摘要：伴随着城市化进程的快速推移，城市交通拥堵现象日益严重，地铁作为缓解城市拥堵的重要途径，近年来得到迅速发展。供电系统作为地铁运行的关键系统，其电能质量水平的提升需要供电系统功率因素的提升，并同时降低无功和谐波。SVG（静止无功补偿装置）在其中发挥了十分重要的作用，因此文章结合实例，就地铁11KV主变电所SVG无功补偿展开相关论述。
关键词：地铁；110kv变电所；SVG无功补偿
目前，根据电压等级划分，地铁多采用110kV/35kV两级集中供电方式，每条地铁线路一般设置2～3个主变电所，电压等级为110kV，通过主变压器降压为35kV。主变电所35kV中压系统采用分区供电方式，对应35kV子变电所以交流电缆为媒介，通过串接的方式组成相应的供电分区。地铁作为城市电网的重要用户，其负荷等级属于一级负荷，供电系统的电压质量是衡量供电系统运行质量的重要指标之一，系统电压的变化将对地铁的各类负载产生影响。因此，地铁中的无功补偿装置对于提高供电系统的功率具有重要的现实意义。
一、地铁无功补偿的现状
通常情况下，地铁的供电系统使用的供电制式是两级供电，一级是专用 110kv 的主变电所，而下一级为 35kv 牵引所、降压所、牵引降压混合所，地铁属于高压用电，在不采取无功补偿措施的情况下，大部分主变电所每月的平均功率因数低于 0.9。照明负荷、列车牵引负荷是地铁中主要的用电负荷；其中动力负荷设备主要是电动机、照明设备采用LED 等；由于电动机和 LED 采用变频技术，这些低压设备具有较低的功率因数，在设计时一般采取分散就地补偿的原则。相比之下，列车的牵引负荷功率因数较高，平均不低于 0.95。集中补偿与分散补偿相结合是地铁供电系统的无功补偿原则，分散补偿针对的主要是各低压设备，对此进行就地补偿装置。集中补偿是在 35kv 和 380V 侧进行的。而地铁主变电所功率因数不达标，且呈容性的主要原因是地铁供电线路大量采用电缆，其中以 110kv 及 35kv 环网电缆容抗影响最大，同时存在主变压器损耗，需补偿其无功损耗，以此降低供电系统的无功功率需求，实现供电网络的无功耗损的降低，提高其功率因数。在地铁运行中，各个车站变电所以下的配电线路通过向负荷端输送，为用户提供所需的无功。为了达到降低线路压降的目的，需要在发生无功功率的地方进行及时就地补偿，就地平衡无功，对长距离的电力输送起到减缓的作用。我国目前的地铁运营，在对地铁线路的供电系统进行设计时，对于无功补偿，应遵循低压分散就地补偿原则，即：谁产生谁补偿。根据实际的、具体的地铁变电所的负荷无功状况，在各个车站、区间的变电所内设置低压电容无功补偿柜，确保地铁变压所的功率达到 0.9 的因数，减少变压器的穿越功率。近几年，一些地铁的运营中，存在供电局考核罚款的现象，且罚款数额较大，为了解决供电局考核的罚款问题，各地铁才开始在主变电所装设无功补偿装置。
二、SVG无功功率装置的工作原理与特点
静止型动态无功发生器 SVG（Static Var Genera⁃tor），这种无功功率补偿主要是基于电压源型逆变器的原理。国际上的通用称呼为：静止同步补偿器。这种静止同步补偿器是最近几年才推出来的新型无功补偿装置。这种新型的配套装置需要采用大量的绝缘装置、双极性晶体管，这样才能输出更大电量，才能提供一个更有力的供电组织，从而实现电力系统的双向补偿，既可以输出感性无功又可以输出容性无功。当 SVG 装置采用的是直流电时，不仅可以跟踪补偿冲击电流，还可以对谐波电流实施跟踪补偿。同时，由于 SVG 装置中运用了电子逆变技术，在无功补偿的过程中，就会产生一个电流与需要补偿的对象产生抵消作用，这个电流与需要补偿的对象应大小相同，方向相反，使功率的因数接近于 1。