摘 要：本文根据地铁某站点的应用实例，对现场排烟风机启动过程中系统电压跌落以及系统侧功率因数大幅度降低的情况进行测试，并对现场风机启动失败的原因进行了分析，最后给出投入无功补偿装置SVG的解决方案并对该方案进行了验证，给出现场测试结果。

关键词：地铁；系统电压跌落；功率因数，无功补偿装置；风机启动失败

0 引言

电力系统中的大量负荷如电机、整流设备在运行中需要大量的无功[1][2]，同时输配电网络中的变压器、线路也会产生一定的无功，导致系统功率因数降低。功率因数降低，一方面增加了供电线路的损失，从而必须增大供电线路的导线截面，增加了投资；另一方面电能质量、供电设备有效利用率也随之降低[3][4]。

低压配电系统中，在某些特殊情况下，需要采用远距离电缆对负载供电。在远距离电缆供电时，电缆压降与电缆中通过的电流成正比，电流越大，其电压损失越大，末端电压越低。对于大功率异步电机而言，其启动电流约为额定电流的5～8倍[5]，若采用远距离电缆供电时末端电压较低，电机往往启动困难。而无功补偿装置SVG相当于一个可变的无功电流源，能够迅速吸收或者发出所需要的无功功率，提高系统电压，保证设备能够正常运行。本文就地铁某站点的应用实例展开分析。

1 地铁应用实例概述

地铁某站点两组110kVA消防排烟风机供电电缆长达900m以上，电缆压降损失很大。排烟风机展示如图 1所示。

图 1 地铁某站点排烟风机

该排烟风机的额定功率为110kw。风机与系统的连接方式如图 2所示。软启动装置在启动过程中对风机启动瞬间的电流进行限制。

图 2 排烟风机与系统连接示意图

该地铁站排烟风机启动过程中，大量的无功投入电网，使得电缆末端电压严重跌落，软启动装置中的双电源发生自主切换，无法正常工作，导致风机启动失败。

2 排烟风机启动过程分析以及解决方案

2.1 风机启动过程分析

为设计控制方案，在投入无功补偿装置SVG前，首先对排烟风机的启动过程进行测试。如图 3、图 4、图 5所示分别为投入SVG装置前，风机启动过程三相交流电压、三相风机电流以及电网功率因数。

图 3 风机启动过程中三相系统电压

图 4 风机启动电流

图 5 风机启动过程中网侧功率因数

从图 3、图 4、图 5可以看出，在风机启动时，交流侧电压最低降到177.90V，跌落42V左右，最大启动电流达到684.2A，系统侧最低PF仅为0.0485，大量无功严重影响了风机启动期间的电能质量。系统侧电压跌落导致软启动装置无法正常工作，进而导致风机启动失败。

2.2 提高系统电压、改善功率因数策略分析

软启动装置的投入引入了谐波，启动电流中谐波含量约30%，那么根据图 4中电流测试结果可以得到启动电流中的无功电流为：     （1）

现场的软启动装置最低工作电压为190V，而投入无功补偿装置SVG前，系统电压跌落到178V左右，因此SVG必须保证能够通过补偿无功使得系统电压有12V左右的提升，那么启动过程中电网无功电流最大值为： （2）

根据（1）、（2）的计算，无功补偿装置SVG至少应提供136.84A的补偿电流； 另外，软启动装置的投入引入了部分谐波，通常情况下，若有足够的资金投入，应将该谐波以及启动电流中的无功成分完全补偿，保证风机的投入不会对电网造成任何影响。但是风机启动持续时间较短，且稳定运行的无功电流约125A，考虑到设计成本，最终给出了配备两台75A的SVG模块，并联补偿启动电流的方案。

基于上一小节的分析，方案中所配备的无功补偿装置容量远小于启动电流，那么如何保证在风机启动期间，无功补偿装置能够最大限度输出是关键。本文采用直流无功限幅的方式，具体控制流程如图 6所示。

