淺談無功補償裝置在地鐵供電系統中的應用

楊 飛

（西安地下鐵道有限責任公司，陜西 西安710016）

0 引言

我國地鐵線路對供電系統的設計，基本上是依據低壓集中就地補償的原則，根據線路的實際情況，在線路上的各車站和變電所內，安置低壓的電容無功補償柜，以保證車站變電所內電壓功率因數達到0.9以上。但是由于無功補償在調容方式上依然是通過整組投放電容器來實現，而在各車站的變電所設置電容器分組則不可能實現，因為如果電容器投放過多，就會出現投則過補現象，從而受到供電部門處罰；相反，不投則欠補，地鐵線路供電系統的電壓功率系數又保障不了，從而無法滿足電力部門的考核要求。另外，過多地安置電容補償裝置，將會導致其使用壽命縮短，損壞頻繁。所以，現有的無功補償設計方案亟需進一步優化。

SVG作為新一代靜止無功補償器，是該技術發展的最新代表，將SVG產品應用于電網中，相當于一個可變的無功電流源，通過調節逆變器交流側輸出電壓的幅值和相位，或者直接控制交流側電流的幅值和相位，迅速吸收或發出所需要的無功功率，實現無功功率的快速應激調節。同時，通過電力電子逆變技術制造一個與被補償對象大小相等、方向相反的電流，相互抵消，功率因數就能達到1。

本文以西安地鐵2號線為例，在分析其供電系統概況的基礎上，對其采用的無功補償裝置的基本原理進行說明，并通過SVG無功補償裝置與傳統電容無功補償裝置的比較，說明SVG無功補償裝置的優缺點。

1 西安地鐵2號線無功補償裝置應用實例

西安地鐵2號線供電系統采用集中供電方式及110kV、35kV兩級電壓制，在行政中心、會展中心各建一座110kV主變電站，由交流高中壓系統和牽引供電系統組成；牽引電力采用DC1500V，動力照明配電采用380／220V。

行政中心主變電站110kV側設置2路電源，采用內橋式接線方式，電源1從城市電網330kV草灘變電所引入，線路長度9.815km；電源2從城市電網110kV鳳城變電所引入，線路長度1.7km。其電源引線均采用110kV單芯銅導線，截面積為630mm2，電纜通過溝道敷設進入主變電所內，會展中心主變電站110kV側設置2路電源，采用單母線接線方式，2回從城市電網330kV上苑變電所的2段110kV母線引入，電源線路采用架空線路和電纜敷設2種方式。其中，同桿架設雙回電力架空線路長度為1.6km，單回電力電纜線路長度為9.032km。電力電纜均采用110kV單芯銅導線，截面積為800mm2。

1.1 無功對電網的影響

無功功率對電網大致有以下幾點影響：（1）無功功率的增加會導致電流增大和視在功率增加，從而使變壓器及其他電氣設備容量和導線容量增加。同時，電力用戶啟動及控制設備、測量儀表的尺寸和規格也要加大。（2）無功功率的增加會使總電流增大，從而使設備及線路的損耗增加。（3）使線路及變壓器的電壓降增大，如果是沖擊性無功功率負載，還會造成電壓劇烈波動，使供電質量嚴重降低。

由此可見，對供電系統進行無功功率補償十分必要，適當補償無功功率，可以穩定電網電壓，提高功率因數及設備利用率，減少有功損耗，平衡三相功率，提高輸電能力及系統運行安全性。

1.2 西安地鐵2號線無功補償方式及裝置原理

1.2.1 無功補償方式

電網中常用的無功補償方式包括集中補償、分散補償和就地補償3種。西安地鐵2號線采用集中補償方式，在35kV母線側串聯2臺RSVG無功補償裝置。所謂集中補償，是指補償主變壓器本身的無功損耗，以及降低變電所以上輸電線路的無功能力，從而降低供電網絡的無功損耗，但其不能降低配電網絡的無功損耗。

1.2.2 無功補償裝置及其原理分析

西安地鐵2號線所運用的無功補償裝置是RSVG（多重化高壓靜止無功發生器），其工作原理是利用電抗器或直接將自換向橋式電路并聯在電網上，實現對電路交流側輸出電壓相位和幅值的控制，讓該電路能夠滿足吸收或發出無功的要求，實現動態調節補償。

