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收稿日期：2015-02-18机  车  电  传  动
ELECTRIC DRIVE FOR LOCOMOTIVES №4, 2015  July 10, 2015
2015年第4期    2015年7月10日城市轨道交通供电系统无功补偿容量分析
周伟志
（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063）
作者简介：周伟志(1979-) 男，硕士，高级工程师，主要从事城市轨道交通供电系统设计。
摘 要 ：通过对轨道交通供电系统无功功率的分析，阐明了无功补偿容量计算应首先明确电能计量点和功率因数考核值，并应以线路运营初期负荷作为计算基础，紧扣月平均功率因数概念，并将低压有源滤波装置、逆变型再生能量吸收装置纳入无功补偿的一部分，以降低集中无功补偿安装容量，达到资源的合理配置。
关键词：城市轨道交通；供电系统；无功补偿；功率因数
中图分类号：U231；U223.5+
3        文献标识码 ：A      文章编号：1000-128X(2015)04-0068-03
doi ：10.13890/j.issn.1000-128x.2015.04.018
Analysis of Reactive Power Compensation Capacity in Urban
Mass Transit Power Supply System
ZHOU Weizhi
(China Railway Siyuan Suvey and Design Group Co., Ltd., Wuhan, Hubei 430063, China)
Abstract: A ccording to the reactive power analysis of urban mass transit supply system, it was expounded that for the reactive power compensation calculation, the power quality evaluation point and power factor value should be clear fi rstly, and the average monthly power factor calculation with initial operation load should be based, also, the low-voltage APF and regenerative energy absorption effected on the reactive power compensation should be considered too, which helped to reduce the installation capacity of concentration reactive compensation and reach reasonable resource con fi guration.
Keywords: urban mass transit; power supply system; reactive power compensation; power factor
城市轨道车辆
0 引言
目前国内大部分城市轨道交通均采用集中供电方
式，通过自建主变电所从城市电网引入110 kV 电源[1]
。为了避免主变电所功率因数达不到供电部门相关要求，缴纳高额的力率调整电费，新建主变电所基本上都设置了SVG 进行集中无功补偿。从已投运的SVG 装置运行情况来看，功率因数补偿效果明显，基本上都能
达到0.95以上，甚至达到１[2]
。
调研部分城市轨道交通主变电所SVG 的安装容量，发现各城市其安装容量差别较大，最小的有1.6 Mvar ，一般来说2.4～3.6 Mvar 相对普遍，但是也有个别城市出现8～10 Mvar 。设备容量增大后，工程建设
投资也相应增大，同时设备发热量和噪声也增大，现场值班环境恶化。本文首先定性分析轨道交通供电系统无功产生的机理，再从电能计量点、功率因数考核指标、
考核数值、设计年度选择以及系统其他设备对功率因数的影响等多个方面进行分析，确定无功补偿安装容量的计算方法和原则，达到设备容量的优化配置。
1 轨道交通供电系统无功功率分析
城市轨道交通供电系统主要包括输变电设备和用电设备，其用电设备按大类可以分为列车牵引和动力照明。供电系统中的无功功率也可按牵引负荷、动力照明和输变电设备等定性分析。
列车牵引：为感性负荷，由于采用24脉波整流方式，理论基波因数在0.989以上，不可调变流器的位移因数在0.95以上，因而其总功率因数可达0.96左右。
