磁控電抗器在城市軌道交通中的應用研究

高江魁

0 引言

磁控電抗器（MCR）基于磁飽和原理，主要用于動態調整無功功率，保持系統供電線路、輸電線路的電壓穩定。MCR同時具有可靠性高、經濟性好、適應性好等優點，目前在礦場電能質量治理、電網變電站、風力發電系統等領域發揮作用。

地鐵負荷具有波動、不平衡等特性，隨著外電線路長度不斷增加，僅采用靜止無功發生器（SVG）已不能滿足地方電網對地鐵關于電能質量的要求。針對此類問題，文獻[1，2]從MCR的數學模型入手，分析其工作和控制特性，通過實驗檢驗控制效果，證明其滿足系統的無功補償需求；文獻[3]分析并闡述了新型MCR控制原理，通過調節晶閘管的觸發角控制直流偏磁，調節電抗值實現調節無功輸出的目的；文獻[4]分析MCR的35 kV動態無功補償系統，并進行實地測試驗證其正確性，同時也指出了MCR對于系統無功控制的功能和控制方式存在進一步完善以實現綜合最優控制的空間；文獻[5]分析MCR與FC聯合補償裝置的模型，模擬仿真在系統電壓異常時采取緊急無功補償控制抑制系統電壓突變，所得數據與預期相符。

MCR也有其自身局限性。由文獻[3]、文獻[6]可知，無論MCR是自勵式還是他勵式，都存在響應速度慢的情況，間接導致了控制系統振蕩波動增大、系統穩定性降低等不良后果。文獻[7]分析MCR構成的磁控式動態無功補償裝置，闡述了響應速度對快速動態無功補償的影響。

本文主要針對地鐵主變電所的無功補償進行討論分析。根據MCR工作特性及控制特性，在地鐵供電系統中與SVG相互配合，通過改善控制策略提出不同的無功補償方案，在實際工程中進行研究、試驗和分析，最后根據實際工況優化控制策略改善系統環境，并驗證所提方案的有效性、正確性和經濟性。

1 MCR基本結構及工作原理

MCR的簡化結構如圖1所示，為單相四柱式結構，繞組上、下部區均設有中間抽頭，兩中間抽頭之間通過晶閘管連接，兩柱間接有續流二極管。

由文獻[3]可知MCR工作原理，施加勵磁電流改變鐵心磁路的磁導率μ，達到調節電抗器電抗的目的。對圖1進一步簡化，可得如圖2所示的MCR接線示意圖。

圖1 單相MCR結構示意圖

圖2 單相MCR接線示意圖

電抗器電感的計算式如下：

式中：Ψ為磁鏈；Φ為磁通；I為電流；W為匝數；μ為相對磁導率；μ0為空氣磁導率；l0為磁路長度；S0為磁路橫截面積；R0為磁路磁阻。

結合式（1）及式（2），根據圖1、圖2可知，施加交變電壓e(t)，T1、T2導通，通過調節T1、T2導通角的大小，可以調整勵磁電流的大小，最終實現容量調節。

2 地鐵動態無功補償分析及控制策略

2.1 地鐵無功補償

地鐵無功補償需求主要由牽引負荷、電纜及變壓器、動力及照明負荷組成。牽引負荷部分功率因數相對穩定且較高，一般為0.95以上；電纜及變壓器在供電網絡系統中的無功基本穩定；動力及照明負荷涉及多個用電系統，功率因數一般為0.5～0.8，這部分功率因數屬于較難控制部分。

地鐵主變電所多采用SVG進行無功補償。MCR和SVG的技術經濟對比見表1。

表1 無功補償方案技術經濟對比

由表1可知，MCR、SVG均能滿足無功補償需求。在實際應用中，當系統參數一定，負荷側母線電壓受到無功補償裝置自身的參數、容量的影響。

2.2 MCR動態無功補償控制分析

文獻[8]分析了在既有無功補償裝置的條件下增加MCR后的效果，結果表明補償效果顯著提高。文獻[9]、文獻[10]分別基于實際項目，具體分析MCR的無功補償能力，提出了現場特性試驗新方法、參數調節方法及控制策略，并進行現場驗證，為類似項目提供了參考。

以目前國內某城市已正式運營的線路為例，圖3為該線路系統配置示意圖。

圖3 系統配置示意圖

正常情況下，110 kV母線分列運行，牽引變壓器為一主一備；電力變壓器分列運行，且35 kV母聯開關正常情況下斷開運行。

由于功率因數考核點在對側變電所的出線點，本側選擇MCR進行功率因數補償，并且功率因數的采樣點選擇本站側，在進行功率因數補償時通過對側出線點與線路充電功率換算得到。實際補償時，從對側變電所、本側檢查發現，僅依靠MCR或SVG單獨工作，不足以滿足補償需求，二者需進行配合補償，滿足出線點的功率因數要求。

3 MCR及SVG動態無功組合式補償控制策略

SVG容量相對較小但控制精度高，MCR容量相對較大、調節范圍廣但相比SVG精度低，同時，根據現場負荷情況，有無列車運行、負荷用電量的大小、35 kV電壓等級側負荷接入情況、兩套裝置單獨控制模式下產生無功對沖等情況，均應予以考慮，優化控制方案如下。