SVG 具有自身的特点，第一，SVG 有抗谐波的特点，以此保障系统的安全运行。因为 SVG 使用的是可控电流源，因此进行补偿的对象仅是基波无功电流，不会因系统谐波电流而损坏补偿设备，从而减少设备维护的工作，延长设备的使用寿命。SVG 是并联作用，这就避免了因串电抗的电容器组而放大了谐波，防止因为谐波的过电压而损坏系统的补偿设备和其他设备。第二，SVG 具有动态连续平滑补偿的特点，可以较高速的响应速度，达到更好的电压闪变得的补偿效果。它可以根据负载的变化，连续动态地对功率因数实施补偿，可以吸收无功，也可以发送无功，从而杜绝无功倒送情况的发生。第三，解决负荷的不平衡。此外还可以在补偿无功功率的过程中，同步的动态的补偿谐波。此外SVG 的优势有：其与传统的电容无功补偿装置相比，SVG 在补偿方式、补偿时间、有级无极、谐波滤除、使用寿命等方面具有很大的优势。在补偿方式方面，通过传统的电容无功补偿装置补偿后，一般会到达 0.85 左右的功率因数。而采用 SVG，通过电源模块实行无功补偿后，会提高功率因数，使其达到 0.97 或者以上，对冲击负荷有很好的补偿效果。就补偿时间而言，在传统的无功补偿过程中，实施每次补偿需要的时间都不少于 200 毫秒，而 SVG 完成一次补偿需要的时间在 5-20 毫秒之间。同时，应在瞬间完成无功补偿，补偿时间较长时会出现不该补偿无功的时候进行补偿，而该补偿无功时却没有的不好现象。此外，SVG 不会放大谐波，对较多的谐波进行滤除，使用寿命一般超过十年，具有极小的耗损，对此不需要维护。
三、地铁变电所中 SVG的适应性
随着城市地铁的快速发展，地铁运营线路逐年增加，功率因数较低引起的电能质量问题逐渐受到重视。大量无功功率导致的功率因数问题需要解决，伴随着冲击性无功功率带来的电压波动和闪变等问题也需要解决。另外，由于大量整流器件的非线性特性，给供电系统带来了大量的谐波电流，影响了系统的稳定运行，需有效解决。
（一）谐波治理
含有变频设备的动照负荷和需要整流设备的牵引负荷是地铁供电系统谐波的两个主要来源。整流机组输出脉波数影响整流机组产生的谐波电流次数。在理想状态下，整流机组高压侧产生的谐波电流次数可表达为：N*A±1，其中 N 为正数，A 表示整流机组脉波数，从而可以得出机组脉波数越高，就会产生越少的较低次数的谐波，对系统将产生较小的影响。同时，为了更有效的减少谐波的污染，可采用 24 脉波的整流机组，使谐波的产生更少。动力照明负荷主要有排水、消防、通风、车站照明、自动扶梯等，包括大量的变频负荷。在我国目前的地铁线路的建设中，可设置有源的滤波装置以减少动力照明负荷产生的谐波。所用，在使用 SVG 装置时可同时使用有源滤波装置。
（二）无功补偿
动力照明负荷和牵引负荷的性质决定地铁供电系统的功率因数。就牵引负荷而言，一般采用的方式是 24 脉波整流，理论基波的功率因数达到 0.98，总功率因数达到 0.95。地铁运营的初期，动力和牵引负荷小，夜间的负荷较低，供电系统的功率因数较低，由于电缆的充电无功影响，此时主变电所功率因数呈容性，需要发出容性无功对其进行补偿。SVG 无功补偿装置，可以根据负荷的波动，自动地对系统功率的因数进行调整，发出或者吸收无功，以此适应地铁供电系统的负荷。同时，由于地铁主变电所无功补偿主要是补偿 110kv 和 35kv 电缆的充电容性无功功率，补偿到功率因数成感性，以此防止系统谐振。
（三）确定 SVG 的安装容量
