淺談動態(tài)無功補償（SVG）設(shè)計在城市軌道交通供電系統(tǒng)中的應用

鄭勇峰

摘 要：在城市軌道交通工程中供電系統(tǒng)的功率因數(shù)一直存在著調(diào)節(jié)復雜的情況。由于在城市軌道交通運營初期供電系統(tǒng)負載率較低，帶電電纜產(chǎn)生的容性無功難以被吸收，從而造成系統(tǒng)功率因數(shù)偏低、無功功率損耗較大的現(xiàn)象；另一方面，由于城市軌道交通“夜間檢修、白天運營”的特點，每天不同時段的負載性質(zhì)不同，在固定的時間段，也存在著供電系統(tǒng)功率因數(shù)無法滿足供電部門要求的情況。因此城市軌道交通供電系統(tǒng)中引入動態(tài)無功補償裝置（SVG）設(shè)計作為功率因數(shù)的調(diào)整方案，是非常有必要的。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通；供電系統(tǒng)；動態(tài)無功補償；功率因數(shù)調(diào)整

中圖分類號：U223.6 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）03-0128-02

Abstract： The power factor of power supply system in urban rail transit engineering is always complicated. Because of the low load rate of power supply system in the early stage of urban rail transit operation， the capacitive reactive power generated by live cable is difficult to be absorbed， which leads to the phenomenon of low system power factor and large reactive power loss. On the other hand， due to the characteristics of "maintenance at night， operation in daytime" of urban rail transit， the load nature of different periods of the day is different. In a fixed time period， there is also the situation where the power supply can not meet the requirements of the power supply department. So it is very necessary to introduce Static Var Generator （SVG） into the power supply system of urban rail transit as the adjustment solution to power factors.

Keywords： urban rail transit； power supply system； dynamic reactive power compensation； power factor adjustment

1 概述

城市軌道交通供配電系統(tǒng)產(chǎn)生的無功包括感性無功和容性無功兩種。在供電系統(tǒng)中，重載時線路無功功率呈感性，不同負荷性質(zhì)的功率因數(shù)不同，白天高峰時段功率因數(shù)可以達到0.9以上，而在夜間休車時段，牽引負荷為零，動力照明負荷也只有白天的10%左右，而供電系統(tǒng)由于電纜的充電無功效應，產(chǎn)生了大量的容性無功，倒送到電力系統(tǒng)，每月給運營部門造成大量的電力損耗和罰款。輕載時線路無功功率呈容性，直接影響到系統(tǒng)負荷的功率因數(shù)、功率損耗和電網(wǎng)的安全運行。

結(jié)合國內(nèi)多個城市軌道交通供電系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)驗以及實際運營的情況，提出在供電系統(tǒng)中加入動態(tài)無功補償裝置（SVG）的設(shè)計方案，SVG動態(tài)無功補償裝置作為一種新型可連續(xù)調(diào)節(jié)的雙向補償電源，在城市軌道交通工程的中，已經(jīng)具備完善的設(shè)計和實用經(jīng)驗。

2 SVG動態(tài)無功補償裝置的基本原理

SVG動態(tài)無功連續(xù)補償裝置是一種新型可連續(xù)調(diào)節(jié)的雙向補償電源，其基本原理是由IGBT管組成的三相并聯(lián)變流器并聯(lián)在電網(wǎng)上，系統(tǒng)電流通過電流互感器被采集到SVG控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)通過實時控制電路將負載電流中的無功分量分離出來，并運用大容量DSP芯片及PWM最新技術(shù)控制IGBT觸發(fā)，通過調(diào)節(jié)三相變流器交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值，迅速吸收（運行在感性模式）或發(fā)出（運行在容性模式）所需要的無功電流，實現(xiàn)動態(tài)無功功率的平滑、連續(xù)補償。SVG的基本原理就是將自換相橋式電路通過高阻抗連接變壓器并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位，或者直接控制其交流側(cè)電流就可以使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流，實現(xiàn)動態(tài)無功補償?shù)哪康摹８邏篐.SVG動態(tài)無功連續(xù)補償裝置在原理上具有創(chuàng)新和突破，取消電容器，不用電容器來產(chǎn)生無功功率。克服了傳統(tǒng)補償器容易與系統(tǒng)發(fā)生串聯(lián)諧振或并聯(lián)諧振的缺點，徹底解決了在諧波環(huán)境下進行動態(tài)無功功率補償?shù)碾y題，是無功補償?shù)母聯(lián)Q代產(chǎn)品。

