動態無功補償裝置SVG在城市軌道交通變電站的應用

朱俊 余瀾明 胡龍龍

動態無功補償裝置SVG在城市軌道交通變電站的應用

朱俊 余瀾明 胡龍龍

（江西省電力設計院）

本文論述了動態無功補償裝置SVG在城市軌道交通變電站的應用，闡述了SVG的基本工作原理及其在城市軌道交通變電站應用的優勢。而后，結合具體工程實例，詳細分析了在城市軌道交通變電站工程設計中，SVG容量選取的依據和方法，具有一定的工程應用價值。

軌道交通；SVG；無功補償

引言

城市軌道交通運量大、速度快、安全、準時，并且節約能源和用地，優先發展以軌道交通為骨干的城市公共交通系統被視為解決城市的交通問題的根本出路。進入21世紀，我國軌道交通進入了高速發展時期。而從能源的角度上來說，軌道交通工具都是使用電驅動的。因此，在很多城市，軌道交通系統也漸漸成為了城市電網中重要的用電負荷。城市軌道交通系統中，由于存在大功率整流電路最為列車牽引動力，而其動力照明系統也存在大量的電機拖動（電梯、冷水機組、風機等）等非線性負載，并且地鐵本身運行時存在高峰、低谷狀態導致其為不對稱負荷，容易帶來無功和諧波這兩個電能質量問題。當前，已有很多城市的軌道交通供電系統中使用SVG裝置作為無功補償調節裝置。SVG更快的響應時間，更平滑的電壓控制能力、欠電壓條件下更強的補償能力，能較好地解決軌道交通供電系統的電能質量問題，對提高電網穩定性和電能質量很有意義。

1 SVG原理

SVG裝置屬于大功率電力電子技術領域。裝置以鏈式H橋電壓逆變器為核心，通過調節其輸出電壓幅值與系統電壓幅值的關系來確定輸出功率的性質與容量，主電路如圖1所示。

SVG通過調節其輸出電壓幅值、相位與系統電壓幅值、相位的關系來確定輸出無功功率的性質與容量，當其幅值（和相位）大于系統側電壓幅值（和相位）時輸出容性無功，反之，輸出感性無功，其無功控制原理如圖2所示。

圖1 鏈式SVG主電路結構

2 SVG的特點

和其他的無功補償裝置相比，SVG應用在城市軌道交通系統主變電站主要能表現出以下特點和優勢。

2.1 補償能力強

圖2 SVG無功補償工作原理示意圖

城市軌道交通由于多使用電纜接線，而電纜本身是標準的圓柱形電容器。這使得城軌主變電站在高峰狀態下，需要感性的無功補償；而在低谷狀態下，又需要容性的無功補償。所以，如果將整個城軌系統作為一個大負荷考慮，則其是一個日均不穩定負荷，這要求城軌系統主變電站的無功補償裝置能夠快速響應地鐵負荷的變化。SVG可實現感性無功和容性無功的連續平滑雙向快速調節，在選型合適的情況下，任意時刻的功率因數接近于1.0。

2.2 諧波特性好

《電能質量公用電網諧波》（GB/T 14549-1993）指出諧波的定義為：對周期性交流量進行傅里葉級數分解，得到頻率為基波頻率大于1的整數倍的分量。諧波問題屬于非線性負荷用電特性問題，是非線性負荷所固有的特性。只要有這類負荷接入電網，就會產生諧波問題。SVG采用橋式電路的PWM技術可以消除低次諧波，對于次數較高的諧波電流也可以減小到可以接受的程度。所以在城軌主變電站以SVG為無功補償裝置，就不再需要配置額外的消諧裝置。

2.3 響應速度快

在常用的無功補償裝置中，SVG的響應速度是最快的。自動投切電容器組裝置，由于電容器放電時間的限制，響應需要幾秒鐘；SVC的響應時間約為20～100ms；SVG的響應時間小于10ms，不少廠商宣稱可做到小于5ms，可實現真正的動態補償。

2.4 運行安全性可靠性高

SVG是電流可控型，對系統參數不敏感，不會出現補償能力隨著電壓降低而變弱的情況。SVG還具備較強的短時過載能力（為額定電流的25%），只要不是持續（秒級以上）的運行在額定電流之上，IGBT都具有很強的過載能力。由于SVG的諧波特性，SVG不需設置濾波器組，并且IGBT是可關斷器件，這就從機理上避免了諧振現象。最后，大部分廠商的SVG都采用了IGBT功率模塊N+1運行方式，即某單個IGBT功率模塊出現故障，并不影響整個系統的運行。這些特點和措施，都大大提高了SVG運行的安全性和可靠性。