就地铁系统而言，安装在主变电所的 SVG 对母线进行集中补偿，的过程中，应对变压器、电缆、动力照明负荷、牵引负荷等设备进行无功及有功计算。由于供电系统在白天上下班高峰时是相对满载的状态，在夜间时是低载或者相当于空载，因此，在计算时，应分别计算出满载状态、低载状态时的无功及有功、重点考虑 110kv 及 35kv 电缆的充电容性无功，同时根据将功率因数补偿到 0.9 的要求，对 SVG 的安装容量进行合理的计算、确定、校核。
四、应用实例
（一）工程概况
某地铁系统中，运用的是无功补偿装置为 RSVG系列高压静止无功补偿装置，型号为 RSVG-6M/ 35k V-CT，主要由控制柜、功率柜和充电柜 3 大部分组成。（1）控制柜。控制柜由工控机、控制系统硬件和电源系统组成。工控机是系统内上位机软件的运行系统，是与外部系统进行人机交互的接口；为保证供电的可靠性，电源系统采用冗余设计；控制系统硬
件由主控单元和采样单元组成，是设备的核心部件。（2）功率柜。功率柜主要由功率单元组成，是无功补偿装置的主体部分。功率单元是 SVG 的核心主电路，其采用模块化设计，各模块单元结构和电气性能完全一致，用以实现功率变换。（3）充电柜。充电柜的作用是给设备充电，柜内装有电阻，通过柜内的充电电阻限制初始充电电流，待充电完成后，充电柜接触自动合闸。
（二）RSVG 装置的基本原理
该地铁所选用 RSVG 装置的工作原理是将自换相桥式电路通过电抗器并联在电网中，通过自动调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位或直接控制交流侧电流，吸收或发出符合要求的无功电流，起到无功补偿的作用。RSVG 控制原理如图 1 所示。
图 1 RSVG 控制原理
由于RSVG 并联在电网中，其无功电流可以快速地根据负载无功电流的变化进行调整，自动补偿系统所需无功功率。RSVG 的主要功能为：提高线路输电稳定性；稳定受电端电压；补偿系统无功功率，提高功率因数；谐波动态补偿，改善电能质量；抑制电压波动和闪变；抑制三相不平衡。
（三）技术应用
该地铁在两个变电所中各装设2台SVG 装置，35kV母线一、二段各设置 1 台 SVG，选用集中式安装方式。通过对比主变电所 SVG 退出与运行情况下的功率因数，可知当 SVG 退出后，功率因数普遍较低，当 SVG 投入运行后，功率因数均接近于 1，符合要求。
综上，在地铁的供电系统中安装 SVG 装置，对供电系统起到了无功补偿的作用。SVG 无功补偿具有自身的特点与优势，可以根据很负荷的变化动态进行无功补偿，调节功率因数，在使用寿命、补偿方式、时间等方面为地铁的供电系统的运营提供保障。文章结合某地铁实际，通过数据分析与实际应用验证可以看出，SVG对提高供电系统功率因数效果明显，同时 SVG 的应用使电能质量显著提高。功率因数的提高有助于减少能耗，提高能源利用率，同时 SVG 有助于谐波补偿，从而减少电网中谐波对地铁车辆等负载的干扰，保障地铁供电系统及车辆等负载运行的稳定。
参考文献：
[1]李宇航.基于谐波抑制的静止无功发生器的研究与实现[D].长春工业大学，2018
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[3]韩政伦.一种SVG与并联电容器协调运行的无功补偿装置研究[J].内燃机与配件，2018（06）
论文作者:李斌
论文发表刊物:《基层建设》2019年第6期
论文发表时间:2019/4/19
标签：功率因数论文; 谐波论文; 地铁论文; 供电系统论文; 变电所论文; 负荷论文; 装置论文; 《基层建设》2019年第6期论文;