动力照明：主要产生感性无功。其中车站照明系统采用电子镇流器节能灯或 LED 照明，照明系统功率因数已达 0.9 以上；车站通风空调设备、电扶梯，因节能需要，采用了较多的变频设备， 动力负荷功率因数与传统方式相比，已由原来的早期0.7 左右提高到 0.9
以上。
输变电设备：主要包括各种电压等级变压器和电缆。变压器无功损耗为感性，约为额定容量的千分之几。电缆产生容性无功，由于其容性无功的大小与电压等级的平方、电缆的长度成正比。0.4 kV电缆尽管敷设量最大，但是容性无功相对较小，反而，轨道交通供电系统110 kV、35 kV电缆成为影响主变电所功率因数的最主要因素。
轨道交通运营时段，由于大量牵引负荷和动力照明负荷的投入，系统中除了有功功率外同时也产生一定比例的感性无功功率，对系统中电缆产生的容性无功功率进行中和，使系统的有功功率数倍于无功功率，系统功率因数一般在0.9以上；夜间停运期间，仅有少量的应急照明负荷、部分设备房间的小系统空调负荷和维修用电负荷，低压配电变压器负载率在5％左右，系统有功功率很小，同时产生的感性无功功率也很小，而电缆产生的容性无功功率基本上不变，系统处于容性无功倒送状态，功率因数一般在0.5以下。最终导致主变电所系统平均功率因数达不到电力部门的要求，遭受电力部门的。因此，在进行系统设计时，需要对系统中的无功功率进行定量分析，合理选择无功补偿安装容量[3-4]。
2 无功补偿容量的计算方法及原则
2.1 确定电能计量点的位置，明确补偿范围
电能计量点主要关系到110 kV电缆的充电无功是否纳入系统功率因数的考核范围，目前国内电能计量点的设置，主要有以下几种情况：
根据电力部门相关规定，电能计量点原则上设置在产权分界点。轨道交通主变电所110 kV电源线路均为轨道交通建设方投资建设，一般来说电能的计量点设置在城市220 kV（110 kV）变电所的出线处，功率因数考核需要包含110 kV电缆的充电无功。按此方式进行考核计量的城市有昆明、郑州等。
但也存在部分城市110 kV电缆线路由轨道交通建设方投资建设，建成投运后将110 kV电源线路资产移交供电公司，电能计量点设置在轨道交通主变电所的进线侧，110 kV电缆的充电无功可不纳入功率因数考核。按此方式进行考核计量的城市有上海、江苏等城市。
另外，当轨道交通主变电所无独立110 kV电源，与城市变电所共用单回电源，采用T接形式也是比较常见。这种情况下，电能计量点一般考虑设置在城市220 kV（110 kV）变电所的出线处。
电缆的充电功率可以按式（1）计算：
Q=U2×B×L（1）式中：Q—电缆充电无功功率，kvar；U—电缆电压，kV；B—电缆单位容抗，S/km；L—电缆长度，km。
查《电缆手册》110 k V电缆单位公里导纳约4.6158×10-5S/k m，每公里电缆的充电无功功率0.56 Mvar，数量相当可观。因此，在进行系统计算时首先应明确其考核范围，特别对于首次新建轨道交通的城市，应该与供电部门沟通并达成一致。
2.2 确定功率因数的考核标准值，明确补偿目标
国内功率因数考核的标准值主要有3种，分别为：0.80、0.85和0.90。《功率因数调整电费办法》对功率因数的标准值及其适用范围有说明：
功率因数标准0.90：适用于160 kVA以上的高压供电工业用户（包括社队工业用户）、装有带负荷调整电压装置的高压供电电力用户和3 200 kV A及以上的高压供电电力排灌站；
功率因数标准0.85：适用于100 kV A（千瓦）及以上的其他工业用户（包括社队工业用户），100 kV A（千瓦）及以上的非工业用户和100 kV A（千瓦）及以上的电力排灌站；
功率因数标准0.80：适用于100 kV A（千瓦）及以上的农业用户和趸售用户，但大工业用户未划由电业直接管理的趸售用户，功率因数标准应为0.85。
功率因数标准值是建设单位提交用电申请，确定用电性质（大工业用电或一般工商业供电）、与供电公司签订供用电协议时与供电公司共同协商确定，供电公司并根据确定的数值考核主变电所的功率因数，通过力率调整电费对轨道交通运营公司进行奖惩。因此功率因数标准值是无功补偿的目标值，应作为设计输入的基础资料。调研部分城市，采用0.85作为考核标准的城市较多。
2.3 初、近、远期补偿容量配置分析
城市轨道交通电气设备安装容量一般是按照远期负荷进行确定（如整流变压器、中压环网电缆等），或根据近、远期负荷计算确定，分期实施（如主变压器）。
无功补偿安装容量的确定应区别上述常规电气设备，根据轨道交通设计的初期来确定。随着客流的增长，
初、近、远全日行车对数是增长趋势，因此，月用电负荷即每月有功电度也是增长趋势；而无功电度主要来源于系统中电缆，仅仅与电缆长度及电压等级相关，对于已建成运营的轨道交通线路，每月无功电度可以视为常量。
因此，随着运营开通时间的推移，功率因数将逐渐升高。故无功补偿容量确定应按照初期负荷进行校核。
2.4合理利用月平均功率因数的概念，优化无功补偿安装容量
