我國的城市軌道交通供電系統(tǒng)多數(shù)采用110kV/35kV主變電所集中供電方式，35kV中壓環(huán)網(wǎng)電纜（或電網(wǎng)接入的110kV高壓電纜）沿地鐵線路被敷設(shè)，其分布電容較大，會產(chǎn)生大量的容性無功功率。而容性無功易造成負載電壓損失或空載電壓升高，影響設(shè)備安全、經(jīng)濟運行。

昆明地鐵供電系統(tǒng)在主變電所安裝靜止無功發(fā)生器（static var generator, SVG），根據(jù)計量點處的無功特性進行動態(tài)集中補償，雖然實現(xiàn)了較高的網(wǎng)側(cè)（計量點處）功率因數(shù)，但存在晝夜負荷率相差較大，且SVG停機維護期間網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)急劇下降的問題。針對此類問題，昆明地鐵通過研究再生能饋裝置輸出無功功率的方式，實現(xiàn)分布式無功補償，初步尋找到了問題的解決方案。

1 地鐵供電系統(tǒng)無功特性

地鐵集中式供電系統(tǒng)通過主變電所將城市電網(wǎng)引入的110kV高壓電源降為35kV中壓電源，再經(jīng)中壓環(huán)網(wǎng)輸送至各個下級變電所。其主要無功源包括：整流器、主變壓器、中壓變壓器的感性無功以及電纜的容性無功。

1）整流器及變壓器無功特點

整流器及變壓器工作時產(chǎn)生感性無功。變壓器的無功功率包括鐵心的勵磁功率和線圈的漏磁無功功率，當(dāng)電壓不變時，鐵心勵磁功率為定值；線圈的漏磁無功功率與變壓器的負荷率有關(guān)。

2）中壓環(huán)網(wǎng)電纜無功特點

35kV中壓環(huán)網(wǎng)電纜產(chǎn)生的無功功率包括容性無功功率（QC）和感性無功功率（QL）。通常QC QL，故QL可忽略不計；QC與電纜長度成正比，當(dāng)電纜長度和電壓恒定時，QC也保持不變。

3）系統(tǒng)無功特性

地鐵供電系統(tǒng)的負荷波動性較大。在地鐵的運行過程中，用電負荷大，可抵消系統(tǒng)容性無功功率，表現(xiàn)為感性滯后無功，需補償容性無功功率的量較少；而地鐵停運期間，電纜產(chǎn)生的容性無功功率超過系統(tǒng)產(chǎn)生的感性無功功率，供電系統(tǒng)功率因數(shù)降低，處于無功倒送狀態(tài)，需進行大量感性無功補償。

2 SVG與能饋裝置的基本原理

2.1 SVG基本原理

SVG可通過實時的數(shù)據(jù)采集、計算和控制，動態(tài)跟蹤電網(wǎng)電能質(zhì)量變化，并根據(jù)變化情況動態(tài)調(diào)節(jié)無功輸出，實現(xiàn)負荷的連續(xù)調(diào)節(jié)，同時兼顧諧波濾波功能。

SVG的基本原理是通過調(diào)節(jié)逆變橋中IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）元器件的開關(guān)，控制直流逆變的電壓幅值和相位，生成與系統(tǒng)電壓成一定角差的信號注入電力系統(tǒng)，實現(xiàn)無功生成的目的。整個裝置相當(dāng)于一個調(diào)相電源，檢測系統(tǒng)的無功，快速、連續(xù)、平滑地發(fā)出大小相等、相位相反的無功，實現(xiàn)無功的就地平衡。SVG裝置的核心部分為逆變器，主電路原理及基本原理分別如圖1和圖2所示。

圖1 SVG主電路示意

圖2 SVG等效電路及基本原理

2.2 再生能饋裝置原理

地鐵電客列車運行特點包括站間運行距離短，運行速度高，頻繁起動及制動等。電客列車起動時需消耗大量電能，制動時再生大量電能，為減少制動能量在列車制動電阻上的耗散、抑制區(qū)間隧道內(nèi)溫度升高，通常在牽引變電所設(shè)置再生制動能量吸收裝置。

昆明地鐵3號線工程牽引供電系統(tǒng)采用中壓回饋型再生制動電能逆變回饋裝置（能饋裝置），能饋裝置的逆變器直流側(cè)與牽引變電所中的整流器直流母線相聯(lián)，交流進線接到交流中壓系統(tǒng)上，可實現(xiàn)將列車制動電能從DC 750V牽引系統(tǒng)逆變回饋到35kV中壓網(wǎng)絡(luò)，通過中壓網(wǎng)絡(luò)再分配、再利用，起到顯著的節(jié)能效果。

能饋裝置與SVG在主電路結(jié)構(gòu)上基本一致，均由三相逆變橋構(gòu)成。當(dāng)列車制動使直流電壓超過規(guī)定值時，開啟PWM（脈寬調(diào)制）控制功率器件IGBT工作，通過快速調(diào)節(jié)電流將直流母線側(cè)因列車制動產(chǎn)生的能量快速回饋到電網(wǎng)中，同時穩(wěn)定直流母線電壓，確保地鐵直流供電系統(tǒng)的穩(wěn)定。當(dāng)能饋裝置檢測到直流電流小于設(shè)定值時，能饋裝置退出運行，進入待機狀態(tài)，IGBT驅(qū)動脈沖封鎖。主電路圖如圖3所示。

能饋裝置的逆變橋結(jié)構(gòu)決定了此變流器具原理上有四象限運行的可能性，理論上講，只要通過控制逆變橋輸出交流側(cè)電壓幅值與相位，就可以獲得所需的有功（需直流側(cè)輸出或消納能量）和無功功率。

