动态无功补偿装置SVG在城市轨道交通变电站的应用

朱俊 余澜明 胡龙龙

动态无功补偿装置SVG在城市轨道交通变电站的应用

朱俊 余澜明 胡龙龙

（江西省电力设计院）

本文论述了动态无功补偿装置SVG在城市轨道交通变电站的应用，阐述了SVG的基本工作原理及其在城市轨道交通变电站应用的优势。而后，结合具体工程实例，详细分析了在城市轨道交通变电站工程设计中，SVG容量选取的依据和方法，具有一定的工程应用价值。

轨道交通；SVG；无功补偿

引言

城市轨道交通运量大、速度快、安全、准时，并且节约能源和用地，优先发展以轨道交通为骨干的城市公共交通系统被视为解决城市的交通问题的根本出路。进入21世纪，我国轨道交通进入了高速发展时期。而从能源的角度上来说，轨道交通工具都是使用电驱动的。因此，在很多城市，轨道交通系统也渐渐成为了城市电网中重要的用电负荷。城市轨道交通系统中，由于存在大功率整流电路最为列车牵引动力，而其动力照明系统也存在大量的电机拖动（电梯、冷水机组、风机等）等非线性负载，并且地铁本身运行时存在高峰、低谷状态导致其为不对称负荷，容易带来无功和谐波这两个电能质量问题。当前，已有很多城市的轨道交通供电系统中使用SVG装置作为无功补偿调节装置。SVG更快的响应时间，更平滑的电压控制能力、欠电压条件下更强的补偿能力，能较好地解决轨道交通供电系统的电能质量问题，对提高电网稳定性和电能质量很有意义。

1 SVG原理

SVG装置属于大功率电力电子技术领域。装置以链式H桥电压逆变器为核心，通过调节其输出电压幅值与系统电压幅值的关系来确定输出功率的性质与容量，主电路如图1所示。

SVG通过调节其输出电压幅值、相位与系统电压幅值、相位的关系来确定输出无功功率的性质与容量，当其幅值（和相位）大于系统侧电压幅值（和相位）时输出容性无功，反之，输出感性无功，其无功控制原理如图2所示。

图1 链式SVG主电路结构

2 SVG的特点

和其他的无功补偿装置相比，SVG应用在城市轨道交通系统主变电站主要能表现出以下特点和优势。

2.1 补偿能力强

图2 SVG无功补偿工作原理示意图

城市轨道交通由于多使用电缆接线，而电缆本身是标准的圆柱形电容器。这使得城轨主变电站在高峰状态下，需要感性的无功补偿；而在低谷状态下，又需要容性的无功补偿。所以，如果将整个城轨系统作为一个大负荷考虑，则其是一个日均不稳定负荷，这要求城轨系统主变电站的无功补偿装置能够快速响应地铁负荷的变化。SVG可实现感性无功和容性无功的连续平滑双向快速调节，在选型合适的情况下，任意时刻的功率因数接近于1.0。

2.2 谐波特性好

《电能质量公用电网谐波》（GB/T 14549-1993）指出谐波的定义为：对周期性交流量进行傅里叶级数分解，得到频率为基波频率大于1的整数倍的分量。谐波问题属于非线性负荷用电特性问题，是非线性负荷所固有的特性。只要有这类负荷接入电网，就会产生谐波问题。SVG采用桥式电路的PWM技术可以消除低次谐波，对于次数较高的谐波电流也可以减小到可以接受的程度。所以在城轨主变电站以SVG为无功补偿装置，就不再需要配置额外的消谐装置。

2.3 响应速度快

在常用的无功补偿装置中，SVG的响应速度是最快的。自动投切电容器组装置，由于电容器放电时间的限制，响应需要几秒钟；SVC的响应时间约为20～100ms；SVG的响应时间小于10ms，不少厂商宣称可做到小于5ms，可实现真正的动态补偿。

2.4 运行安全性可靠性高

SVG是电流可控型，对系统参数不敏感，不会出现补偿能力随着电压降低而变弱的情况。SVG还具备较强的短时过载能力（为额定电流的25%），只要不是持续（秒级以上）的运行在额定电流之上，IGBT都具有很强的过载能力。由于SVG的谐波特性，SVG不需设置滤波器组，并且IGBT是可关断器件，这就从机理上避免了谐振现象。最后，大部分厂商的SVG都采用了IGBT功率模块N+1运行方式，即某单个IGBT功率模块出现故障，并不影响整个系统的运行。这些特点和措施，都大大提高了SVG运行的安全性和可靠性。

