高江魁

0 引言

磁控電抗器（MCR）基于磁飽和原理，主要用于動(dòng)態(tài)調(diào)整無功功率，保持系統(tǒng)供電線路、輸電線路的電壓穩(wěn)定。MCR同時(shí)具有可靠性高、經(jīng)濟(jì)性好、適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)，目前在礦場(chǎng)電能質(zhì)量治理、電網(wǎng)變電站、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)等領(lǐng)域發(fā)揮作用。

地鐵負(fù)荷具有波動(dòng)、不平衡等特性，隨著外電線路長(zhǎng)度不斷增加，僅采用靜止無功發(fā)生器（SVG）已不能滿足地方電網(wǎng)對(duì)地鐵關(guān)于電能質(zhì)量的要求。針對(duì)此類問題，文獻(xiàn)[1，2]從MCR的數(shù)學(xué)模型入手，分析其工作和控制特性，通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)控制效果，證明其滿足系統(tǒng)的無功補(bǔ)償需求；文獻(xiàn)[3]分析并闡述了新型MCR控制原理，通過調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)角控制直流偏磁，調(diào)節(jié)電抗值實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)無功輸出的目的；文獻(xiàn)[4]分析MCR的35 kV動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償系統(tǒng)，并進(jìn)行實(shí)地測(cè)試驗(yàn)證其正確性，同時(shí)也指出了MCR對(duì)于系統(tǒng)無功控制的功能和控制方式存在進(jìn)一步完善以實(shí)現(xiàn)綜合最優(yōu)控制的空間；文獻(xiàn)[5]分析MCR與FC聯(lián)合補(bǔ)償裝置的模型，模擬仿真在系統(tǒng)電壓異常時(shí)采取緊急無功補(bǔ)償控制抑制系統(tǒng)電壓突變，所得數(shù)據(jù)與預(yù)期相符。

MCR也有其自身局限性。由文獻(xiàn)[3]、文獻(xiàn)[6]可知，無論MCR是自勵(lì)式還是他勵(lì)式，都存在響應(yīng)速度慢的情況，間接導(dǎo)致了控制系統(tǒng)振蕩波動(dòng)增大、系統(tǒng)穩(wěn)定性降低等不良后果。文獻(xiàn)[7]分析MCR構(gòu)成的磁控式動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，闡述了響應(yīng)速度對(duì)快速動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)挠绊憽?/p>

本文主要針對(duì)地鐵主變電所的無功補(bǔ)償進(jìn)行討論分析。根據(jù)MCR工作特性及控制特性，在地鐵供電系統(tǒng)中與SVG相互配合，通過改善控制策略提出不同的無功補(bǔ)償方案，在實(shí)際工程中進(jìn)行研究、試驗(yàn)和分析，最后根據(jù)實(shí)際工況優(yōu)化控制策略改善系統(tǒng)環(huán)境，并驗(yàn)證所提方案的有效性、正確性和經(jīng)濟(jì)性。

1 MCR基本結(jié)構(gòu)及工作原理

MCR的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖1所示，為單相四柱式結(jié)構(gòu)，繞組上、下部區(qū)均設(shè)有中間抽頭，兩中間抽頭之間通過晶閘管連接，兩柱間接有續(xù)流二極管。

由文獻(xiàn)[3]可知MCR工作原理，施加勵(lì)磁電流改變鐵心磁路的磁導(dǎo)率μ，達(dá)到調(diào)節(jié)電抗器電抗的目的。對(duì)圖1進(jìn)一步簡(jiǎn)化，可得如圖2所示的MCR接線示意圖。

圖1 單相MCR結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 單相MCR接線示意圖

電抗器電感的計(jì)算式如下：

式中：Ψ為磁鏈；Φ為磁通；I為電流；W為匝數(shù)；μ為相對(duì)磁導(dǎo)率；μ0為空氣磁導(dǎo)率；l0為磁路長(zhǎng)度；S0為磁路橫截面積；R0為磁路磁阻。