3 分布式無功補償方案

地鐵供電系統(tǒng)具有容性無功功率大、負荷波動性大的特點，存在反送無功功率的問題，必須合理設(shè)計補償方案。昆明地鐵采用集中式無功補償，在主變電所的35kV母線設(shè)置動態(tài)無功補償裝置，對整個供電系統(tǒng)的無功進行補償。

通過能饋裝置的運行工況分析，能饋裝置運行時可實現(xiàn)分別控制有功、無功功率，在滿足列車牽引、制動需求的同時，對中壓網(wǎng)絡(luò)進行無功補償。能饋裝置的交流側(cè)通過變壓器連接中壓網(wǎng)絡(luò)，基于每個牽引變電所配置能饋裝置的情況下，可利用其實現(xiàn)對中壓網(wǎng)絡(luò)的分布式無功補償，即在每個牽引變電所進行就地?zé)o功補償，提高整個供電系統(tǒng)的功率因數(shù)。

圖3 能饋裝置主電路示意圖（部分）

地鐵輸電線路較長，容性無功較大。在地鐵停運期間，供電系統(tǒng)用電負荷低，電纜的容性無功突出，導(dǎo)致功率因數(shù)較低。此時，再生能饋裝置處于待機狀態(tài)，設(shè)備溫度降低易發(fā)生凝露問題。利用再生能饋裝置輸出無功功率，實現(xiàn)供電系統(tǒng)的分布式無功補償功能，可大幅度提高能饋裝置利用率。

且通過能饋裝置輔助供電系統(tǒng)夜間無功補償，可使主變電所SVG的晝夜負荷基本持平，從而減少SVG容量設(shè)置甚至可以一定時期內(nèi)不設(shè)，提高系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性，降低夜間噪聲，避免SVG設(shè)備長時間處于滿負荷運行導(dǎo)致的超溫跳閘風(fēng)險以及能饋裝置晝夜溫差引起的凝露風(fēng)險。

4 初步效果

昆明地鐵在運營與非運營時段，都已經(jīng)開展了相關(guān)實驗。在設(shè)備供應(yīng)商的配合下，初步證實了利用能饋裝置進行無功補償?shù)目尚行耘c有效性，具體介紹如下。

昆明地鐵3號線供電系統(tǒng)采用35kV集中供電方式，在沙溝尾和放馬橋（放馬橋停車場內(nèi)）設(shè)主變電所，設(shè)牽引變電所15座（正線13座，石咀車輛段1座，放馬橋停車場1座）。主變電所內(nèi)設(shè)置SVG實現(xiàn)系統(tǒng)無功集中式補償，牽引變電所均設(shè)置了中壓回饋型再生能饋裝置。

以110kV沙溝尾主變電所供電區(qū)域為試點，SVG正常運行時，晝間（運營時段）輸出無功2～4Mvar，夜間（停運后）輸出無功5～6Mvar，晝夜波動較大。由于能饋裝置原設(shè)計工況為間歇運行，設(shè)備允許的間歇運行容量為3.6MVA，由于無功補償為持續(xù)運行，經(jīng)理論測算與現(xiàn)場實測，按25%～30%原設(shè)計容量在夜間投入無功補償。此工況下，設(shè)備散熱能力以及設(shè)備房的散熱條件，均滿足持續(xù)運行的要求。能饋裝置夜間投入輔助補償后，主變電所SVG負荷波動大幅度降低，實際觀察晝夜均未超過4Mvar。

能饋裝置在地鐵停運期間投入無功補償運行時，設(shè)備主要電氣部件的溫度較夜間待機狀態(tài)提升3℃～5℃，與晝間正常運行時的溫度基本保持一致，設(shè)備晝夜溫差減小。在地下空間采用機械通風(fēng)進行散熱的設(shè)備房內(nèi)，降低了環(huán)境變化引起凝露而導(dǎo)致設(shè)備故障的風(fēng)險。

在特殊情況下，如2018年主變電所設(shè)備擴容施工期間，設(shè)備施工導(dǎo)致SVG停役，對側(cè)計量點處功率因數(shù)急劇下降。基于能饋裝置的分布無功補償功能，該主變供電范圍內(nèi)的全部能饋裝置按無功補償工況投入，在SVG停役的一個電量計費周期內(nèi)，顯著提高了網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，避免了百余萬元的力調(diào)電費支出。

結(jié)論

地鐵供電系統(tǒng)晝夜工況差異較大，負荷變化快。通過系統(tǒng)無功功率的晝夜、高峰低谷變化規(guī)律分析，在能饋裝置具備調(diào)節(jié)運行工況的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行調(diào)整，初步形成系統(tǒng)能饋裝置及SVG設(shè)備運行的配合補償方案。該方案可以顯著提高設(shè)備裝置利用率，降低主所SVG負荷率，甚至?xí)和Ｖ魉鵖VG運行；減少能饋裝置的晝夜負荷變化，避免了設(shè)備夜間低溫凝露的風(fēng)險，減少維護工作量。

在已經(jīng)配置集中式無功補償系統(tǒng)的線路，能饋裝置的此種運行方式可作為集中式SVG停機期間的輔助補償措施。在此技術(shù)成熟運用的前提下，考慮到能饋裝置從原理上可同時實現(xiàn)能量回饋與無功補償?shù)倪\行工況，新建線路也可研究減少集中式SVG設(shè)置容量或不設(shè)集中式SVG的可能性。