磁控電抗器與SVG配合補償在地鐵供電系統中的應用

曾委

摘 要：無功功率的動態調節在改善電網的電壓質量、穩定性以及安全和經濟性方面起著重要的作用，地鐵工程的快速發展對地鐵供電系統無功補償裝置的動態性能、補償精度和設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中傳統SVG補償方式的運用，然后介紹了磁控電抗器補償的內涵，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中的應用提供參考。

關鍵詞：MCR;SVG;地鐵供電系統

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展，地鐵供電系統的重要性越來越高，對城市軌道交通供電系統的質量要求也越來越高。因此，地鐵供電系統功率因數的高低決定了地鐵供電系統的供電質量，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，使得地鐵供電系統的功率功率因數時刻在變化，地鐵的供電質量有待提高。一般而言，供電管理部門會根據相關的電源管理規定確定功率因數，設置下限值。因此，積極有效地進行地鐵供電系統內的無功補償，提高功率因數，成為現場應用研究的重點問題。

1 地鐵供電系統中傳統SVG補償方式介紹

現在比較常見的補償方式是在地鐵供電系統35 kV電源母線上，并聯SVG動態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動態無功補償裝置以大功率IGBT管為核心[1]，通過調節工作方式，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，與系統電壓保持同頻、同相，通過調節輸出電壓的幅值與系統電壓幅值之間的關系來確定輸出功率的性質，即當電壓幅度值高于系統側，則其作為容性運行，輸出容性無功功率，抬升網壓;反之當電壓幅度小于系統側電壓幅度時，其作為感性運行，輸出感性無功功率，拉低網壓。SVG動態無功補償裝置的優點是響應時間快、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備并接入35 kV中壓系統，補償的容量有限[2]。

2 磁控電抗器補償方式介紹

2.1 磁控電抗器電氣結構與原理

磁控電抗器（MCR）是指磁閥式可控電抗器，是一種容量可調節的電抗器。磁控電抗器采用并聯方式接入110 kV系統，通過調節磁控電抗器的輸出容量實現對容性無功的補償。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，實現容量的平滑調節。磁控電抗器的結構原理如圖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，μr—相對磁導率，μ0—真空磁導率，l0—磁路長度，S0—磁路截面積。

根據公式，通過改變電抗器鐵芯磁路的磁導率μr，就可以達到調節電抗器電抗的目的。

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線路側電流、電壓及電抗器回路的電流，實時計算系統內無功功率，根據設定的運行方式自動計算補償目標值，通過調節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、自動地調節電抗器的輸出容量，達到補償系統容性無功的目的[4]。

2.2 磁控電抗器的應用方向

磁控電抗器可以實時動態地調節感性無功的大小，所以適用于補償供電系統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的方式，可以實時調節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，可以自動調節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主變電所進線側的電壓、電流信號，并以電網側變電所110 kV出線電流為關鍵控制點，控制目標為考核點功率因數。磁控電抗器作為從控制設備，在實際運行中不做自主調節，設置為恒出力狀態，或者根據110 kV母線電壓分級調節無功出力，設置補償功率不大于設備的額定功率。2）磁控電抗器作為主控設備接收地鐵主變電所110 kV進線側的電壓、電流型號，以電網側變電所110 kV出線電流為關鍵控制點，控制目標為考核點功率因數。SVG以地鐵主變電所110 kV母線電壓及110 kV進線電流為關鍵控制點，控制目標為向110 kV系統輸送設定目標的功率。

3.2 性能指標

性能指標有5點。1）電抗器容量調節范圍1%～100%，無級調節，響應過渡時間不大于200 ms。2）電抗器正常工作時產生的諧波含量：5次≦5.0%，7次≦2%，11次≦1.2%。3）SVG裝置可實現大容量和無級補償，無功容量可連續調節平滑輸出。4）SVG裝置的動態響應時間不大于1 ms，裝置閉環響應時間不大于10 ms。5）保證系統補償后的功率因數大于等于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，經過調試可以很好地補償110 kV線路及地鐵系統內的35 kV電纜產生的容性無功，功率因數能夠達到0.9以上。后期隨著地鐵系統各站點投入設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的方式將很好地調節地鐵供電系統側的無功功率，使功率因數始終保持在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得越來越多，越來越密集，城市中心的電網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電網變電所接電，遠距離高壓電纜輸電，需要的補償設備容量也將更大，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，對系統電壓造成較大的波動，不利于其他設備的正常工作，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電壓等級設備的正常運行。磁控電抗器作為可調節的感性無功補償裝置，較固定電抗器更有優勢，而且磁控電抗器可以根據供電系統某一相的補償需要，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配合補償的方式，在地鐵供電系統中有較好的應用前景。

6 結論

隨著城市軌道交通的飛速發展，對城市軌道交通供電系統的質量要求也越來越高。該文探討了110 kV磁控電抗器與35 kV SVG配合補償的方案，經現場實際應用，該方案能滿足地鐵供電系統對功率因數補償的需求，提高了電能質量，具有較好的適用性。

參考文獻

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

[2]曾之煜.無功補償技術在地鐵供電系統的應用[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.磁控電抗器動態無功補償裝置研究[D].北京：華北電力大學，2013.