RSVG工作時通過電力半導體開關的通斷將直流側電壓轉換成與交流側電網同頻率的輸出電壓，類似于一個電壓型逆變器，只不過其交流側輸出接的不是無源負載，而是電網。因此，當考慮基波頻率時，RSVG可以等效地被視為幅值和相位均可控的一個與電網同頻率的交流電壓源。它通過交流電抗器連接到電網上，無功的性質和大小靠調節電流來實現。

RSVG詳細的工作模式及其補償特性如表1所示。

該系列RSVG采用功率單元并聯技術，由一系列功率單元并聯起來通過變壓器實現高壓輸出。圖1為RSVG的拓撲結構圖。

每個功率單元都是一臺脈寬調制型高壓靜止無功發生器（SVG），結構和性能完全一致。該RSVG的這種拓撲結構，極大地提高了SVG的可靠性、靈活性和可維護性。圖2、圖3為RSVG功率單元的拓撲結構圖。

1.2.3 無功補償裝置的系統組成

西安地鐵2號線靜止同步補償系統主要由控制柜、功率柜和變壓器柜3部分組成。其中，控制柜負責監測和控制與其連接的設備，保證整個系統的安全可靠運行；功率柜主要由功率單元組成，是榮信RSVG系列高壓靜止無功發生器的主體；變壓器柜是該系列無功發生器的樞紐及供電中心，變壓器的原邊連接至電網側的高壓電源，經副邊降壓后，連接到功率單元并為控制系統提供正常工作所需的備用電源。

表1 RSVG的運行模式及其補償特性

圖1 RSVG拓撲圖

圖2 RSVG功率單元（單相）

圖3 RSVG功率單元（三相）

1.3 補償前后功率因數對比

分析西安地鐵2號線行政中心主變電站及會展中心主變電站的功率因數歷史數據可以發現，未進行無功補償前，110kV母線側每日的平均功率因數一般在0.79左右，其中在每日用電峰、平、谷時分別為0.78、0.8、0.6左右，進行無功功率補償后每日平均功率因數達到0.95左右。可見，采用此種無功補償裝置達到了理想的無功補償效果。

2 SVG無功補償裝置的優缺點

2.1 SVG與傳統無功補償裝置相比的優勢

傳統動態無功補償以大容量的電抗／電容作為主要手段，補償效果依賴于系統參數，極易發生諧振放大現象，導致安全事故；SVG配套電容器不需要設置濾波器組，不存在諧振放大現象，它是有源型補償裝置，采用可關斷器件IGBT，從機理上避免了諧振現象，安全性大大提高。單從補償成效上來看，采用傳統的電容無功補償設備補償后功率因數通常在0.8～0.9之間，SVG補償后功率因數則能夠達到0.95以上，效果明顯。另外，在時間上，傳統補償設備完成一次補償最快也需200ms，SVG在5～20ms內就能夠完成。

2.2 SVG的缺點

SVG當前在我國地鐵供電系統中還沒有得到大規模的運用，這主要是由2方面的因素所致：（1）該設備造價高。（2）此類設備的技術許多方面仍存在缺陷，有待進一步完善。譬如：如何擴大SVG裝置的容量以符合系統要求，如何提高輸出電壓，以便SVG裝置接入更高電壓等級的系統，這些都有待進一步研究。

3 西安地鐵2號線SVG改造

西安地鐵2號線主變電站采用RSVG設備，斷路器合閘允許信號未上傳到站級PSCADA，造成合閘時必須有一人在SVG設備室觀察合閘允許信號。信號發出后，15s內通知控制室的另一人進行操作，否則不能進行合閘。所以經研究對SVG進行了改造，將合閘允許信號上傳到站級PSCADA，使設備的操作更加方便。

4 對無功補償裝置的展望

目前，我國地鐵變電所普遍采用的是固定并聯電容補償方式，存在投切不及時、無功補償效果不好等問題，或者在使用過程中出現較高的過電壓，導致供電設備易出現故障等，這些都有待于我們進一步來解決和完善。相信隨著電力電子技術的迅速發展，這些問題都將得到很好的解決，在不久的將來，基于瞬時無功功率概念和補償原理的靜止無功發生器將成為無功補償技術的發展方向。

［1］焦劍揚，劉明光.牽引變電所無功補償方式綜述.電氣開關，2006（6）

［2］榮信RSVG多重化無功補償裝置說明書

［3］西安地鐵2號線設計施工圖紙