磁控电抗器与SVG配合补偿在地铁供电系统中的应用
曾委
摘 要：无功功率的动态调节在改善电网的电压质量、稳定性以及安全和经济性方面起着重要的作用，地铁工程的快速发展对地铁供电系统无功补偿装置的动态性能、补偿精度和设备可靠性提出了越来越高的要求，基于此，该文首先阐述了地铁供电系统中传统SVG补偿方式的运用，然后介绍了磁控电抗器补偿的内涵，最后重点探讨了磁控电抗器与SVG配合补偿方式，以期为磁控电抗器与SVG配合补偿在地铁供电系统中的应用提供参考。
关键词：MCR;SVG;地铁供电系統
中图分类号： TM714.3? ? ? ? ? 文献标志码：A
0 引言
随着城市轨道交通的飞速发展，地铁供电系统的重要性越来越高，对城市轨道交通供电系统的质量要求也越来越高。因此，地铁供电系统功率因数的高低决定了地铁供电系统的供电质量，对提升电能效益具有积极意义。但是在实际应用中，地铁用电负荷随时间呈现不均匀性，大量的感性负载及容性负载分部，使得地铁供电系统的功率功率因数时刻在变化，地铁的供电质量有待提高。一般而言，供电管理部门会根据相关的电源管理规定确定功率因数，设置下限值。因此，积极有效地进行地铁供电系统内的无功补偿，提高功率因数，成为现场应用研究的重点问题。
1 地铁供电系统中传统SVG补偿方式介绍
现在比较常见的补偿方式是在地铁供电系统35 kV电源母线上，并联SVG动态补偿装置和固定电抗器进行配合补偿，固定电抗器为供电系统提供固定的感性无功，用于补偿高压电缆的容性无功。SVG动态无功补偿装置以大功率IGBT管为核心[1]，通过调节工作方式，可以补偿容性无功，又可以补偿感性无功。通常SVG通过连接变压器接入35 kV母线，与系统电压保持同频、同相，通过调节输出电压的幅值与系统电压幅值之间的关系来确定输出功率的性质，即当电压幅度值高于系统侧，则其作为容性运行，输出容性无功功率，抬升网压;反之当电压幅度小于系统侧电压幅度时，其作为感性运行，输出感性无功功率，拉低网压。SVG动态无功补偿装置的优点是响应时间快、工作范围广，缺点是控制复杂且成本高。采用SVG加固定电抗器的补偿方式是将设备并接入35 kV中压系统，补偿的容量有限[2]。
2 磁控电抗器补偿方式介绍
2.1 磁控电抗器电气结构与原理
磁控电抗器（MCR）是指磁阀式可控电抗器，是一种容量可调节的电抗器。磁控电抗器采用并联方式接入110 kV系统，通过调节磁控电抗器的输出容量实现对容性无功的补偿。磁控电抗器的工作原理是通过改变电抗器内直流电流的大小来改变铁心的磁饱和度[3]，从而平滑地改变电抗值和电抗容量，实现容量的平滑调节。磁控电抗器的结构原理如图1所示。
铁芯电抗器的电感计算式：
式中：Ψ —磁链，Φ —磁通，I —电流，W— 绕组匝数，μr—相对磁导率，μ0—真空磁导率，l0—磁路长度，S0—磁路截面积。
根据公式，通过改变电抗器铁芯磁路的磁导率μr，就可以达到调节电抗器电抗的目的。
磁控电抗器接入线路的电气等效图如图2所示。
磁控电抗器通过控制保护装置采样110 kV线路侧电流、电压及电抗器回路的电流，实时计算系统内无功功率，根据设定的运行方式自动计算补偿目标值，通过调节励磁装置导通角的方式改变磁控电抗器铁芯的磁导率，连续、自动地调节电抗器的输出容量，达到补偿系统容性无功的目的[4]。
2.2 磁控电抗器的应用方向
磁控电抗器可以实时动态地调节感性无功的大小，所以适用于补偿供电系统中时刻变化的容性无功或者相间不平衡的容性无功。在实际应用中，通过与固定电容器组配合使用，可以进行动态的感性无功补偿也可以补偿固定的容性无功。对比固定电抗器补偿的方式，可以实时调节感性无功的补偿装置，适用范围更加广泛。
3 磁控电抗器与SVG配合补偿方式研究
3.1 实现策略