結(jié)合式（1）及式（2），根據(jù)圖1、圖2可知，施加交變電壓e(t)，T1、T2導(dǎo)通，通過調(diào)節(jié)T1、T2導(dǎo)通角的大小，可以調(diào)整勵(lì)磁電流的大小，最終實(shí)現(xiàn)容量調(diào)節(jié)。

2 地鐵動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償分析及控制策略

2.1 地鐵無功補(bǔ)償

地鐵無功補(bǔ)償需求主要由牽引負(fù)荷、電纜及變壓器、動(dòng)力及照明負(fù)荷組成。牽引負(fù)荷部分功率因數(shù)相對(duì)穩(wěn)定且較高，一般為0.95以上；電纜及變壓器在供電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的無功基本穩(wěn)定；動(dòng)力及照明負(fù)荷涉及多個(gè)用電系統(tǒng)，功率因數(shù)一般為0.5～0.8，這部分功率因數(shù)屬于較難控制部分。

地鐵主變電所多采用SVG進(jìn)行無功補(bǔ)償。MCR和SVG的技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比見表1。

表1 無功補(bǔ)償方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比

由表1可知，MCR、SVG均能滿足無功補(bǔ)償需求。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)一定，負(fù)荷側(cè)母線電壓受到無功補(bǔ)償裝置自身的參數(shù)、容量的影響。

2.2 MCR動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償控制分析

文獻(xiàn)[8]分析了在既有無功補(bǔ)償裝置的條件下增加MCR后的效果，結(jié)果表明補(bǔ)償效果顯著提高。文獻(xiàn)[9]、文獻(xiàn)[10]分別基于實(shí)際項(xiàng)目，具體分析MCR的無功補(bǔ)償能力，提出了現(xiàn)場(chǎng)特性試驗(yàn)新方法、參數(shù)調(diào)節(jié)方法及控制策略，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，為類似項(xiàng)目提供了參考。

以目前國(guó)內(nèi)某城市已正式運(yùn)營(yíng)的線路為例，圖3為該線路系統(tǒng)配置示意圖。

圖3 系統(tǒng)配置示意圖

正常情況下，110 kV母線分列運(yùn)行，牽引變壓器為一主一備；電力變壓器分列運(yùn)行，且35 kV母聯(lián)開關(guān)正常情況下斷開運(yùn)行。

由于功率因數(shù)考核點(diǎn)在對(duì)側(cè)變電所的出線點(diǎn)，本側(cè)選擇MCR進(jìn)行功率因數(shù)補(bǔ)償，并且功率因數(shù)的采樣點(diǎn)選擇本站側(cè)，在進(jìn)行功率因數(shù)補(bǔ)償時(shí)通過對(duì)側(cè)出線點(diǎn)與線路充電功率換算得到。實(shí)際補(bǔ)償時(shí)，從對(duì)側(cè)變電所、本側(cè)檢查發(fā)現(xiàn)，僅依靠MCR或SVG單獨(dú)工作，不足以滿足補(bǔ)償需求，二者需進(jìn)行配合補(bǔ)償，滿足出線點(diǎn)的功率因數(shù)要求。

3 MCR及SVG動(dòng)態(tài)無功組合式補(bǔ)償控制策略

SVG容量相對(duì)較小但控制精度高，MCR容量相對(duì)較大、調(diào)節(jié)范圍廣但相比SVG精度低，同時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)負(fù)荷情況，有無列車運(yùn)行、負(fù)荷用電量的大小、35 kV電壓等級(jí)側(cè)負(fù)荷接入情況、兩套裝置單獨(dú)控制模式下產(chǎn)生無功對(duì)沖等情況，均應(yīng)予以考慮，優(yōu)化控制方案如下。

