動態(tài)無功補償裝置SVG在地鐵供電系統的應用探討

摘 要：對SVG裝置的發(fā)展和工作原理進行了介紹。結合地鐵供電系統的特點，并對SVG裝置在地鐵供電系統內的應用進行了適應性分析，并提出了SVG裝置在應用上仍存在的不足及發(fā)展展望。

關鍵詞：地鐵 供電系統 動態(tài)無功補償裝置SVG 無功補償

中圖分類號：U26文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）04（c）-0106-02

SVG裝置采用自換相橋式電路和PWM控制技術，能實時跟隨負荷波動動態(tài)調節(jié)自身輸出，除能進行無功補償外，還具有濾波、抑制電壓波動和閃變等多項功能，已成功應用于冶金、煤礦、電氣化鐵道、電網等領域。SVG裝置憑借其技術和功能的優(yōu)越性，在地鐵供電系統領域逐漸受到更多的關注。

1 SVG裝置介紹

1.1 無功補償裝置的發(fā)展

無功補償裝置的發(fā)展，大致經歷了機械式投切無源補償方式、晶閘管投切靜止無功補償方式以及基于電壓源的靜止同步補償方式三個階段。機械式的早期電力系統中有所應用，屬于固定式無功補償裝置，其補償速度慢，而且由于是機械投切，限制了它每天的使用次數，且噪聲大。基于晶閘管投切的靜止無功補償方式（SVC）是無源補償裝置，在電力系統和交流牽引供電系統中有所應用，其通過可控硅的導通角控制從而改變投切的電抗器或是電容器，具體又可分為TCR+FC和TSC兩種補償方式，TCR+FC是主流的SVC補償方式，其可以快速跟蹤牽引負荷的變化，并濾除少部分的諧波，但是其自身也產生了大量的諧波，使得濾波裝置要求增大，而TSC型補償方式更為經濟且不產生多余諧波，但是不能實現無功的連續(xù)調節(jié)，只能進行分級調節(jié)。SVG屬于第三代無功補償技術，不再采用大容量的電容器、電抗器，而是通過大功率電力電子器件IGBT的高速開斷實現無功能量的變換。

1.2 SVG裝置組成、原理及技術特點

SVG裝置主要包括變壓器、電抗器、功率單元、控制保護系統等組件及其相關附件。

SVG裝置的基本原理是將自換相橋式電路通過電抗器或者變壓器并聯在電網上，適當地調節(jié)橋式電路交流側輸出電壓的相位和幅值或者直接控制其交流側電流，就可以使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流，實現動態(tài)無功補償的目的，SVG不同運行模式原理圖如圖1所示。

從技術上講，SVG較傳統的無功裝置有如下特點。

1）運行范圍寬?？蓜討B(tài)、雙向連續(xù)調節(jié)無功輸出，能夠跟隨負荷變化，既可發(fā)出感性無功，也可發(fā)出容性無功，實現功率因數全程接近1。

2）響應時間快。地鐵無功負荷為頻繁波動負荷，SVG響應時間通常約5ms，響應時間快，可取得更好的補償效果。

3）不產生諧波。采用多電平PWM等技術，自身諧波含量很低，不需配置專用濾波裝置，且能作為濾波裝置對系統進行濾波。

4）占地面積小。主變電所因城市用地緊張而成本增加較高，SVG占地面積較小，可減小主變電所征地和土建造價。

5）不產生系統串、并聯諧振。SVG不使用大量電容器或電抗器，不會引起系統諧振或諧波電壓放大，設備和系統運行更加可靠。

6）功能多樣化。除能進行無功補償外，還能具有濾波、抑制電壓波動和閃變等功能。

SVG裝置在技術上比較先進，但仍有一些方面需要提高。

1）價格。SVG裝置在地鐵內屬于新應用裝置，目前售價偏高，每臺SVG裝置的售價為200～300萬左右。

2）壽命。地鐵設備一般壽命要求30年，而SVG裝置的設計壽命為20年，實際壽命可能更短。

3）運營維護。SVG裝置的主器件IGBT元件多為進口，在日后設備的運營維護中不便。

雖然SVG裝置存在以上問題，但其功能的先進性和全面性仍代表了無功補償領域的潮流，是電力系統或地鐵供電系統的發(fā)展趨勢。技術發(fā)展需要一個過程，以上問題在日益激烈競爭的環(huán)境中會得到一定程度上改善和解決。

2 地鐵供電系統特點

國內城市地鐵大都采用集中供電方式，供電系統主要由外部電源、主變電所、中壓環(huán)網、牽引降壓混合變電所（簡稱牽引變電所）和降壓變電所等構成。電力系統AC110kV電源經主變電所降壓為AC35kV，經AC35kV中壓環(huán)網傳輸至牽引變電所和降壓變電所。在牽引變電所，通過整流機組將AC35kV交流電源整流為DC1500V或DC750V直流電，向列車（牽引負荷）供電；在降壓變電所，變壓器將AC35kV交流電降壓為AC0.4kV交流，向車站和區(qū)間內動力照明設備（動照負荷）供電。地鐵供電系統主要特點如下。