《功率因数调整电费办法》规定“凡实行功率因数调整电费的用户，应装设带有防倒装置的无功电度表，按用户每月实用有功电量和无功电量，计算月平均功率因数”。根据概念，首先计算（月）无功电量与(月)有功电量之比，即tgΦ=AQ/AP，再查tgΦ与cosΦ对照表，得月平均功率因数cosΦ值。
进行无功补偿安装容量计算应该紧扣月平均功率因数的概念，以（月）有功电量和（月）无功电量来计算，而不是以夜间停运后，系统中最大的容性无功作为补偿安装容量。下面尝试一个算例，出之间的差别。
算例：如图1所示，一座主变电所供电范围内的
周伟志：城市轨道交通供电系统无功补偿容量分析
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供电系统，主变电所向2个分区供电，35 kV 环网电
缆均为单芯铜电缆，截面积为240 mm 2
，单位容抗为
reactivepower
5.67×10-5
S/km 。列车为B 型车6辆编组[耗电14.4度电/（辆•公里）]，初期全日行车对数148对，均为地下车站[350万度电/（站•年）]，功率因数考核值为0.85。不考虑110 kV 电缆容性无功，变压器无功损耗及0.4 kV 充电无功忽略不计
如果按夜间停运，系统无功功率来校核，需要补偿感性无功455.7 kvar ；若按月平均功率因数的方式来校核，系统无须无功补偿。
表1 2个方案补偿容量计算分析表
2.5 挖掘系统其他设备潜力，降低集中补偿安装容量
随着电气技术的发展，越来越多的新技术、新设备被应用于轨道交通供电系统中。其中对供电系统功率因数相关的主要有2种设备，分别是低压有源滤波和逆变型再生能量吸收装置。
低压有源滤波装置：主要功能是滤除0.4 kV 侧各次谐波。同时，也可通过输出补偿电流实现对功率因数的调节。
逆变型再生能量吸收装置：主要功能是将列车制动的能量逆变至中压环网，为其他用电设备利用，达到节能的目的。同时，也可通过改变PWM 逆变器输出交流电压的幅值和相位，改变滤波电感上的电流，
进而在电源侧获得所需的有功和无功功率[5]
。
这2种设备在运行方式上有一个共同的特点：在白天运营期间，系统功率因数较高，各自负担起其主要功能；在夜间停运期间，系统已不再需要滤波及吸收列车制动能量等功能，这也正是系统向电力系统反送无功的时间。利用低压有源滤波装置和逆变型再生能量吸收装置调节系统无功切实可行。
系统有功功率系统容性无功功率系统功率因数目标功率因数补偿容量
567.5 kW 805.7 kvar 0.58 0.85455.7 kvar
月有功电度月无功电度系统功率因数目标功率因数
4 390 000 kW•h 2 384 304 kvar•h
0.88 0.85无须补偿
按最大无功功率补偿按月平均功率因数补偿      项目                参数值      项目                参数值根据系统中无功功率的大小，有源滤波器装置补偿容量可在0~额定功率中任意调节；再生能量吸收装置考虑其设备负荷特性，补偿容量可在0~0.5倍额定功率中任意调节。
2014年5~6月针对有源滤波及逆变型再生能量吸收装置对系统功率因数的影响，
在郑州市城市轨道交通1号线开通初期进行了现场测试，实际测试数据统计见表2。
注：①各车站有源滤波装置补偿容量为20套×60 kvar ；②逆变型再
生能力吸收装置补偿容量为2套（额定容量1 MV A ）×500 kvar ；③冷水机组功率因数约为0.9。
通过调节有源滤波装置和逆变型再生能量吸收装置感性无功的输出，以及夏季冷水机组感性负荷的投入使用，轨道交通1号线6月份月平均功率因数达到了其签订的《供用电合同》0.85的要求，避免了因功率因数不达标而需额外支付的力率调整电费。
3 结语
本文通过对轨道交通供电系统无功功率的分析，阐明了无功补偿容量计算应以不同城市轨道交通与供电公司之间的供用电协议、已明确的电能计量点和确定的功率因数考核值为前提；对补偿容量的初、近、远期的配置进行了分析，确定以线路运营的初期负荷作为计算基础；提出紧扣月平均功率因数概念，以有（无）功电度代替有（无）功功率，优化无功补偿容量；在无功补偿容量计算时，将低压有源滤波装置、逆变型再生能量吸收装置纳入无功补偿的一部分，以降低集中无功补偿安装容量，达到资源的合理配置。参考文献：
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［5］  朱士友，阮白水，全恒立，等.基于能馈式牵引供电装置的城
市轨道交通无功补偿策略[J].电工电能新技术，2013(4)：16-20.
表2 无功补偿及功率因数现场测试统计表
月份
5月
6月
有功电量/104 kW 538710无功电量/104 kvar 557349月平均功率因数0.6950.897再生补偿/104 kvar  072APF 补偿/104 kvar  086冷水机组补
偿/104
kvar  067图1
典型主变电所供电范围
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