3.1 控制方案一

考慮到MCR整體穩定性較高且容量可調范圍較大，以其為主要控制裝置，容量調節的范圍較大，因此可以將SVG裝置作為輔助補償裝置，MCR作為主要補償裝置，通過精確核算不同負荷條件時MCR滿發狀態下與考核點功率因數之間的無功功率差值，SVG以恒無功方式補償這部分無功功率差值并留有一定的無功功率裕量，調整無功目標值。該方案是根據對側變電所與MCR無功裕量以及相關的電氣參數計算得到無功補償的修正量，在SVG本地計算量的基礎上疊加修正量獲得整所達到功率因數要求所需無功，保證110 kV線路出線側考核點功率因數滿足要求。

3.2 控制方案二

考慮到MCR整體的響應速度相對于SVG裝置較慢，選擇由SVG作為110 kV匯集點功率因數主要補償裝置，MCR作為輔助定值補償裝置，SVG裝置采集110 kV母線側匯集點電壓電流數據進行功率因數補償，SVG將此處作為補償點。該方案是根據對側變電所與SVG的距離以及相關的電氣參數計算得到無功補償的修正量，在SVG本地計算量的基礎上疊加修正量獲得整所達到功率因數要求所需無功，保證110 kV線路出線側考核點功率因數達到既定目標，最終達到預期功率因數。

4 對控制策略的驗證及分析

對上文所提出的控制方案進行試驗驗證，以國內某地具體工程項目為試驗對象，系統配置見圖3。該項目采用集中供電方式，建設2座地鐵用主變電所，分別從地方電網接入4回相互獨立的110 kV電源，外部電源對側間隔點距離本側接入點長度均超過10 km。

4.1 方案一情況下的控制效果

試驗前，從對側后臺觀察實時有功功率P為0.23 MW，無功功率Q為-1.11 Mvar。根據試驗前既定方案開展試驗，試驗測試部分數據如表2所示。

表2 方案一測試結果

從表2可以看出，隨著本側MCR輸出容量的增大，對側無功功率出現明顯變化，本側已停止無功返送，一定程度上改善了功率因數。由于MCR的控制精度受限，按照最小控制角度調節MCR晶閘管導通角，其輸出容量在10 kvar上下浮動，無法穩定輸出。調節MCR時，SVG以恒無功方式工作。對側、本側電壓在100～200 V范圍內波動。

從對側變電所觀察實時無功在-0.2～+0.3 Mvar范圍浮動，此時無功補償已達到最優。調試僅調節MCR即可實現既定目標，保持系統無功補償不出現返送的情況。

4.2 方案二情況下的控制效果

以SVG為主進行試驗，試驗前，從對側變電所觀測到后臺實時有功功率在0.22～0.23 MW，無功功率在-0.22～+0.76 Mvar范圍波動。

表3 方案二測試結果

SVG最小輸出只能保持在600 kvar左右，SVG手動輸出已不能對此時主所補償起到積極作用。SVG自動補償需要確定補償目標電壓，需要設計人員根據系統現狀計算目標電壓或提高系統有功功率才能切換到自動狀態。

4.3 控制方案及效果分析

試驗中，MCR在固定容量運行時，實際輸出的感性無功波動較大，MCR與SVG配合調節無功，則波動量可以由設置為自動補償模式的SVG進行彌補。根據實際觀測結果數據，110 kV線路功率因數均大于0.95，滿足設計、試驗要求。

由以上分析可知，MCR進行固定補償輸出時存在一定的數據波動，需要SVG進行動態補償調節，最終系統功率因數能夠達到較好的水平。磁控電抗器MCR自動補償輸出時，雖同樣存在補償誤差，但綜合月度電量計算，功率因數同樣能達到較好的水平。

隨著項目推進，送電線路電纜逐步增加，對側變電所檢測到無功波動存在逐漸增大的趨勢，結合方案一，通過再次提高MCR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對一定范圍內負荷以及電纜線路的增加。

4.4 地鐵線路正常運行時的控制效果

電客車載客運營后，隨著主變電所側負荷穩步增大，牽引負荷和動力照明負荷趨于穩定，系統經過一段時間的運行，以及當地供電公司的電費數據查詢結果，MCR、SVG的配合投運很好地補償了容性無功，提高了系統功率因數，主變電所的月平均功率因數均大于0.95，每月均有大于1萬元的獎勵性力調電費，直接降低了力調電費的罰款金額，節約了成本支出。

5 結語

本文討論并分析了MCR與SVG在地鐵牽引供電系統中配合補償無功功率方案，并進行實際調試試驗，使整個系統始終能夠在最有效的控制方案下運行。由試驗及實際運行結果可知，所提出的方案能夠有效改善系統無功功率，明顯改善系統供電質量，減少對城市電網的影響，并一定程度上改善了地鐵的經濟效益，具有較好的實際效果。

如何結合具體工況發揮MCR優秀的性能及協調優化作用，如何有效使用MCR以達到改善地鐵供電系統的電壓質量、系統穩定性，如何有效控制MCR使得響應速度更進一步提升，將是下一步關注和研究的重點。