摘 要 介紹SVG在城市軌道交通供電系統(tǒng)的應(yīng)用，分析了SVG無功發(fā)生器的工作原理和功能作用后，結(jié)合深圳軌道交通XX線110 kV主變電所2×4.2 MVar SVG擴建項目，說明了SVG在城市軌道交通工程應(yīng)用中的負荷計算、接入方式選擇、損耗計算和散熱設(shè)計等相關(guān)方面遇到的問題和采取的措施。

關(guān)鍵詞 城市軌道交通供電系統(tǒng)；無功補償；SVG

中圖分類號 TM631 文獻標識碼 A 文章編號 1673-9671-(2012)062-0192-02

1 概述

城市軌道交通供電系統(tǒng)一般采用直流牽引，交流集中供電方式，變壓器數(shù)量較多、高壓供電回路以電纜為主，電纜總體長度長；動力、牽引變壓器、牽引機車、電纜、整流機組在輸電系統(tǒng)側(cè)產(chǎn)生的無功沖擊及各諧波比較明顯，這不僅惡化了電網(wǎng)供電電能質(zhì)量，導(dǎo)致功率因數(shù)低，同時還降低了電網(wǎng)供電可靠性，因此研究軌道交通供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量特點及采取相應(yīng)的治理措施解決好電氣化鐵道的無功補償和諧波的綜合治理，對提高供電的可靠性具有十分重要的意義。

2 SVG無功發(fā)生器的原理

靜止同步補償（SVG）裝置的原理：將電壓源型逆變器經(jīng)過電抗器或者變壓器T并聯(lián)在電網(wǎng)上，通過調(diào)節(jié)逆變器交流側(cè)輸出電壓V2的幅值和相位，改變輸入系統(tǒng)的無功電流I的幅值，達到迅速吸收或者發(fā)出無功功率的效果，實現(xiàn)快速動態(tài)調(diào)節(jié)無功的目的。

傳統(tǒng)的SVG采用M2δ控制，物理概念清晰，控制簡單，但是M2δ控制要求控制角精度高、系統(tǒng)同步精度高，否則會出現(xiàn)過流的情況，不適合需要補償沖擊、諧波及不對稱負荷的場合，而直接瞬時電流控制降低了對系統(tǒng)電壓同步信號的依賴性，可快速跟蹤負荷電流變化，承受沖擊能力強[1]，SVG原理接線及直接瞬時電流控制方法見圖1，采用直接瞬時電流控制， SVG不僅可以跟蹤補償沖擊型負載的無功沖擊電流，而且可以跟蹤補償負荷產(chǎn)生的諧波電流。

3 無功補償設(shè)備選擇

無功功率的平衡程度直接影響著電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定程度[2]，宜采用就地補償原則，根據(jù)《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》（JGJ/T 16-92），軌道交通屬于高壓電力用戶，計費在110 kV側(cè)，系統(tǒng)功率因數(shù)應(yīng)補償?shù)?.9以上[3]。

目前采用的無功補償設(shè)備主要有：并聯(lián)電容器（電抗器），SVC、SVG等。

與目前廣泛應(yīng)用的動態(tài)無功補償設(shè)備靜止無功補償器（Static Var Compensator，簡稱SVC）或其他補償設(shè)備相比，SVG具有更好的性能。

1）啟動沖擊?。翰捎米詣罘绞絾樱俣瓤烨覜_擊電流可限制在很小的幅值。

2）動態(tài)連續(xù)補償：可以從額定的感性工況到額定容性工況連續(xù)輸出，與固定電容器或電抗器組合可構(gòu)成任意范圍連續(xù)補償。

3）響應(yīng)速度快：具有5～10 ms的快速輸出無功特性，而傳統(tǒng)的SVC響應(yīng)時間一般在40～60ms（太快可能引起電抗和電容器產(chǎn)生振蕩）。

4）諧波特性好：SVG輸出電流完全可控，可以輸出接近正弦的基波無功電流，特別的，鏈式結(jié)構(gòu)的SVG，由于不需要連接變壓器，而且等效開關(guān)頻率高，可實現(xiàn)諧波補償功能，而SVC在運行過程中會產(chǎn)生大量不可控的諧波電流，需要附帶大量無源濾波支路來對自身產(chǎn)生的諧波電流進行濾波。

5）占地面積?。喊惭b尺寸一般只有SVC的1/2～1/3，配置更加靈活。

6）損耗小效率高：SVG等效運行損耗一般只有SVC的1/3～1/2。

7）補償能力強：SVG輸出電流不依賴于系統(tǒng)電壓，系統(tǒng)電壓跌至20%仍可輸出額定無功電流，而SVC輸出電流與系統(tǒng)電壓成正比下降.達到同等補償效果SVG容量可以比SVC容量小20%～30%。

8）可靠性好：SVG可等效為一個可控電流源，對外部系統(tǒng)運行條件和結(jié)構(gòu)變化不敏感，不會出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，而SVC采用大量電容電抗器，當外部系統(tǒng)容量與補償裝置的容量可比時，會產(chǎn)生不穩(wěn)定性而發(fā)生振蕩。