3.1 控制方案一

考慮到MCR整體穩(wěn)定性較高且容量可調(diào)范圍較大，以其為主要控制裝置，容量調(diào)節(jié)的范圍較大，因此可以將SVG裝置作為輔助補(bǔ)償裝置，MCR作為主要補(bǔ)償裝置，通過精確核算不同負(fù)荷條件時(shí)MCR滿發(fā)狀態(tài)下與考核點(diǎn)功率因數(shù)之間的無功功率差值，SVG以恒無功方式補(bǔ)償這部分無功功率差值并留有一定的無功功率裕量，調(diào)整無功目標(biāo)值。該方案是根據(jù)對(duì)側(cè)變電所與MCR無功裕量以及相關(guān)的電氣參數(shù)計(jì)算得到無功補(bǔ)償?shù)男拚浚赟VG本地計(jì)算量的基礎(chǔ)上疊加修正量獲得整所達(dá)到功率因數(shù)要求所需無功，保證110 kV線路出線側(cè)考核點(diǎn)功率因數(shù)滿足要求。

3.2 控制方案二

考慮到MCR整體的響應(yīng)速度相對(duì)于SVG裝置較慢，選擇由SVG作為110 kV匯集點(diǎn)功率因數(shù)主要補(bǔ)償裝置，MCR作為輔助定值補(bǔ)償裝置，SVG裝置采集110 kV母線側(cè)匯集點(diǎn)電壓電流數(shù)據(jù)進(jìn)行功率因數(shù)補(bǔ)償，SVG將此處作為補(bǔ)償點(diǎn)。該方案是根據(jù)對(duì)側(cè)變電所與SVG的距離以及相關(guān)的電氣參數(shù)計(jì)算得到無功補(bǔ)償?shù)男拚?，在SVG本地計(jì)算量的基礎(chǔ)上疊加修正量獲得整所達(dá)到功率因數(shù)要求所需無功，保證110 kV線路出線側(cè)考核點(diǎn)功率因數(shù)達(dá)到既定目標(biāo)，最終達(dá)到預(yù)期功率因數(shù)。

4 對(duì)控制策略的驗(yàn)證及分析

對(duì)上文所提出的控制方案進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，以國(guó)內(nèi)某地具體工程項(xiàng)目為試驗(yàn)對(duì)象，系統(tǒng)配置見圖3。該項(xiàng)目采用集中供電方式，建設(shè)2座地鐵用主變電所，分別從地方電網(wǎng)接入4回相互獨(dú)立的110 kV電源，外部電源對(duì)側(cè)間隔點(diǎn)距離本側(cè)接入點(diǎn)長(zhǎng)度均超過10 km。

4.1 方案一情況下的控制效果

試驗(yàn)前，從對(duì)側(cè)后臺(tái)觀察實(shí)時(shí)有功功率P為0.23 MW，無功功率Q為-1.11 Mvar。根據(jù)試驗(yàn)前既定方案開展試驗(yàn)，試驗(yàn)測(cè)試部分?jǐn)?shù)據(jù)如表2所示。

表2 方案一測(cè)試結(jié)果

從表2可以看出，隨著本側(cè)MCR輸出容量的增大，對(duì)側(cè)無功功率出現(xiàn)明顯變化，本側(cè)已停止無功返送，一定程度上改善了功率因數(shù)。由于MCR的控制精度受限，按照最小控制角度調(diào)節(jié)MCR晶閘管導(dǎo)通角，其輸出容量在10 kvar上下浮動(dòng)，無法穩(wěn)定輸出。調(diào)節(jié)MCR時(shí)，SVG以恒無功方式工作。對(duì)側(cè)、本側(cè)電壓在100～200 V范圍內(nèi)波動(dòng)。

從對(duì)側(cè)變電所觀察實(shí)時(shí)無功在-0.2～+0.3 Mvar范圍浮動(dòng)，此時(shí)無功補(bǔ)償已達(dá)到最優(yōu)。調(diào)試僅調(diào)節(jié)MCR即可實(shí)現(xiàn)既定目標(biāo)，保持系統(tǒng)無功補(bǔ)償不出現(xiàn)返送的情況。

4.2 方案二情況下的控制效果

以SVG為主進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)前，從對(duì)側(cè)變電所觀測(cè)到后臺(tái)實(shí)時(shí)有功功率在0.22～0.23 MW，無功功率在-0.22～+0.76 Mvar范圍波動(dòng)。

