guò)控制電抗器導(dǎo)通角及固定電容器的投入，可以得到補(bǔ)償前后三相電流的仿真波形。

由仿真波形可以看出，在補(bǔ)償前三相電流的幅值和相位都不平衡，補(bǔ)償前的零線電流的幅值大概有35A；而在基于容量最優(yōu)的對(duì)稱分量法補(bǔ)償后，其三相電流的幅值和相位幾乎都達(dá)到了平衡，零線電流幅值不超過(guò)4A，因此驗(yàn)證了該補(bǔ)償方法能很好的補(bǔ)償系統(tǒng)的三相電流不平衡。

在仿真分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合相應(yīng)結(jié)構(gòu)及控制原理，研究相關(guān)的不平衡補(bǔ)償裝置控制策略。在設(shè)計(jì)補(bǔ)償裝置時(shí)，需先首先結(jié)合補(bǔ)償系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)，選用合適容量的補(bǔ)償器件，并配以相應(yīng)的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)裝置的不平衡補(bǔ)償功能。

基于MCR的MSVC是將FC與MCR進(jìn)行結(jié)合的一種無(wú)功補(bǔ)償方法。其中FC電路用來(lái)補(bǔ)償系統(tǒng)需要的容性無(wú)功，MCR用來(lái)補(bǔ)償系統(tǒng)需要的感性無(wú)功。在低壓配電系統(tǒng)中，可使用多個(gè)小容量的電容器分組進(jìn)行投切的模式來(lái)提供容性無(wú)功，將電容與可控電感一起串聯(lián)投入到系統(tǒng)中，這樣不僅可以對(duì)單相某次諧波電流進(jìn)行濾波的作用，還能減小電容器透切時(shí)的沖擊電流，從而保護(hù)電容器組。分組投切的電容器組在進(jìn)行投切時(shí)將會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生一定的沖擊。因此，需要對(duì)電容器組的投切順序和MCR的投入量的控制策略進(jìn)行研究。

以零序補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的A相為例，假設(shè)零序補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)A相需要提供的無(wú)功功率為Q。將電容器分兩組進(jìn)行投切，在提供容性無(wú)功的同時(shí)兼做3次和5次單調(diào)諧濾波器的作用。設(shè)3次電容器組投入時(shí)K1=1，其能夠提供的容性無(wú)功為QC1，5次電容器組投入時(shí)K2=1，其能夠提供的容性無(wú)功為QC2，MCR能夠提供的最大感性無(wú)功為-QMmax，MCR實(shí)際需要提供的感性無(wú)功為-QM。根據(jù)以上分析的補(bǔ)償原理和補(bǔ)償原則，最終零序補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)A相需要提供的無(wú)功補(bǔ)償量的控制策略為：

當(dāng)Q≤-QMmax，則K1=0，K2=0，-QM=-QMmax；

當(dāng)-QMmax

當(dāng)0

若QC1

若Q>（QC1+QC2），則K1=1，K2=1，-QM=0。

其他各相的零序及負(fù)序補(bǔ)償策略與上述相似，通過(guò)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)可控電抗器容量及電容器透切，即可較為穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的不平衡補(bǔ)償。

結(jié)束語(yǔ)

（1）本文提出一種基于對(duì)稱分量法的不平衡補(bǔ)償方案，可以有效地補(bǔ)償三相四線制配電系統(tǒng)的電流不平衡狀況。（2）提出采用FC+MCR的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償方案，來(lái)實(shí)現(xiàn)可靠的不平衡補(bǔ)償，并針對(duì)該補(bǔ)償方案的控制策略進(jìn)行了相應(yīng)的研究分析。

參考文獻(xiàn)

[1]張園園.杭州地鐵四號(hào)線楊家墩站動(dòng)力配電設(shè)計(jì)[D].華南理工大學(xué)，2016.