2.5 占地面積小，運行損耗低

目前來講，限制SVG發展的一個主要問題在于，SVG的價格相對較高。目前來看，在同等條件下，SVG設備的初期投資為普通電容器組的6倍，抑制諧波型電容器組的4倍，晶閘管投切電容器組（TSC）的2倍，SVC的1.5倍。從這個角度上講，SVG是當前最昂貴的無功補償裝置。但是，從另一個角度上講，SVG的等效運行損耗一般只有SVC的1/3～1/2，等效運行耗電量大大低于SVC。同時，SVG不含有體積龐大的濾波支路和電抗器，安裝尺寸一般只有SVC的1/5～1/3。運行損耗低，可以降低運行成本；占地面積小，可以節約土地資源。這兩點，都可以彌補SVG初期投資高的不足。

3 城軌主變電站中SVG選型依據

在給城軌配置SVG時，優選考慮SVG的補償范圍。而SVG的無功補范圍，又以城軌主變電站實際的無功補償容量為依據。城軌主變電站要精確配置無功損耗裝置，需要詳細計算。一個城市軌道交通供電系統主要由三個部分組成：電力網供電系統、牽引供電系統和動力照明系統。電力網供電系統又由分為電纜網絡和配電變壓器；牽引供電系統主要由整流機組組成；動力照明供電系統主要保障安保、信號、照明、通風、排水等設備的電能。在電力網供電系統中，主要組成部分是變壓器（包括動力變壓器和整流變壓器）和電力電纜。所以計算無功負荷時要分別計算變壓器無功損耗和電纜無功損耗。

變壓器無功損耗的計算公式為：

式中：QT為變壓器無功損耗，單位為kVar；UK為變壓器短路電壓百分數；IO%為空載電流百分數；S為變壓器的視在功率，單位為kVA；SN為變壓器額定容量，單位為kVA。

電纜無功損耗的計算公式為：

式中：QL為線路電抗產生的無功損耗，單位為kVar；I為線路額定電流，單位為A；X為線路的阻抗。

電纜的充電功率計算公式為：

式中：U為線路額定電壓，單位為kV；f為電力系統頻率，取50Hz；c為單位長度導線單相對地電容，單位uF/km；L為導線長度，單位為km。通過以上公式，計算出系統中不同狀態下，所有變壓器的無功損耗和電纜的無功損耗和充電功率，就可以得出不同狀態下所需補償的功率大小。

4 工程實例

南昌市軌道交通1號線采用集中供電方式，二級電壓供電制式，由兩個主變電所引入110kV電源，降壓為35kV，為全線各牽引、降壓變電所供電。而彭家橋主變電所為兩個主變電所之一。

在彭家橋主變電所設計時，根據國家電網公司《電力系統無功補償配置技術原則》（Q/GDW212-2008）中相關規定，建成投產后在主變最大負荷時其高壓側功率因數應不低于0.95，在低谷負荷時功率因數不應高于0.95，不低于0.92。

由于主變電所線路工程均采用電纜，充電功率較大，變電所投運初期供電負荷較小情況時會產生無功倒送主網情況，且考慮到地鐵牽引變存在一定諧波污染，因此，110kV彭家橋主變電所低壓35kV側均考慮裝設SVG裝置，即可進行動態無功補償提高電壓水平，也可有效抑制諧波污染對電網產生不良影響。

無功補償量如表1所示（運營各期按功率因數補償到1為基準）。

表1 最大補償量表（單位：kVar）

在表1中，正值表示需要SVG輸出的感性無功值，負值表示需要SVG輸出的容性無功值。最終，彭家橋主變電所選擇了35kV降壓式SVG，補償范圍為-3.5～3.5MVAr。

[1]電能質量公用電網諧波（GB/T14549-1993）[S].國家技術監督局，1993.

[2]電力系統無功補償配置技術原則（Q/GDW212-2008）[S].國家電網公司，2008.

[3]隋佳斌，SVG技術在城市軌道交通的應用研究[D].華南理工大學，2012.

[4]陸然.城市軌道交通變電站中的無功補償分析[J].天津電力技術，2011（2）：31～32.

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2016-10-18