城市軌道交通主變電所SVG無功補償技術

張黎明

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102699）

1 城市軌道交通無功補償的現狀

城市軌道交通工程供電系統大多采用集中兩級供電系統，主要是110 kV主變電所、沿線35 kV牽引、降壓混合變電所組成，對其組成及負荷構成進行分析，其無功補償需求主要由牽引負荷、變壓器及電纜、動力照明負荷組成。

（1）牽引負荷：功率因數較高，一般在0.95以上，故無需對牽引負荷進行補償。牽引負荷的用電單一且易控制，功率因數較高且相對穩定，無功功率需求量較少。

（2）變壓器及電纜：中壓環網電纜及低壓電力電纜具有相同的應用優勢，即提供容性無功。在完成供電網絡的構建工作后，變壓器的感性無功可維持相對穩定的狀態，對于電纜提供的容性無功而言也無明顯波動，可控性較佳。

（3）動力及照明負荷：①需得到多個用電系統的協同支持，較典型的有通信系統、信號系統及照明系統等；②各用電系統的運行特性具有差異化的特點，開啟時間不盡相同，并且各自具備的功率因數也有所不同，跨度區間普遍為0.5～0.8，由此加大了控制難度，不利于精細化控制工作的開展；③動力照明中壓供電網絡存在較大的充電無功，用電低谷時期可能出現無功反送現象；④由于牽引供電系統與動力照明供電系統相對獨立，因此暫不設置無功補償裝置；⑤主變電所無功補償應針對動力照明負荷供電系統采取無功補償措施。

2 SVG裝置

2.1 SVG裝置概述

在無功補償設備中，SVG裝置是一項全新的發明。SVG能夠直接與電網并聯，但其性能類似于可變無功電流源，能夠有效調節交流側電流值等內容，及時供給或吸收電力傳輸過程中需求的無功功率，達到動態調節的效果。

同時，若是SVG裝置是基于直流電環境工作，此時其能夠同時滿足沖擊電流與諧波電流兩種的補償。此外，SVG裝置還具備電子逆變技術，即在進行無功補償的時候會對外發出電流直接抵消所需補償的對象，且兩者大小一致，方向相反，能夠有效調節因數大小。

SVG即靜止同步補償器，其并聯于電網內，在功能上充當無功電流源，其運行期間可根據需求靈活控制。在負荷無功電流發生變化時，對應的無功電流也隨之改變，全過程中可達到對電網無功功率動態化補償的效果。

目前常用的可以做到連續可調的動態無功補償裝置有MCR型SVC、TCR型SVC以及SVG，這3種動態補償裝置都是通過電抗器來實現其無功調節的，MCR可以改變電抗器的電感值，TCR可以改變流過電抗器的電流，而SVG則是改變電抗器兩端的電壓降。

2.2 SVG的特點

SVG性能特點包括3部分。

一是具備抗諧波功能，能夠有效維持電力系統的工作。由于該裝置依賴于可控電流源工作，所以其工作的目標僅僅針對基波無功電流，不會受到諧波電流的干擾，可以有效降低維護需求，延長使用壽命。同時，該裝置直接與電網并聯，能夠很好地防止出現串電電抗和加大諧波的問題，避免因諧波超標干擾系統內正常工作的設備裝置。

二是SVG還具備動態連續平滑補償的性能，能夠在很短時間內做出反應，以最短的時間調節電壓大小。SVG可以通過分析負載波動，隨時調整補償量，穩定功率因數，同時做到無功的供給與吸收。

三是單套裝置中的±5 Mvar SVG基于鏈式串聯結構構成，通過連接變壓器接入35 kV系統，是實現動態無功補償功能的主體。SVG裝置的逆變器關鍵部件選用優質的全控型開關器件IGBT。成套裝置以串聯的主電路為核心，兼具可控性高、靈活性強以及響應靈敏等多重特性[1]。

2.3 SVG的優勢

相較于普通的無功補償設備，不管是工作方式、反應時間、施工壽命還是有極無極和諧波濾除等領域，SVG都具備明顯的性能優勢。不僅如此，使用SVG裝置還能對諧波進行控制，濾除多余諧波，維系系統工作穩定，降低維護需求，延長使用壽命，提升經濟效益。

