轨道交通供电系统功率因数分析及补偿方案研究

2012年4月铁道工程学报

Apr2012文章编号：1006－2106（2012）04－0100－04

轨道交通供电系统功率因数分析及补偿方案研究

陈

飞

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（中铁二院工程集团有限责任公司，成都610031）

摘要：研究目的：近年来我国轨道交通建设事业迅猛发展，但功率因数问题一直是困扰轨道交通供电系统的重要问题，常常导致电力部门的高额罚款。为提高功率因数，需对无功补偿方案进行研究。在分析国内城市轨道交通供电系统无功补偿现状的基础上，通过对整个供电系统综合功率因数的分析计算，研究几种无功补偿方案，并最终确定一种新的综合无功补偿方案。研究结论：城市轨道交通线路的无功补偿方案应根据自身供电系统的实际情况，并通过综合功率因数分析计算或实测分析，来综合考虑采用高压、低压侧相结合的无功补偿方案；在条件允许时，建议采用主所设SVG+各车站变电所0．4kV侧设APF的综合补偿方案。关键词：轨道交通；供电系统；功率因数；无功补偿中图分类号：U231+．8文献标识码：A

AnalysisofPowerFactorforPowerSupplySystemofUrbanRailTransitandResearchontheMethodofCompensation

CHENFei

（ChinaRailwayEryuanEngineeringGroupCo．Ltd，Chengdu，Sichuan610031，China）

Abstract：Researchpurposes：Inrecentyears，therapiddevelopmentofUrbanRailTransit，butthepowerfactorisaimportantquestiontopowersupplysystemofUrbanRailTransit，oftenleadingtoheavyfines．Toimprovethepowerfactor，itisnecessarytoresearchthemethodofreactivepowercompensation；Basedontheanalysisofdomesticpowersystemreactivepowercompensationandcalculationoftheintegratedpowerfactortothewholepowersupplysystem，severalmethodsofreactivepowercompensationareresearched，andprovidedanewmethodofreactivepowercompensation．

Researchconclusions：Themethodofreactivepowercompensationshouldbeaccordingtotheactualsituationoftheirownpowersupplysystem，throughthecomprehensivepowerfactorcalculationoractualanalysis，andthemethodtoconsiderhighvoltageandlowvoltageisadvised．Ifconditionsallow，itissuggestedthatthemainpowersubstationwithSVG+stationsubstation0．4kVsidewithAPF．

Keywords：UrbanRailTransit；powersupplysystem；powerfactor；reactivepowercompensation

1城市轨道交通供电系统集中供电方式2无功补偿现状概述

集中供电方式是指城市轨道交通设置专用主变电所，将来自城市电网的电源（通常为110kV电压等级）降压后通过中压供电网络向城市轨道交通供电系统供电，如图1所示。目前，国内绝大部分城市已建和规划的轨道交通线路均采用了该供电方式。

轨道交通用电负荷分为牵引负荷和动力照明负荷

两类，牵引负荷功率因数较高，通常在0．95以上。由于动力、照明配电系统存在大量感性负荷，功率因数较低，一般在0．7～0．8左右。根据供电部门的相关规电力用户应按分区、分层、分变电所进行无功补偿，定，



收稿日期：2011－12－21

1980年出生，作者简介：陈飞，男，工程师。

第4期陈飞：轨道交通供电系统功率因数分析及补偿方案研究

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图1某线集中供电方式供电系统图

实现无功就地平衡，高压用户的功率因数要达到0．9以上，同时应防止无功反送。传统的轨道交通无功补偿方案一般是在变电所0．4kV侧设置电容补偿装置，对大量感性的动力照明无功负荷进行补偿，使其补偿后功率因数达到0．9；或者系统不采取任何无功补偿措施。采用这两种方式以后，在电源端均可能会存在无功过补偿的问题。过补偿的危害往往比欠补偿更严重。过补偿使功率因数角超前、无功功率向电力系统倒送，将抬升上级配电变压器的出口电压，增加有功功率损耗，增加谐波震荡的发生几率以致造成电网伤害。

产生过补偿的根源，一般是整个系统不采取任何无功补偿措施或者制定无功功率补偿方案时，根据补偿后功率因数不小于0．9设计指标，简单地采用0．4kV母线电容集中补偿方式，忽视了中压网络电缆电容、牵引负荷等潜在因素的影响。

某主变电所夜间功率因数实测数据曲线如图2所示。据调研，一般轨道交通线路白天运营时刻，基本能满足电力部门对高压用户功率因数不小于0．9的要求；但夜间停运后或者运营初期，由于负荷较小和中压环网电缆充电无功的影响，产生了大量的容性无功功率，倒送到电力系统，功率因数最低只有0．3左右，大大低于0．9的要求。因此，需对轨道交通供电系统的功率因数进行综合研究分析，制定一个合理的无功补偿方案。

图3

图2

某主变电所夜间功率因数实测数据曲线图

系如图3（a）所示，各车站变电所从主变电所的中压母

线经过一条输电线路引入电源。其中输电线路可用∏形等值电路代替，变压器可用Γ形等值电路代替，如图3（b）所示

。

等效电路图

图3为一个变电所的等效电路，在进行有多个变电所的中压网络等效模型变换时，方法与此相同。从等效电路可以看出，系统综合功率因数计算主要包括：负荷有功、无功计算、变压器无功损耗计算、电缆线路无功计算。的充电无功计算和电缆损耗的有功、

