唐仕其
（广州地铁集团有限公司运营事业总部，广东 广州 511430）
摘要：在当前我国城市化建设速度不断提升的背景下，城市范围不断扩大，城市轨道交通作为一种便捷快速的出行方式，逐渐成为城市居民出行的首选。而轨道交通在实际运行过程中需要消耗大量电力资源，因此加强对城市轨道交通无功补偿的研究在提升城市电网供电可靠性以及控制轨道交通运行成本方面具有重要意义。基于此，本文将以轨道交通长远规划视阈为切入点，对城市轨道交通无功补偿措施进行研究，希望对相关工作人员提供参考意见。
关键词：城市轨道交通；无功补偿；功率因素
引言：根据相关数据调查显示，截止到2018年末，全国范围内已经有34个城市轨道交通正式投入运营之中，总运行路线长度超过5000km，在建线路长度超过6000km。当前时代背景下，轨道交通已经成为城市居民绿色出行的首要选择，轨道交通人均耗能量仅为公交车的1/4。但是需要认识到的一点是，虽然城市轨道交通人均功耗较低，但是在运行量以及供电系统等方面影响下，耗电量依旧庞大。根据统计数据显示，仅北京市在轨道交通方面的总耗电量就达到14亿kW·h，占全市总耗电量的1.3%。根据相关研究发现，轨道交通运行初期，功率因数仅为0.8左右，大幅增加轨道交通耗电量。因此，当前阶段，行业内已经将提升功率因数与降低设备无功功率作为重点研究内容。
一、轨道交通设备无功功率
轨道交通体系中耗能设备主要包含牵引系统以及照明系统两部分，无功功率就产生在这两部分设备中。需要认识的一点是无功功率的含义是不对外做功，具体来讲，即是在电源中建立和维持旋转磁场所需的电力。电动机等电力设备在实际运行过程中需要通过电磁感应实现提升能量转换以及传输目的，这就要求消耗无功功率实现建立电磁场的目的[1]。
通常情况下，在对电力设备无功功率进行计算时通常采用Q来表示，数值大小可以利用电负荷的功率因素表示，具体计算可利用公式（1）进行。
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(1)
公式（1）中，Q表示电气设备实际运行中产生的无功功率；S表示电气设备运行中产生的视在功率；P表示电气传输的有功功率；表示功率因数。
在实际研究过程中，假设在S指标数值不变的情况下，功率因数计算所得结果数值偏低，且设备输出有功功率减少，那么就可以认为电源中有功功率P的有效利用率难以满足实际需求。实际系统容量利用率不足，进而导致发电设备与传输设备的性能下降，最终导致电气设备总体效率不足，发电与电力传输成本也随之提升。
更具当前国家制定的相应标准，城轨供电系统功率因数应达到0.9以上，而从实际情况来看，城轨牵引因使用24脉波整流机组，功率因数可被提升至95%以上，满足国家标准要求。而电力照明系统在实际运行过程中会产生大量无功功率，因此功率因数处于0.8以下。由此，在对城轨系统进行无功补偿设计时，车站运行能耗是重点工作部分。
二、城市轨道交通系统无功功率补偿形式
（一）并联固定电容模式
并联固定电容在实际应用过程中可以利用自身特性发生的容性无功功率中和电源系统运行中产生的武功功率，以此实现提升系统功率因数的目的。根据电容器的安装位置，可将将其划分为集中补偿、分组补偿以及局部补偿三种形式，补偿原理如图1所示。
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图1 并联固定电容安置位置示意图
如图1所示，集中补偿模式在实际应用过程中，需要在设备所有负载母线部分安置如C1所示电容器，以实现集中提升负载电能质量；分组补偿模式在实际应用过程中需要在符合条件的总线部分安置如图2所示电容器设备，进而实现提升设备电能转换功率效率的目的；局部补偿模式在实际应用过程中需要在设备负载范围内安置如图3所示电容器设备。
城轨供电系统在实际设计过程中普遍采用集中补偿模式，将电容器设备设置在降压变电所的400V母线之上。固定电容器补偿模式的优势在于操作较为简便，但是受容量固定等因素影响，在荷载端负载减少或是空窗期条件下，极易出现无功功率过偿现象[2]。且110kV以及35kV电缆产生的无功功率无法被系统中的无功功率抵消，低压侧固定电容的充电功率过大以及容性无功功率的提升将导致系统的电压也随之提升，最终导致无功功率返送。因此，当前我国城轨供电系统在设计初期均配备有固定电容补偿设备，但鲜有正式投入使用。
（二）SVG与电抗器混合补偿模式
当前阶段，我国城轨供电网络在实际应用过程中通常利用隔离变压器设备，将具备自换向功能的SVG设备连接到35kV总线之上。SVG设备在实际运行过程中可以实时对母线电流以及电压数据信息进行采集，利用信息技术优势对相关数据进行分析处理，并在此基础上发布相应控制限号，对电流、电压等进行调节，最终实现消除无功功率的目的。
当前SVG补偿模式主要包含固定功率因数补偿以及固定无功功率补偿两种。针对不同的补偿模式，SVG无功功率计算公式也有所差异。
固定无功功率补偿模式下，SVG的无功功率输出可以用于向110kV以及35kV总线输送无功功率，计算公式如公式（2）所示。
（2）
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固定功率补偿模式下，线路有功消耗可以忽略，PCC部分功率因数稳定为，计算公式如公式（3）所示。
(3)
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因此，在此模式下对SVG无功功率的计算可利用公式（4）进行。
（4）
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SVG模式在实际应用过程中，理想状态为两种模式无功功率处于相同状态。这种状态通常保持在城轨系统运营初期，随着后期运量的不断提升，这种理想状态会被逐渐打破，进而难以满足实际需求。因此，在实际设计无功补偿方案时，可以将SVG补偿模式与电抗器相结合，在地铁运营期间，利用SVG补偿根据城轨系统运行要求精确补充供电系统运行所需无功功率。而在城轨系统停运阶段，则利用并联入定电容组进行补偿，避免过度使用SVG补偿系统导致的额外耗能。
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图2 SVG与电抗器混合补偿模式
总结：综上所述，为切实提升城轨供电系统功率因数，降低城轨系统运行能耗，相关工作人员在实际工作过程中应采用SVG模式与电抗器混合的补偿模式，切实满足城市轨道交通长远发展对无功功补偿的要求，切实降低运营成本投入，为促进城轨企业平稳发展提供有力保障。
参考文献：
[1]周伟志.城市轨道交通供电系统无功补偿容量分析[J].机车电传动,2015,(004):68-70.
[2]苏法生. 分析城市轨道交通供电系统的无功补偿[J]. 建筑工程技术与设计, 2017,(014):2700-2700.