朱俊 余瀾明 胡龍龍

動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置SVG在城市軌道交通變電站的應(yīng)用

朱俊 余瀾明 胡龍龍

（江西省電力設(shè)計(jì)院）

本文論述了動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置SVG在城市軌道交通變電站的應(yīng)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(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。而后，結(jié)合具體工程實(shí)例，詳細(xì)分析了在城市軌道交通變電站工程設(shè)計(jì)中，SVG容量選取的依據(jù)和方法，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

軌道交通；SVG；無(wú)功補(bǔ)償

引言

城市軌道交通運(yùn)量大、速度快、安全、準(zhǔn)時(shí)，并且節(jié)約能源和用地，優(yōu)先發(fā)展以軌道交通為骨干的城市公共交通系統(tǒng)被視為解決城市的交通問題的根本出路。進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)軌道交通進(jìn)入了高速發(fā)展時(shí)期。而從能源的角度上來(lái)說，軌道交通工具都是使用電驅(qū)動(dòng)的。因此，在很多城市，軌道交通系統(tǒng)也漸漸成為了城市電網(wǎng)中重要的用電負(fù)荷。城市軌道交通系統(tǒng)中，由于存在大功率整流電路最為列車牽引動(dòng)力，而其動(dòng)力照明系統(tǒng)也存在大量的電機(jī)拖動(dòng)（電梯、冷水機(jī)組、風(fēng)機(jī)等）等非線性負(fù)載，并且地鐵本身運(yùn)行時(shí)存在高峰、低谷狀態(tài)導(dǎo)致其為不對(duì)稱負(fù)荷，容易帶來(lái)無(wú)功和諧波這兩個(gè)電能質(zhì)量問題。當(dāng)前，已有很多城市的軌道交通供電系統(tǒng)中使用SVG裝置作為無(wú)功補(bǔ)償調(diào)節(jié)裝置。SVG更快的響應(yīng)時(shí)間，更平滑的電壓控制能力、欠電壓條件下更強(qiáng)的補(bǔ)償能力，能較好地解決軌道交通供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題，對(duì)提高電網(wǎng)穩(wěn)定性和電能質(zhì)量很有意義。

1 SVG原理

SVG裝置屬于大功率電力電子技術(shù)領(lǐng)域。裝置以鏈?zhǔn)紿橋電壓逆變器為核心，通過調(diào)節(jié)其輸出電壓幅值與系統(tǒng)電壓幅值的關(guān)系來(lái)確定輸出功率的性質(zhì)與容量，主電路如圖1所示。

SVG通過調(diào)節(jié)其輸出電壓幅值、相位與系統(tǒng)電壓幅值、相位的關(guān)系來(lái)確定輸出無(wú)功功率的性質(zhì)與容量，當(dāng)其幅值（和相位）大于系統(tǒng)側(cè)電壓幅值（和相位）時(shí)輸出容性無(wú)功，反之，輸出感性無(wú)功，其無(wú)功控制原理如圖2所示。

圖1 鏈?zhǔn)絊VG主電路結(jié)構(gòu)

2 SVG的特點(diǎn)

和其他的無(wú)功補(bǔ)償裝置相比，SVG應(yīng)用在城市軌道交通系統(tǒng)主變電站主要能表現(xiàn)出以下特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。

2.1 補(bǔ)償能力強(qiáng)

圖2 SVG無(wú)功補(bǔ)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(biāo)準(zhǔn)的圓柱形電容器。這使得城軌主變電站在高峰狀態(tài)下，需要感性的無(wú)功補(bǔ)償；而在低谷狀態(tài)下，又需要容性的無(wú)功補(bǔ)償。所以，如果將整個(gè)城軌系統(tǒng)作為一個(gè)大負(fù)荷考慮，則其是一個(gè)日均不穩(wěn)定負(fù)荷，這要求城軌系統(tǒng)主變電站的無(wú)功補(bǔ)償裝置能夠快速響應(yīng)地鐵負(fù)荷的變化。SVG可實(shí)現(xiàn)感性無(wú)功和容性無(wú)功的連續(xù)平滑雙向快速調(diào)節(jié)，在選型合適的情況下，任意時(shí)刻的功率因數(shù)接近于1.0。

2.2 諧波特性好

《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》（GB/T 14549-1993）指出諧波的定義為：對(duì)周期性交流量進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分解，得到頻率為基波頻率大于1的整數(shù)倍的分量。諧波問題屬于非線性負(fù)荷用電特性問題，是非線性負(fù)荷所固有的特性。只要有這類負(fù)荷接入電網(wǎng)，就會(huì)產(chǎn)生諧波問題。SVG采用橋式電路的PWM技術(shù)可以消除低次諧波，對(duì)于次數(shù)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(wú)功補(bǔ)償裝置，就不再需要配置額外的消諧裝置。

2.3 響應(yīng)速度快

在常用的無(wú)功補(bǔ)償裝置中，SVG的響應(yīng)速度是最快的。自動(dòng)投切電容器組裝置，由于電容器放電時(shí)間的限制，響應(yīng)需要幾秒鐘；SVC的響應(yīng)時(shí)間約為20～100ms；SVG的響應(yīng)時(shí)間小于10ms，不少?gòu)S商宣稱可做到小于5ms，可實(shí)現(xiàn)真正的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