表3 方案二測(cè)試結(jié)果

SVG最小輸出只能保持在600 kvar左右，SVG手動(dòng)輸出已不能對(duì)此時(shí)主所補(bǔ)償起到積極作用。SVG自動(dòng)補(bǔ)償需要確定補(bǔ)償目標(biāo)電壓，需要設(shè)計(jì)人員根據(jù)系統(tǒng)現(xiàn)狀計(jì)算目標(biāo)電壓或提高系統(tǒng)有功功率才能切換到自動(dòng)狀態(tài)。

4.3 控制方案及效果分析

試驗(yàn)中，MCR在固定容量運(yùn)行時(shí)，實(shí)際輸出的感性無功波動(dòng)較大，MCR與SVG配合調(diào)節(jié)無功，則波動(dòng)量可以由設(shè)置為自動(dòng)補(bǔ)償模式的SVG進(jìn)行彌補(bǔ)。根據(jù)實(shí)際觀測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)，110 kV線路功率因數(shù)均大于0.95，滿足設(shè)計(jì)、試驗(yàn)要求。

由以上分析可知，MCR進(jìn)行固定補(bǔ)償輸出時(shí)存在一定的數(shù)據(jù)波動(dòng)，需要SVG進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償調(diào)節(jié)，最終系統(tǒng)功率因數(shù)能夠達(dá)到較好的水平。磁控電抗器MCR自動(dòng)補(bǔ)償輸出時(shí)，雖同樣存在補(bǔ)償誤差，但綜合月度電量計(jì)算，功率因數(shù)同樣能達(dá)到較好的水平。

隨著項(xiàng)目推進(jìn)，送電線路電纜逐步增加，對(duì)側(cè)變電所檢測(cè)到無功波動(dòng)存在逐漸增大的趨勢(shì)，結(jié)合方案一，通過再次提高M(jìn)CR的輸出，將總體無功功率控制在正向0.3～0.9 Mvar范圍，該措施一定程度上可以應(yīng)對(duì)一定范圍內(nèi)負(fù)荷以及電纜線路的增加。

4.4 地鐵線路正常運(yùn)行時(shí)的控制效果

電客車載客運(yùn)營(yíng)后，隨著主變電所側(cè)負(fù)荷穩(wěn)步增大，牽引負(fù)荷和動(dòng)力照明負(fù)荷趨于穩(wěn)定，系統(tǒng)經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，以及當(dāng)?shù)毓╇姽镜碾娰M(fèi)數(shù)據(jù)查詢結(jié)果，MCR、SVG的配合投運(yùn)很好地補(bǔ)償了容性無功，提高了系統(tǒng)功率因數(shù)，主變電所的月平均功率因數(shù)均大于0.95，每月均有大于1萬元的獎(jiǎng)勵(lì)性力調(diào)電費(fèi)，直接降低了力調(diào)電費(fèi)的罰款金額，節(jié)約了成本支出。

5 結(jié)語

本文討論并分析了MCR與SVG在地鐵牽引供電系統(tǒng)中配合補(bǔ)償無功功率方案，并進(jìn)行實(shí)際調(diào)試試驗(yàn)，使整個(gè)系統(tǒng)始終能夠在最有效的控制方案下運(yùn)行。由試驗(yàn)及實(shí)際運(yùn)行結(jié)果可知，所提出的方案能夠有效改善系統(tǒng)無功功率，明顯改善系統(tǒng)供電質(zhì)量，減少對(duì)城市電網(wǎng)的影響，并一定程度上改善了地鐵的經(jīng)濟(jì)效益，具有較好的實(shí)際效果。

如何結(jié)合具體工況發(fā)揮MCR優(yōu)秀的性能及協(xié)調(diào)優(yōu)化作用，如何有效使用MCR以達(dá)到改善地鐵供電系統(tǒng)的電壓質(zhì)量、系統(tǒng)穩(wěn)定性，如何有效控制MCR使得響應(yīng)速度更進(jìn)一步提升，將是下一步關(guān)注和研究的重點(diǎn)。