曾委

摘 要：無功功率的動態(tài)調(diào)節(jié)在改善電網(wǎng)的電壓質(zhì)量、穩(wěn)定性以及安全和經(jīng)濟性方面起著重要的作用，地鐵工程的快速發(fā)展對地鐵供電系統(tǒng)無功補償裝置的動態(tài)性能、補償精度和設(shè)備可靠性提出了越來越高的要求，基于此，該文首先闡述了地鐵供電系統(tǒng)中傳統(tǒng)SVG補償方式的運用，然后介紹了磁控電抗器補償?shù)膬?nèi)涵，最后重點探討了磁控電抗器與SVG配合補償方式，以期為磁控電抗器與SVG配合補償在地鐵供電系統(tǒng)中的應用提供參考。

關(guān)鍵詞：MCR;SVG;地鐵供電系統(tǒng)

中圖分類號： TM714.3? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

隨著城市軌道交通的飛速發(fā)展，地鐵供電系統(tǒng)的重要性越來越高，對城市軌道交通供電系統(tǒng)的質(zhì)量要求也越來越高。因此，地鐵供電系統(tǒng)功率因數(shù)的高低決定了地鐵供電系統(tǒng)的供電質(zhì)量，對提升電能效益具有積極意義。但是在實際應用中，地鐵用電負荷隨時間呈現(xiàn)不均勻性，大量的感性負載及容性負載分部，使得地鐵供電系統(tǒng)的功率功率因數(shù)時刻在變化，地鐵的供電質(zhì)量有待提高。一般而言，供電管理部門會根據(jù)相關(guān)的電源管理規(guī)定確定功率因數(shù)，設(shè)置下限值。因此，積極有效地進行地鐵供電系統(tǒng)內(nèi)的無功補償，提高功率因數(shù)，成為現(xiàn)場應用研究的重點問題。

1 地鐵供電系統(tǒng)中傳統(tǒng)SVG補償方式介紹

現(xiàn)在比較常見的補償方式是在地鐵供電系統(tǒng)35 kV電源母線上，并聯(lián)SVG動態(tài)補償裝置和固定電抗器進行配合補償，固定電抗器為供電系統(tǒng)提供固定的感性無功，用于補償高壓電纜的容性無功。SVG動態(tài)無功補償裝置以大功率IGBT管為核心[1]，通過調(diào)節(jié)工作方式，可以補償容性無功，又可以補償感性無功。通常SVG通過連接變壓器接入35 kV母線，與系統(tǒng)電壓保持同頻、同相，通過調(diào)節(jié)輸出電壓的幅值與系統(tǒng)電壓幅值之間的關(guān)系來確定輸出功率的性質(zhì)，即當電壓幅度值高于系統(tǒng)側(cè)，則其作為容性運行，輸出容性無功功率，抬升網(wǎng)壓;反之當電壓幅度小于系統(tǒng)側(cè)電壓幅度時，其作為感性運行，輸出感性無功功率，拉低網(wǎng)壓。SVG動態(tài)無功補償裝置的優(yōu)點是響應時間快、工作范圍廣，缺點是控制復雜且成本高。采用SVG加固定電抗器的補償方式是將設(shè)備并接入35 kV中壓系統(tǒng)，補償?shù)娜萘坑邢轠2]。

2 磁控電抗器補償方式介紹

2.1 磁控電抗器電氣結(jié)構(gòu)與原理

磁控電抗器（MCR）是指磁閥式可控電抗器，是一種容量可調(diào)節(jié)的電抗器。磁控電抗器采用并聯(lián)方式接入110 kV系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)磁控電抗器的輸出容量實現(xiàn)對容性無功的補償。磁控電抗器的工作原理是通過改變電抗器內(nèi)直流電流的大小來改變鐵心的磁飽和度[3]，從而平滑地改變電抗值和電抗容量，實現(xiàn)容量的平滑調(diào)節(jié)。磁控電抗器的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

鐵芯電抗器的電感計算式：

式中：Ψ —磁鏈，Φ —磁通，I —電流，W— 繞組匝數(shù)，μr—相對磁導率，μ0—真空磁導率，l0—磁路長度，S0—磁路截面積。

根據(jù)公式，通過改變電抗器鐵芯磁路的磁導率μr，就可以達到調(diào)節(jié)電抗器電抗的目的。

磁控電抗器接入線路的電氣等效圖如圖2所示。

磁控電抗器通過控制保護裝置采樣110 kV線路側(cè)電流、電壓及電抗器回路的電流，實時計算系統(tǒng)內(nèi)無功功率，根據(jù)設(shè)定的運行方式自動計算補償目標值，通過調(diào)節(jié)勵磁裝置導通角的方式改變磁控電抗器鐵芯的磁導率，連續(xù)、自動地調(diào)節(jié)電抗器的輸出容量，達到補償系統(tǒng)容性無功的目的[4]。

2.2 磁控電抗器的應用方向

磁控電抗器可以實時動態(tài)地調(diào)節(jié)感性無功的大小，所以適用于補償供電系統(tǒng)中時刻變化的容性無功或者相間不平衡的容性無功。在實際應用中，通過與固定電容器組配合使用，可以進行動態(tài)的感性無功補償也可以補償固定的容性無功。對比固定電抗器補償?shù)姆绞?，可以實時調(diào)節(jié)感性無功的補償裝置，適用范圍更加廣泛。