图 6 直流无功限幅功能流程图

根据傅里叶变换，可以将任意周期性的函数表示成一系列正弦函数的线性叠加，如公式（3）所示。

  （3）

其中f(t)表示周期函数，即本文的负载电流，当n=1时，即得到负载电流中基波电流的有功及无功成分。

对数字控制而言，则通过DFT算法进行计算，如公式（4）所示。

 （4）

传统的电流限幅主要针对交流分量，这直接导致补偿电流超过限幅阀值后，出现电流削顶的现象，给电网引入大量的谐波，造成谐波污染。而本文通过对进行最大容量限幅后再恢复交流量，求取指令电流，这种限幅方式有效地抑制了补偿电流削顶的现象，避免谐波污染，并保证SVG始终处于最大出力状态。

3 实验结果与分析

3.1 模拟验证结果

根据地铁现场风机启动时的系统电压跌落情况，搭建模拟验证平台，通过在网侧与SVG之间串入电感，使得在负载投上瞬间，电缆末端电压有较大跌落，并在突加、突降大电流时系统电压的跌落进行监测，验证在系统电压大幅度跌落时SVG的运行状态，验证结果如图 7所示。

图 7 模拟风机启动验证结果

从图 7可以看出，系统电压跌落至峰值195V时，无功补偿装置仍然能够对负载无功进行补偿，以最大能力进行输出。

3.2 地铁现场验证结果

按照设计方案配备的无功补偿装置SVG与该站点排烟风机的连接示意图如图 8所示。从主变电站点经过一段较长的电缆，作为排烟风机、无功补偿装置的系统电压，风机通过软启动装置实现缓起，SVG经外部电流互感器采集风机电流，进行就地补偿，提高电缆末端电压，保证风机正常启动。

图 8 站点连接示意图

设备安装连接无误后，启动风机及其软启动装置，验证系统侧电压跌落改善情况，测试软启动装置是否正常运行，风机是否能够成功启动。实验结果如图 9、图 10、图 11、图 12、图 13所示。

图 9 风机启动时间

图 10 风机启动过程中SVG输出电流

从图 9、图 10可以看出，排烟风机启动耗时24s，风机启动后，启动电流不断增加，随后稳定在最大值处，整个过程中，无功补偿装置SVG均处于最大出力状态，且电流波形正弦度较高，未出现削顶现象。

图 11 风机启动过程中系统电压

图 12 风机启动过程中系统电流

图 13 风机启动过程中系统功率因数

从测试结果图 11、图 12、图 13可以看到，加入无功补偿装置后，系统电压有效值跌落至最低191V左右，较之加入SVG前系统电压有效值提高13V左右，网侧功率因数较之补偿前提高约0.13。风机启动完成后，无功电流大幅度降低，SVG完全补偿，实现网侧功率因数几乎为1，保证了风机的投入不造成电网功率因数的降低。

从以上验证结果来看，按照本文所述方案配备的无功补偿装置SVG能够解决地铁现场排烟风机无法启动的问题，并在风机完成启动后，使得网侧功率因数大大改善。

4 结语

地铁供电系统的电能质量问题是保证地铁供电安全的重要环节，无功补偿装置的投入能够一定程度地提高电缆末端电压，保证风机等负载顺利启动，同时能够有效改善网侧的功率因数，提高电能质量。

本文就地铁某站点的应用实例进行分析。风机软启动装置综合考虑有效性与经济性两个方面，提供相应的控制策略，并进行了验证，具有一定的参考价值。

5 参考文献

[1] 吴章辉. 地铁110kv主变电所SVG无功补偿. 电力科技, 2014, 20:157. 

[2] 钟 骏. 浅议动态无功补偿装置SVG在地铁供电系统中的应用. 铁道勘测与设计, 2009(3) : 84-86.

[3] 焦 劼. 地铁供电系统SVG装置的应用. 辽宁科技大学学报, 2013, 36(1): 43-47.

[4] 李辉. 基于DSP的无功补偿装置的研究与设计. 浙江大学硕士论文, 2004. 

[5] 胡育文,黄文新,张兰红. 异步电机起动发电系统的研究. 电机工程学报, 2006, 21(5): 7-13.

________________________

作者简介

仇志凌 男，1978年生，博士，研究方向为有源电能质量控制；

刘一希 女，1989年生，硕士，研究方向为电能质量控制技术；

万里强 男，1985年生，硕士，研究方向为电能质量控制技术；