2.5 占地面积小，运行损耗低

目前来讲，限制SVG发展的一个主要问题在于，SVG的价格相对较高。目前来看，在同等条件下，SVG设备的初期投资为普通电容器组的6倍，抑制谐波型电容器组的4倍，晶闸管投切电容器组（TSC）的2倍，SVC的1.5倍。从这个角度上讲，SVG是当前最昂贵的无功补偿装置。但是，从另一个角度上讲，SVG的等效运行损耗一般只有SVC的1/3～1/2，等效运行耗电量大大低于SVC。同时，SVG不含有体积庞大的滤波支路和电抗器，安装尺寸一般只有SVC的1/5～1/3。运行损耗低，可以降低运行成本；占地面积小，可以节约土地资源。这两点，都可以弥补SVG初期投资高的不足。

3 城轨主变电站中SVG选型依据

在给城轨配置SVG时，优选考虑SVG的补偿范围。而SVG的无功补范围，又以城轨主变电站实际的无功补偿容量为依据。城轨主变电站要精确配置无功损耗装置，需要详细计算。一个城市轨道交通供电系统主要由三个部分组成：电力网供电系统、牵引供电系统和动力照明系统。电力网供电系统又由分为电缆网络和配电变压器；牵引供电系统主要由整流机组组成；动力照明供电系统主要保障安保、信号、照明、通风、排水等设备的电能。在电力网供电系统中，主要组成部分是变压器（包括动力变压器和整流变压器）和电力电缆。所以计算无功负荷时要分别计算变压器无功损耗和电缆无功损耗。

变压器无功损耗的计算公式为：

式中：QT为变压器无功损耗，单位为kVar；UK为变压器短路电压百分数；IO%为空载电流百分数；S为变压器的视在功率，单位为kVA；SN为变压器额定容量，单位为kVA。

电缆无功损耗的计算公式为：

式中：QL为线路电抗产生的无功损耗，单位为kVar；I为线路额定电流，单位为A；X为线路的阻抗。

电缆的充电功率计算公式为：

式中：U为线路额定电压，单位为kV；f为电力系统频率，取50Hz；c为单位长度导线单相对地电容，单位uF/km；L为导线长度，单位为km。通过以上公式，计算出系统中不同状态下，所有变压器的无功损耗和电缆的无功损耗和充电功率，就可以得出不同状态下所需补偿的功率大小。

4 工程实例

南昌市轨道交通1号线采用集中供电方式，二级电压供电制式，由两个主变电所引入110kV电源，降压为35kV，为全线各牵引、降压变电所供电。而彭家桥主变电所为两个主变电所之一。

在彭家桥主变电所设计时，根据国家电网公司《电力系统无功补偿配置技术原则》（Q/GDW212-2008）中相关规定，建成投产后在主变最大负荷时其高压侧功率因数应不低于0.95，在低谷负荷时功率因数不应高于0.95，不低于0.92。

由于主变电所线路工程均采用电缆，充电功率较大，变电所投运初期供电负荷较小情况时会产生无功倒送主网情况，且考虑到地铁牵引变存在一定谐波污染，因此，110kV彭家桥主变电所低压35kV侧均考虑装设SVG装置，即可进行动态无功补偿提高电压水平，也可有效抑制谐波污染对电网产生不良影响。

无功补偿量如表1所示（运营各期按功率因数补偿到1为基准）。

表1 最大补偿量表（单位：kVar）

在表1中，正值表示需要SVG输出的感性无功值，负值表示需要SVG输出的容性无功值。最终，彭家桥主变电所选择了35kV降压式SVG，补偿范围为-3.5～3.5MVAr。

[1]电能质量公用电网谐波（GB/T14549-1993）[S].国家技术监督局，1993.

[2]电力系统无功补偿配置技术原则（Q/GDW212-2008）[S].国家电网公司，2008.

[3]隋佳斌，SVG技术在城市轨道交通的应用研究[D].华南理工大学，2012.

[4]陆然.城市轨道交通变电站中的无功补偿分析[J].天津电力技术，2011（2）：31～32.

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2016-10-18