SVG裝置的主電路采用鏈式逆變器拓撲結(jié)構(gòu)，Y形連接，10kV裝置每相由12個功率單元串聯(lián)組成，運行方式為N+1模式。

3 SVG主要功能及組成

SVG動態(tài)無功連續(xù)補償裝置一種用于電氣系統(tǒng)動態(tài)無功功率補償領(lǐng)域，突破無功補償傳統(tǒng)理念的新型補償產(chǎn)品，由連接變壓器（降壓連接作用）、啟動柜（啟動回路、緩沖回路及主要開關(guān)）、功率單元柜（IGBT模塊組）、控制柜組成。該裝置采用半導體電力電子器件來搭建整流和逆變電路，可對負荷實現(xiàn)雙向補償和連續(xù)調(diào)節(jié)，能自動跟蹤負荷變化平滑無級輸出與負荷的無功電流大小相等、方向相反的容性無功電流，使系統(tǒng)的功率因數(shù)達到0.95（滯后、無過補）。

4 設(shè)計方案實例解析

城市軌道交通供配電系統(tǒng)產(chǎn)生的無功包括感性無功和容性無功兩種，無功容量的產(chǎn)生主要考慮以下五部分設(shè)備：endprint

（1）110kV電纜產(chǎn)生的充電容性無功。

（2）主變的空載電流產(chǎn)生的無功損耗（感性無功）。

（3）35kV電纜產(chǎn)生的充電容性無功。

（4）35kV側(cè)降壓變、跟隨變、綜合樓變壓器、牽引變變壓器自身的感性無功。

（5）機車及各種用電設(shè)備產(chǎn)生的無功功率（感性無功）。

方案主要計算系統(tǒng)運行中最大的容性無功的需要量，因此選取夜間地鐵停運時的容性無功最大及感性無功最小進行計算。

某城市軌道交通主變電所無功補償容量核算實例：

主變電所兩回進線電源：一回來自A變，路徑總長度4.0km，另一回來自B變，路徑總長度2.1km，以上電纜均采用110kV-YJLW03-Z-1*500電纜。本期主變?nèi)萘繛?1.5MVA，終期為50MVA。電纜充電功率按690kVar/km計算，考慮到A變已裝設(shè)40Mvar無功，該回電纜的充電功率各補償一半。

根據(jù)國家能源局國能安全（2014）161號文“電網(wǎng)主變最大負荷時高壓側(cè)功率因數(shù)不得低于0.95，最小負荷時不得高于0.95，100kVA以上高壓供電用戶，用電高峰是高壓側(cè)的功率因數(shù)不應低于0.95，其他用戶不低于0.9”，本案例設(shè)定的功率因數(shù)為0.95。

本案例依據(jù)設(shè)計院提供的負載方式：低負載設(shè)定為夜間運行（10%動照）方式，高負載設(shè)定為白天高峰（牽引+動照）方式。

總結(jié)：根據(jù)負載及功率因數(shù)為實際數(shù)據(jù)，本站無功補償裝置以補償高壓電纜充電功率、變壓器無功損耗、低壓電纜充電功率為并適當兼顧負荷側(cè)的無功補償。在A變進線側(cè)本期配置無功補償±3.5MVa，在B變側(cè)本期配置無功補償±3.5MVar。本方案設(shè)計采用SVG動態(tài)無功綜合補償裝置在35kV母線進行補償，可對負荷實現(xiàn)雙向補償和連續(xù)調(diào)節(jié)，設(shè)計的補償容量足夠?qū)崿F(xiàn)功率因數(shù)穩(wěn)定在0.95以上。

5 結(jié)束語

動態(tài)無功補償（SVG）設(shè)計目前在國內(nèi)城市軌道交通工程已經(jīng)有不少可借鑒的成功應用，經(jīng)過對國內(nèi)多個城市軌道交通工程的供電系統(tǒng)進行調(diào)研和學習，結(jié)合供電局對電能質(zhì)量的具體要求，提出并嘗試應用動態(tài)無功補償裝置設(shè)計方案，通過應用設(shè)計方案不僅提高供電系統(tǒng)的功率因數(shù)，而且節(jié)能和諧波抑制效果顯著，使得城市軌道交通供電系統(tǒng)中無功補償方案更加的完善。

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