3功率因数分析计算模型及方法

轨道交通供电系统变电所与线路、

负荷的简单关

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3．1

负荷有功、无功计算Pf=ScosφQf=Ssinφ3．2

变压器无功损耗计算变压器空载无功功率：Qb0=变压器负载无功功率：Qbs=

铁道工程学报2012年4月

并通过分组投切电容器将0．4kV侧补偿装置的容量，

负荷功率因数补偿到0．9以上。同时为补偿在夜间停在主变电所内运期间以及运营初期大量的容性无功，

设置电抗器，通过电抗器抵消无功电容，但该电抗器的

0e2

）－P20

100

2

P+Q

Xb

U2e

2

（

发热量比较大，且解决无功电容的效果不理想。因此，该方案并未真正解决无功补偿与运营低谷时段过补偿的矛盾问题。4．2

主所设SVG方案

该方案在主变电所内设置SVG装置（动态无功补该装置既可以发出无功，又可以吸收无功，偿装置），

可实现感性、容性无功双向的平滑调节，以保持主变电所及电力系统考核点处实时稳定的高功率因数。

SVG动态无功补偿装置以三相大功率电压逆变器为核心，其输出电压通过变压器或连接电抗器接入与系统侧电压保持同频、同相，通过调节其输出系统，

电压幅值与系统电压幅值的关系来确定输出功率的性当其幅值大于系统侧电压幅值时输出容性质与容量，

无功

，小于时输出感性无功，以实现动态无功补偿的目的

。其原理如图4所示。三种运行模式概况如表1所示。

变压器无功损耗：Qb=Qb0+Qbs

——变压器空载电流百分值；式中I0%—

Se———变压器额定容量（kVA）；P0———变压器空载有功损耗（kW）；Ue———变压器额定电压（kV）；Xb———变压器感抗。

3．3

电缆充电无功及损耗的有功、无功计算

2

电缆充电无功功率：QCD=2πfC0ULP2+Q2

RX电缆损耗的有功功率：PY=

U2e电缆损耗的无功功率：QX=3．4

P+Q

XX

U2e

2

2

综合功率因数计算

综合有功电量：P∑=（Pf+PX）·t

综合无功电量：Q∑=（Qf+Qb+Qx+QCD）·t

P∑

综合功率因数：cosφ=∑+Q∑4无功补偿方案研究

通过对供电系统无功补偿现状分析，并对整个系

统综合功率因数进行分析计算，提出以下几种无功补偿方案进行研究。

4．10．4kV侧设可分组投切的电容补偿装置+主变电所设电抗器方案

该方案以高峰时段动力照明负荷来计算配置电容

图4

SVG工作原理示意图

第4期陈飞：轨道交通供电系统功率因数分析及补偿方案研究

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该方案的优点是：实现了感性、容性无功的实时动

提高了主变电所及电力系统考核点处的态双向调节，

免除了电力部门每月数十万的罚款，同时还功率因数，

可滤除主变电所出口处部分谐波；但对各车站变电所0．4kV侧动力照明系统内部的无功及谐波问题未采取措施。

4．3主所设SVG+各车站变电所0．4kV侧设APF方案

该方案是一个高、低压侧相结合的综合无功补偿方案，即在主变电所设置SVG装置的同时，在各车站变电所0．4kV侧设置APF装置（有源滤波装置）。

APF装置通过实时检测负载电流波形，得到需要补偿的谐波电流成分，并将其反向，通过控制IGBT的触发，将反向电流注入供电系统，实现滤除谐波功能。同时，还可提供超前或滞后的无功电流，用于提高动照

实现动态无功补偿。其原理如图5所负荷功率因数，

示

。

的条件，待运营后根据运营需求及实测数据来确定是否设置APF装置。

5结论

综上所述，城市轨道交通线路的无功补偿方案应根据自身供电系统的实际情况，并通过综合功率因数分析计算或实测分析，来综合考虑采用高压、低压侧相

建议采用主所设结合的无功补偿方案；在条件允许时，

SVG+各车站变电所0．4kV侧设APF的综合补偿方案。

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图5APF原理示意图

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GB/T

14549—1993，Quality

of

Electric

Supply

HarmonicsinPublicSupplyNetwork［S］．

本方案通过主变电所内的SVG装置提高电力系

统考核点处的功率因数并滤除部分谐波，以免受电力部门的高额罚款；同时通过各变电所0．4kV侧就地设置APF装置，滤除动照负荷的谐波，提高其功率因数，改善了低压网络的电能质量。

虽然此方案从整个供电系统网络看，提高电能质量效果最好，但其投资较大，且在0．4kV侧设置APF装置的直接经济效益没有在主变电所内设置SVG装置的直接经济效益大，因此，可考虑在主变电所内设置SVG装置，在各车站变电所0．4kV侧预留设置APF

（编辑赵立兰）

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/e5n1.html