2.4 運(yùn)行安全性可靠性高

SVG是電流可控型，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)不敏感，不會(huì)出現(xiàn)補(bǔ)償能力隨著電壓降低而變?nèi)醯那闆r。SVG還具備較強(qiáng)的短時(shí)過載能力（為額定電流的25%），只要不是持續(xù)（秒級(jí)以上）的運(yùn)行在額定電流之上，IGBT都具有很強(qiáng)的過載能力。由于SVG的諧波特性，SVG不需設(shè)置濾波器組，并且IGBT是可關(guān)斷器件，這就從機(jī)理上避免了諧振現(xiàn)象。最后，大部分廠商的SVG都采用了IGBT功率模塊N+1運(yùn)行方式，即某單個(gè)IGBT功率模塊出現(xiàn)故障，并不影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。這些特點(diǎn)和措施，都大大提高了SVG運(yùn)行的安全性和可靠性。

2.5 占地面積小，運(yùn)行損耗低

目前來(lái)講，限制SVG發(fā)展的一個(gè)主要問題在于，SVG的價(jià)格相對(duì)較高。目前來(lái)看，在同等條件下，SVG設(shè)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(gè)角度上講，SVG是當(dāng)前最昂貴的無(wú)功補(bǔ)償裝置。但是，從另一個(gè)角度上講，SVG的等效運(yùn)行損耗一般只有SVC的1/3～1/2，等效運(yùn)行耗電量大大低于SVC。同時(shí)，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(yùn)行損耗低，可以降低運(yùn)行成本；占地面積小，可以節(jié)約土地資源。這兩點(diǎn)，都可以彌補(bǔ)SVG初期投資高的不足。

3 城軌主變電站中SVG選型依據(jù)

在給城軌配置SVG時(shí)，優(yōu)選考慮SVG的補(bǔ)償范圍。而SVG的無(wú)功補(bǔ)范圍，又以城軌主變電站實(shí)際的無(wú)功補(bǔ)償容量為依據(jù)。城軌主變電站要精確配置無(wú)功損耗裝置，需要詳細(xì)計(jì)算。一個(gè)城市軌道交通供電系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成：電力網(wǎng)供電系統(tǒng)、牽引供電系統(tǒng)和動(dòng)力照明系統(tǒng)。電力網(wǎng)供電系統(tǒng)又由分為電纜網(wǎng)絡(luò)和配電變壓器；牽引供電系統(tǒng)主要由整流機(jī)組組成；動(dòng)力照明供電系統(tǒng)主要保障安保、信號(hào)、照明、通風(fēng)、排水等設(shè)備的電能。在電力網(wǎng)供電系統(tǒng)中，主要組成部分是變壓器（包括動(dòng)力變壓器和整流變壓器）和電力電纜。所以計(jì)算無(wú)功負(fù)荷時(shí)要分別計(jì)算變壓器無(wú)功損耗和電纜無(wú)功損耗。

變壓器無(wú)功損耗的計(jì)算公式為：

式中：QT為變壓器無(wú)功損耗，單位為kVar；UK為變壓器短路電壓百分?jǐn)?shù)；IO%為空載電流百分?jǐn)?shù)；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(wú)功損耗的計(jì)算公式為：

式中：QL為線路電抗產(chǎn)生的無(wú)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(jì)算公式為：

式中：U為線路額定電壓，單位為kV；f為電力系統(tǒng)頻率，取50Hz；c為單位長(zhǎng)度導(dǎo)線單相對(duì)地電容，單位uF/km；L為導(dǎo)線長(zhǎng)度，單位為km。通過以上公式，計(jì)算出系統(tǒng)中不同狀態(tài)下，所有變壓器的無(wú)功損耗和電纜的無(wú)功損耗和充電功率，就可以得出不同狀態(tài)下所需補(bǔ)償?shù)墓β蚀笮　?/p>

4 工程實(shí)例

南昌市軌道交通1號(hào)線采用集中供電方式，二級(jí)電壓供電制式，由兩個(gè)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(gè)主變電所之一。

在彭家橋主變電所設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司《電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償配置技術(shù)原則》（Q/GDW212-2008）中相關(guān)規(guī)定，建成投產(chǎn)后在主變最大負(fù)荷時(shí)其高壓側(cè)功率因數(shù)應(yīng)不低于0.95，在低谷負(fù)荷時(shí)功率因數(shù)不應(yīng)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(yùn)初期供電負(fù)荷較小情況時(shí)會(huì)產(chǎn)生無(wú)功倒送主網(wǎng)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(cè)均考慮裝設(shè)SVG裝置，即可進(jìn)行動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償提高電壓水平，也可有效抑制諧波污染對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生不良影響。

無(wú)功補(bǔ)償量如表1所示（運(yùn)營(yíng)各期按功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)?為基準(zhǔn)）。

表1 最大補(bǔ)償量表（單位：kVar）

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

[1]電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波（GB/T14549-1993）[S].國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局，1993.

[2]電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償配置技術(shù)原則（Q/GDW212-2008）[S].國(guó)家電網(wǎng)公司，2008.

[3]隋佳斌，SVG技術(shù)在城市軌道交通的應(yīng)用研究[D].華南理工大學(xué)，2012.

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

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2016-10-18