3 磁控電抗器與SVG配合補償方式研究

3.1 實現(xiàn)策略

SVG作為可以補償容性無功與感性無功的裝置，具有精度高、響應速度快的優(yōu)點。磁控電抗器（MCR）作為單獨補償感性無功的裝置，具有補償容量大，可以自動調(diào)節(jié)感性無功大小的特點，相應速度方面比SVG略遜色些。因此將2種設(shè)備組合進行補償有2種控制方式。1）SVG控制裝置接收地鐵供電系統(tǒng)主變電所進線側(cè)的電壓、電流信號，并以電網(wǎng)側(cè)變電所110 kV出線電流為關(guān)鍵控制點，控制目標為考核點功率因數(shù)。磁控電抗器作為從控制設(shè)備，在實際運行中不做自主調(diào)節(jié)，設(shè)置為恒出力狀態(tài)，或者根據(jù)110 kV母線電壓分級調(diào)節(jié)無功出力，設(shè)置補償功率不大于設(shè)備的額定功率。2）磁控電抗器作為主控設(shè)備接收地鐵主變電所110 kV進線側(cè)的電壓、電流型號，以電網(wǎng)側(cè)變電所110 kV出線電流為關(guān)鍵控制點，控制目標為考核點功率因數(shù)。SVG以地鐵主變電所110 kV母線電壓及110 kV進線電流為關(guān)鍵控制點，控制目標為向110 kV系統(tǒng)輸送設(shè)定目標的功率。

3.2 性能指標

性能指標有5點。1）電抗器容量調(diào)節(jié)范圍1%～100%，無級調(diào)節(jié)，響應過渡時間不大于200 ms。2）電抗器正常工作時產(chǎn)生的諧波含量：5次≦5.0%，7次≦2%，11次≦1.2%。3）SVG裝置可實現(xiàn)大容量和無級補償，無功容量可連續(xù)調(diào)節(jié)平滑輸出。4）SVG裝置的動態(tài)響應時間不大于1 ms，裝置閉環(huán)響應時間不大于10 ms。5）保證系統(tǒng)補償后的功率因數(shù)大于等于0.95[5]。

4 配合補償方式的應用效果

成都地鐵某線路采用了SVG+磁控電抗器的補償方式，該項目在送電之后，單獨投用MCR可以起到一定的補償效果，在負載變化不大的送電初期，經(jīng)過調(diào)試可以很好地補償110 kV線路及地鐵系統(tǒng)內(nèi)的35 kV電纜產(chǎn)生的容性無功，功率因數(shù)能夠達到0.9以上。后期隨著地鐵系統(tǒng)各站點投入設(shè)備的增加及地鐵正式運行，負載的變化將更加復雜，SVG和磁控電抗器配合補償?shù)姆绞綄⒑芎玫卣{(diào)節(jié)地鐵供電系統(tǒng)側(cè)的無功功率，使功率因數(shù)始終保持在0.95以上的水平。

5 配合補償方式的應用前景展望

各大城市地鐵線路建設(shè)得越來越多，越來越密集，城市中心的電網(wǎng)負荷將難以滿足地鐵線路如此龐大的電能需求，不得不考慮從更遠的郊區(qū)電網(wǎng)變電所接電，遠距離高壓電纜輸電，需要的補償設(shè)備容量也將更大，在不同的電壓等級下進行補償是一種新的方式，而且傳統(tǒng)的將所有補償裝置集中于35 kV母線上，隨著補償裝置的運行，對系統(tǒng)電壓造成較大的波動，不利于其他設(shè)備的正常工作，將容量分散到不同的電壓等級，尤其是在110 kV等級的母線上進行補償，有利于35 kV電壓等級設(shè)備的正常運行。磁控電抗器作為可調(diào)節(jié)的感性無功補償裝置，較固定電抗器更有優(yōu)勢，而且磁控電抗器可以根據(jù)供電系統(tǒng)某一相的補償需要，進行差別補償，應用范圍更加廣泛，因此采取磁控電抗器與SVG配合補償?shù)姆绞?，在地鐵供電系統(tǒng)中有較好的應用前景。

6 結(jié)論

隨著城市軌道交通的飛速發(fā)展，對城市軌道交通供電系統(tǒng)的質(zhì)量要求也越來越高。該文探討了110 kV磁控電抗器與35 kV SVG配合補償?shù)姆桨福?jīng)現(xiàn)場實際應用，該方案能滿足地鐵供電系統(tǒng)對功率因數(shù)補償?shù)男枨?，提高了電能質(zhì)量，具有較好的適用性。

參考文獻

[1]廖鈞.城市軌道供電系統(tǒng)無功補償方案研究[D].成都：西南交通大學，2017.

[2]曾之煜.無功補償技術(shù)在地鐵供電系統(tǒng)的應用[J].都市快軌交通，2014，27（5）：101-103.

[3]樊恒飛.電氣化鐵道無功補償及諧波抑制研究[D].南昌：華東交通大學，2016.

[4]孫永革.基于磁控電抗器的城市軌道交通供電系統(tǒng)工程無功補償裝置研究[J].黑龍江科技信息，2017（16）：99-100.

[5]趙士碩.磁控電抗器動態(tài)無功補償裝置研究[D].北京：華北電力大學，2013.