我國的城市軌道交通供電系統多數采用110kV/35kV主變電所集中供電方式，35kV中壓環網電纜（或電網接入的110kV高壓電纜）沿地鐵線路被敷設，其分布電容較大，會產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，影響設備安全、經濟運行。

昆明地鐵供電系統在主變電所安裝靜止無功發生器（static var generator, SVG），根據計量點處的無功特性進行動態集中補償，雖然實現了較高的網側（計量點處）功率因數，但存在晝夜負荷率相差較大，且SVG停機維護期間網側功率因數急劇下降的問題。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 地鐵供電系統無功特性

地鐵集中式供電系統通過主變電所將城市電網引入的110kV高壓電源降為35kV中壓電源，再經中壓環網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。

2）中壓環網電纜無功特點

35kV中壓環網電纜產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，當電纜長度和電壓恒定時，QC也保持不變。

3）系統無功特性

地鐵供電系統的負荷波動性較大。在地鐵的運行過程中，用電負荷大，可抵消系統容性無功功率，表現為感性滯后無功，需補償容性無功功率的量較少；而地鐵停運期間，電纜產生的容性無功功率超過系統產生的感性無功功率，供電系統功率因數降低，處于無功倒送狀態，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可通過實時的數據采集、計算和控制，動態跟蹤電網電能質量變化，并根據變化情況動態調節無功輸出，實現負荷的連續調節，同時兼顧諧波濾波功能。

SVG的基本原理是通過調節逆變橋中IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）元器件的開關，控制直流逆變的電壓幅值和相位，生成與系統電壓成一定角差的信號注入電力系統，實現無功生成的目的。整個裝置相當于一個調相電源，檢測系統的無功，快速、連續、平滑地發出大小相等、相位相反的無功，實現無功的就地平衡。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、抑制區間隧道內溫度升高，通常在牽引變電所設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與牽引變電所中的整流器直流母線相聯，交流進線接到交流中壓系統上，可實現將列車制動電能從DC 750V牽引系統逆變回饋到35kV中壓網絡，通過中壓網絡再分配、再利用，起到顯著的節能效果。

能饋裝置與SVG在主電路結構上基本一致，均由三相逆變橋構成。當列車制動使直流電壓超過規定值時，開啟PWM（脈寬調制）控制功率器件IGBT工作，通過快速調節電流將直流母線側因列車制動產生的能量快速回饋到電網中，同時穩定直流母線電壓，確保地鐵直流供電系統的穩定。當能饋裝置檢測到直流電流小于設定值時，能饋裝置退出運行，進入待機狀態，IGBT驅動脈沖封鎖。主電路圖如圖3所示。

能饋裝置的逆變橋結構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電壓幅值與相位，就可以獲得所需的有功（需直流側輸出或消納能量）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母線設置動態無功補償裝置，對整個供電系統的無功進行補償。

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，對中壓網絡進行無功補償。能饋裝置的交流側通過變壓器連接中壓網絡，基于每個牽引變電所配置能饋裝置的情況下，可利用其實現對中壓網絡的分布式無功補償，即在每個牽引變電所進行就地無功補償，提高整個供電系統的功率因數。

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，供電系統用電負荷低，電纜的容性無功突出，導致功率因數較低。此時，再生能饋裝置處于待機狀態，設備溫度降低易發生凝露問題。利用再生能饋裝置輸出無功功率，實現供電系統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容量設置甚至可以一定時期內不設，提高系統運行的經濟性，降低夜間噪聲，避免SVG設備長時間處于滿負荷運行導致的超溫跳閘風險以及能饋裝置晝夜溫差引起的凝露風險。

4 初步效果

昆明地鐵在運營與非運營時段，都已經開展了相關實驗。在設備供應商的配合下，初步證實了利用能饋裝置進行無功補償的可行性與有效性，具體介紹如下。

昆明地鐵3號線供電系統采用35kV集中供電方式，在沙溝尾和放馬橋（放馬橋停車場內）設主變電所，設牽引變電所15座（正線13座，石咀車輛段1座，放馬橋停車場1座）。主變電所內設置SVG實現系統無功集中式補償，牽引變電所均設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。由于能饋裝置原設計工況為間歇運行，設備允許的間歇運行容量為3.6MVA，由于無功補償為持續運行，經理論測算與現場實測，按25%～30%原設計容量在夜間投入無功補償。此工況下，設備散熱能力以及設備房的散熱條件，均滿足持續運行的要求。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，設備主要電氣部件的溫度較夜間待機狀態提升3℃～5℃，與晝間正常運行時的溫度基本保持一致，設備晝夜溫差減小。在地下空間采用機械通風進行散熱的設備房內，降低了環境變化引起凝露而導致設備故障的風險。

在特殊情況下，如2018年主變電所設備擴容施工期間，設備施工導致SVG停役，對側計量點處功率因數急劇下降。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，顯著提高了網側功率因數，避免了百余萬元的力調電費支出。

結論

地鐵供電系統晝夜工況差異較大，負荷變化快。通過系統無功功率的晝夜、高峰低谷變化規律分析，在能饋裝置具備調節運行工況的基礎上，根據現場實測數據進行調整，初步形成系統能饋裝置及SVG設備運行的配合補償方案。該方案可以顯著提高設備裝置利用率，降低主所SVG負荷率，甚至暫停主所SVG運行；減少能饋裝置的晝夜負荷變化，避免了設備夜間低溫凝露的風險，減少維護工作量。

在已經配置集中式無功補償系統的線路，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。在此技術成熟運用的前提下，考慮到能饋裝置從原理上可同時實現能量回饋與無功補償的運行工況，新建線路也可研究減少集中式SVG設置容量或不設集中式SVG的可能性。