SVG普遍采用的是動態無功補償裝置，適配高精度的大功率電子電力器件，通過對各自高頻開關的調控，可以達到高效變化無功能量的效果，同時也能夠避免額外配置大容量電容器和電抗器的繁瑣工作內容，使技術的應用變得更加便捷。

SVG的功能優勢顯著，主要體現在如下兩方面。一是從動態無功補償的角度來看，SVG既具備傳統SVC的基礎功能，還衍生出多重特性，具體體現在結構精簡、響應靈敏及精度高等方面；二是SVG也具備可控電流源型補償裝置的特性，在系統參數發生變化的條件下，并不會衍生出諧振或諧波電壓異常放大的情況，并可根據系統需要方便地濾除系統諧波。

此外，SVG具備感性無功和容性無功雙向補償功能。

3 主變電所中SVG的適應性

3.1 諧波治理

城市軌道交通供電系統之所以會出現諧波主要是因為各個變電所中存在大量的LED、風機或水泵等變頻裝置以及直流牽引負荷。不考慮其他因素的干擾，整個電力系統高壓側的諧波電流可以表示為N×A±1（N指正數、A指整流機組脈波數）。

分析上式即可發現若是機組脈波數值上升，則會使得諧波出現的頻率降低，若是使用24脈波整流機組就可以出現更好的效果。

3.2 無功補償

需將考核點的PCC信號接入控制系統，SVG具備極為顯著的高效響應特性，可實時跟蹤沖擊性負荷，掌握其在各時間段的具體波動情況，以便在此基礎上快速跟蹤補償，并且不會過補償。當SVG裝置投入以后，所有的負荷無功都由SVG裝置提供，這時系統提供的無功為0，最大限度滿足功率因數補償要求，在補償容量足夠的情況下，110kV母線經補償后其月平均功率因數大于等于0.95，且不過補償，完全達到快速補償負荷功率因數的目的。SVG裝置有恒無功控制方式、系統無功控制方式、負荷補償控制方式、電壓無功綜合控制方式及暫態電壓控制方式共5種運行方式，可根據現場實際情況靈活選用補償方式來控制系統的功率因數[2,3]。

（1）恒無功控制方式：控制裝置輸出無功，可測量裝置跟蹤無功的階躍響應速度，與此同時還可對其準確性做出判斷。

（2）系統無功控制方式：能夠全方位地控制系統側無功與系統側功率因數，可精確控制設定的系統無功或系統功率因數上限、下限或目標值；對功率因數進行控制時，能夠控制其上限、下限及目標值。

（3）負荷補償控制方式：系統側電流自動調節裝置電流輸出，在該調控機制下，有助于提高電流的電能品質；并且，補基波無功、補負序和補諧波3項配置的可選擇機會較多，可根據實際情況任意做出選擇，以滿足需求。

（4）電壓無功綜合控制方式：重點控制對象為系統側或PCC側電壓，此特性決定其在風電場和光伏電站等多個領域中均具有可行性，可以增強電壓的穩定性。裝置可以對無功輸出做出靈活的調節，以保證考核點電壓的穩定性，即始終被控制在許可的范圍內。考核點電壓低于設定值時，裝置自動做出響應，輸出容性無功，通過此條件提高電壓，使其穩定在合理區間內。反之，考核電壓偏高時，則輸出感性無功[4,5]。

（5）暫態電壓控制：用戶可根據自身需求在PCC側或系統側電壓中做出選擇，將其作為考核點，設定穩態電壓參考和穩定范圍、暫態上限和暫態下限，若存在電壓跌落或突升的情況，系統將采取發出容性無功或感性無功的方法，以達到提高電壓或降低電壓的效果，在該動態控制方式下，使暫態電壓始終維持穩定。