1）供電制式。包括交流和牽引供電兩大供電系統，交流系統采用三相對稱供電制式；牽引系統采用直流供電制式。交流系統通過等效24脈波整流為直流電。

2）負荷特點。包含牽引負荷和動照負荷兩部分，動照負荷基本固定，牽引負荷隨列車運行對數的不同而具有較大的波動性。供電系統變壓器和列車牽引負荷運行時消耗大量的感性無功功率，電纜則是容性無功功率（充電功率）。

3）系統接線。變電所與變電所之間、設備與設備之間通過大量電纜連接。電纜運行時消耗容性無功功率（充電功率）。

3 在地鐵供電系統中SVG的適應性

3.1 諧波治理

地鐵供電系統諧波主要來源于兩部分：一是通過整流設備整流的牽引負荷，二是含有變頻設備的動照負荷。

整流機組產生諧波電流次數與整流機組輸出脈波數有關，理想情況下，反映到整流機組高壓側產生的諧波電流次數為：K*P±1（式中P為整流機組脈波數，K為正整數），整流機組脈波數越高，產生較低次諧波越少，對系統影響也越小。我國九十年代建設的上海地鐵1號線、廣州地鐵1號線均采用了12脈波整流變壓器，從現在運行情況來看，均滿足國標GB/T14549-93《電能質量公用電網諧波》要求。但為了進一步減少諧波“污染”，可采用更高脈波數的24脈波整流機組，這樣產生諧波更少，尤其諧波含量最大的11、13次諧波較12脈波整流機組減少80%左右。動力照明負荷主要包括車站的照明、通風空調、自動扶梯、排水、通風、消防等，其中含有大量變頻負荷，其產生的諧波主要以5、7次為主。在目前國內的新建線路中，為了抑制動照負荷產生的諧波，有的工程已在0.4kV側設置有源濾波裝置進行濾波。

因此，供電系統通過采用24脈波整流機組和有源濾波裝置，諧波含量已可以滿足國家規(guī)范標準規(guī)定，而單獨利用SVG裝置進行濾波意義不大。

3.2 無功補償

地鐵供電系統的功率因數主要由牽引負荷和動力照明負荷的性質所決定。對于牽引負荷，由于采用24脈波整流方式，理論基波功率因數在0.989以上，不可調變流器的位移因數在0.95以上，因而其總功率因數可達0.96左右。對于0.4kV側低壓負荷，相對牽引負荷功率因數較低，但隨著技術的發(fā)展及變頻設備的大量采用，功率因數提升明顯，基本也可達到0.85～0.9甚至以上。

在地鐵線路運營初期，由于牽引及動力負荷（主要為感性）較小，尤其在夜間停運階段負荷較低時，35kV電纜電纜的容性無功功率（充電無功）大于系統消耗的感性無功功率，供電系統的無功功率呈容性，功率因數較低，需要進行容性無功功率補償。我國現在運營的城市軌道交通系統，如天津津濱輕軌、廣州地鐵、上海地鐵及南京地鐵等，在運營初期不投入400V無功功率補償裝置的情況下，仍存在容性無功返送的情況，導致主變電所功率因數達不到電力部門的要求而被罰款。

由于地鐵供電系統存在大量電纜、線路開通階段負荷小這一客觀事實，地鐵線路在系統調試階段和運營初期功率因數低的問題不可避免。為提供供電質量，需要一種無功補償裝置對功率因數進行控制。

SVG裝置在目前的無功補償裝置中，能跟隨負荷波動自動調整系統功率因數水平，適應地鐵供電系統負荷波動大的特點，在技術上最為理想。天津地鐵2號線、廣州地鐵5號線、廣佛線、昆明6號線、無錫1、2號線、蘇州2號線主變電所均已采用該技術。隨著電力電子及IGBT技術的成熟，SVG在地鐵系統中的使用會越來越廣。

3.3 電壓波動和閃變

3.4 SVG安裝容量確定

在地鐵系統中，SVG安裝在主變電所35kV母線進行集中補償，其安裝容量應經過計算確定。

在確定無功補償容量時，需對電纜、變壓器、牽引和動照負荷等不同類型設備的有功功率和無功功率分別進行計算。供電系統在夜間處于低載狀態(tài)，白天高峰時段則為滿載狀態(tài)，其他時段則處于這兩種情況之間。因此，應當計算出低載狀態(tài)和滿載狀態(tài)時相應的有功功率和無功功率，并按將功率因數補償到0.9以上來確定SVG的安裝容量。

4 結語

SVG裝置在地鐵供電系統中主要用于無功補償，與傳統無功補償裝置相比，能動態(tài)跟隨負荷變化自動進行無功補償和功率因數調節(jié)。若在價格、壽命等方面得以改善，該裝置在地鐵領域內的將有很大的發(fā)展空間。

參考文獻

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