SVG作为可以补偿容性无功与感性无功的装置，具有精度高、响应速度快的优点。磁控电抗器（MCR）作为单独补偿感性无功的装置，具有补偿容量大，可以自动调节感性无功大小的特点，相应速度方面比SVG略逊色些。因此将2种设备组合进行补偿有2种控制方式。1）SVG控制装置接收地铁供电系统主变电所进线侧的电压、电流信号，并以电网侧变电所110 kV出线电流为关键控制点，控制目标为考核点功率因数。磁控电抗器作为从控制设备，在实际运行中不做自主调节，设置为恒出力状态，或者根据110 kV母线电压分级调节无功出力，设置补偿功率不大于设备的额定功率。2）磁控电抗器作为主控设备接收地铁主变电所110 kV进线侧的电压、电流型号，以电网侧变电所110 kV出线电流为关键控制点，控制目标为考核点功率因数。SVG以地铁主变电所110 kV母线电压及110 kV进线电流为关键控制点，控制目标为向110 kV系统输送设定目标的功率。
3.2 性能指标
性能指标有5点。1）电抗器容量调节范围1%～100%，无级调节，响应过渡时间不大于200 ms。2）电抗器正常工作时产生的谐波含量：5次≦5.0%，7次≦2%，11次≦1.2%。3）SVG装置可实现大容量和无级补偿，无功容量可连续调节平滑输出。4）SVG装置的动态响应时间不大于1 ms，装置闭环响应时间不大于10 ms。5）保证系统补偿后的功率因数大于等于0.95[5]。
4 配合补偿方式的应用效果
成都地铁某线路采用了SVG+磁控电抗器的补偿方式，该项目在送电之后，单独投用MCR可以起到一定的补偿效果，在负载变化不大的送电初期，经过调试可以很好地补偿110 kV线路及地铁系统内的35 kV电缆产生的容性无功，功率因数能够达到0.9以上。后期随着地铁系统各站点投入设备的增加及地铁正式运行，负载的变化将更加复杂，SVG和磁控电抗器配合补偿的方式将很好地调节地铁供电系统侧的无功功率，使功率因数始终保持在0.95以上的水平。
5 配合补偿方式的应用前景展望
各大城市地铁线路建设得越来越多，越来越密集，城市中心的电网负荷将难以满足地铁线路如此庞大的电能需求，不得不考虑从更远的郊区电网变电所接电，远距离高压电缆输电，需要的补偿设备容量也将更大，在不同的电压等级下进行补偿是一种新的方式，而且传统的将所有补偿装置集中于35 kV母线上，随着补偿装置的运行，对系统电压造成较大的波动，不利于其他设备的正常工作，将容量分散到不同的电压等级，尤其是在110 kV等级的母线上进行补偿，有利于35 kV电压等级设备的正常运行。磁控电抗器作为可调节的感性无功补偿装置，较固定电抗器更有优势，而且磁控电抗器可以根据供电系统某一相的补偿需要，进行差别补偿，应用范围更加广泛，因此采取磁控电抗器与SVG配合补偿的方式，在地铁供电系统中有较好的应用前景。
6 结论
随着城市轨道交通的飞速发展，对城市轨道交通供电系统的质量要求也越来越高。该文探讨了110 kV磁控电抗器与35 kV SVG配合补偿的方案，经现场实际应用，该方案能满足地铁供电系统对功率因数补偿的需求，提高了电能质量，具有较好的适用性。
参考文献
[1]廖钧.城市轨道供电系统无功补偿方案研究[D].成都：西南交通大学，2017.
[2]曾之煜.无功补偿技术在地铁供电系统的应用[J].都市快轨交通，2014，27（5）：101-103.
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[4]孙永革.基于磁控电抗器的城市轨道交通供电系统工程无功补偿装置研究[J].黑龙江科技信息，2017（16）：99-100.
[5]赵士硕.磁控电抗器动态无功补偿装置研究[D].北京：华北电力大学，2013.