3.3 確定SVG的安裝容量

SVG裝置的靈活性較強，可及時掌握電網電壓的最新情況，以便靈活地對無功輸出做出調整，實現穩定電壓的作用。

在SUSAN算法中,每個像素對USAN的貢獻值主要是由其與原子核亮度差的指數函數式(4)之間的關系決定的。同時也對二元方程進行了對比分析,但上述的指數方程的貢獻是眾多方法之一。因此,本文也將比較二進制方法。

對于地鐵系統來說，SVG裝置應放置在主變電所位置，實現集中補償的效果。因此，其安裝容量要根據實際需求決定。在容量設計時，除了要對電纜、動力照明負荷及變壓器等系統下所有裝置展開計算外，還要考慮到地鐵白天和夜晚的工作客流量，同時滿足滿載與低載兩種情況下的容量大小[6,7]。

此外，SVG補償后，其功率因數必須超過0.9。因此，影響最終結果的因素復雜多樣，需反復多次核算檢查。

4 無功自動補償功能

無功自動補償功能包括以下方面。

（1）電壓自動調節：以電壓質量要求為導向，以自動化的方式實現對有載調壓變壓器、電容器及電抗器組的調節，經此操作后優化母線電壓，使其可以維持在合理的區間內。

（2）無功自動補償：遵循電壓優先的基本原則，根據無功大小自動投切電容器組，從而優化系統的運行狀態，避免其出現過壓或過補的異常狀況。

（3）運行記錄及調取功能：詳細記錄運行的信息，后續可以根據需求查閱或是顯示打印等。

（5）適配防控機制，可避免有載調壓開關出現滑檔或檔位越限的情況。

（6）兩條主變調壓的運行具有穩定性，其輸出電壓差能夠被控制在相對較小的狀態，增強運行的協同性。

（7）變壓器負荷量超過額定值的1.1倍，此時將做出閉鎖升降操作，并觸發報警信息，告知相關工作人員，全過程中響應水平較高。

（8）兩臺變壓器同步調壓時，若某臺無法正常動作，此條件下另一臺若已動作則會高效退回原位。

（9）以自動化的方式發出動作控制指令，經過探詢后確定超限值，根據判斷結果做出下一步的決策，若有超限則不動。

（10）若存在變電站母線接地、零序電壓保護動作、跳閘或裝置自檢發現故障等情況時，將會發出聲光報警，可以精準鎖定故障的部位并將其及時顯示，也可閉鎖出口，實現安全防護。

（11）在采取手動控制的運行模式時，裝置自動閉鎖，及時切斷自動控制功能。

（12）除前述外，還具備檢測和防止投入電容諧波放大的功能。

5 模糊控制特點

系統電壓低于且接近上限V上時，應當密切關注實際情況，慎重投入電容器。經測定后若功率因素小于整定值，在滿足此條件后，無功欠補量達到最小容量的電容器可以投小電容，或是經過預測投后不過壓時也能夠投小電容，否則不允許執行該操作，即應當降低一檔調壓分接開關，此后再次做出判斷。若系統電壓高于且接近下限V下，則處于無功欠補的狀態，應當采取投較大電容器的方法，但期間應當綜合考慮負荷情況以及投后是否會因為此操作而出現過量補償。

模糊控制理論是關鍵的引導，結合特定的手段，確保系統電壓不超限。依托于模糊控制理論展開軟件設計工作（圖1），以滿足電壓合格優先條件為前提，通過無功優化方案的應用，達到無功補償的處理效果。若系統處于臨界區，此時需要盡可能減少一次設備動作，最大限度抑制震蕩現象，確保設備具有足夠的運行穩定性。

圖1 軟件控制模型圖

6 結 論

綜上所述，SVG可直接接入400 V～35 kV電壓等級母線，在該方式下解決傳統無功補償和諧波治理裝置運行期間所存在的種種問題，進而高效服務于電網以及用電負荷，為之提供有源動態無功補償和諧波濾波，進一步保證電網電壓暫態的穩定性，且可以提供抑制母線電壓閃變與消除負荷諧波等多重功能。SVG性能更優，經濟效益更大，能夠大大延長整個供電系統的工作壽命，減少維護頻率，維系供電系統工作的穩定，具備廣闊的發展前景。