考慮軌道交通的實際情況，宜采用SVG設(shè)備進行無功補償。

4 SVG在軌道交通工程應(yīng)用

2011年12月深圳軌道交通XX線開始進行110 kV主變電所SVG擴建工程，XX線共有2座110 kV主變電所，每座主所容量均為2×40MVA，本次擴建工程在XX主變電所安裝2×4.2MVar SVG，并于2012年5月投入運行。

4.1 SVG安裝接線方式

根據(jù)軌道交通的供電方式[5]，可以采用如圖2所示的集中式補償、分區(qū)集中式補償和分布式補償3 種方案.考慮軌道交通供電系統(tǒng)中需要補償大量的電纜無功，采用分布式參數(shù)對地鐵中電纜兩端的電壓變化進行計算。

軌道交通內(nèi)變電所之間距離一般1 km～3 km，分區(qū)之間距離大約5 km～6 km，如果一臺變壓器發(fā)生故障，那么兩端最長電氣距離小于15 km，分布式補償、分區(qū)集中補償和集中式補償三者總體效果相差無幾，采用任一種方式均能滿足要求。

從經(jīng)濟性角度考核，安裝無功補償系統(tǒng)，不僅要考慮補償裝置本身的投入，還需要考慮工程土建費用以及城市土地費用等，城市軌道交通供電系統(tǒng)所建設(shè)的變電站均處于城市中心地帶，在建設(shè)中需要較高的城市土地費用和土建施工費用；設(shè)備投入運行后亦需要較高的設(shè)備維護費用和人員費用，采用集中補償方式安裝SVG設(shè)備，可有效的減少占地面積，降低施工費用，同時，設(shè)備數(shù)量少也會降低設(shè)備后期的維護和人員費用，采用3種補償方式效果接近，集中式補償在經(jīng)濟性上優(yōu)于其他兩種補償方式，因此，深圳軌道交通XX線供電系統(tǒng)中最終采用了圖（a）中集中式補償方式。

4.2 補償容量計算

1）參數(shù)。在軌道交通供電系統(tǒng)中，在確定無功補償容量時，需要對電纜、變壓器、機車動力和通風(fēng)照明等不同類型設(shè)備的有功功率和無功功率分別進行計算[4-3]，其中，計算所需要的設(shè)備資料包括：①電纜的長度和單位長度的電氣參數(shù)；②變壓器的額定參數(shù)和不同運行情況下負載率；③機車負荷的額定功率和功率因數(shù)；④通風(fēng)照明負荷的額定功率和功率因數(shù)。

軌道交通供電系統(tǒng)在夜間處于低載狀態(tài)，白天高峰時刻則為滿載狀態(tài)，其他時間段則處于這兩種情況之間，因此，應(yīng)當計算出低載狀態(tài)和滿載狀態(tài)時相應(yīng)的有功功率和無功功率，并按照將功率因數(shù)補償?shù)?.9以上確定無功補償設(shè)備的容量。

2）根據(jù)深圳軌道交通XX線供電系統(tǒng)的資料，利用各類設(shè)備參數(shù)，可以得到該供電系統(tǒng)中XX主變電所相關(guān)功率情況見表1。

由表1可知，在低載時確定的補償容量可以保證在滿載時將站內(nèi)的無功功率進行補償。

由于主變電站為單母線分段結(jié)構(gòu)，且2條母線所帶負荷容量基本相同，因此需要在主變電站安裝2套SVG設(shè)備，考慮一定的余量，每套設(shè)備容量選為4.2Mvar。

4.3 經(jīng)濟效益分析

4.3.1 直接經(jīng)濟效益

無功補償?shù)闹苯咏?jīng)濟效益體現(xiàn)在節(jié)能及減少地鐵XX線繳納力調(diào)費用上，根據(jù)相關(guān)的計算和實驗[6]，可得出無功功率與有功功率之間的關(guān)系：在系統(tǒng)中每投入1kVar無功功率，在發(fā)電廠的直配電路中節(jié)約有功功率為0.02 kw～0.04 kW，在二級變壓供電時節(jié)約有功功率為0.05 kw～0.07 kW，在三級變壓供電時節(jié)約有功功率為0.08 kw～0.09 kW，如果2套SVG均投入使用，無功經(jīng)濟當量取0.06，主變電站年節(jié)約有功功率分別為：

Pj1=8400×0.06×24×30×12×0.8=3484MW·h（5）

力調(diào)費用計算：

由國家物價局（83）水電財字第215號-關(guān)于頒發(fā)《功率因數(shù)調(diào)整電費辦法》可以計算出：

原每月力調(diào)：功率因數(shù)50%對照的力調(diào)費用為145%×合計電費

擴建SVG后力調(diào)：功率因數(shù)95%對照的力調(diào)費用為-0.75%×合計電費

以下數(shù)據(jù)該主變電所2012年3月份用電情況與安裝SVG后5月份的電費情況：

3月份總電費約為390萬元，其中力調(diào)電費為120萬元，力調(diào)比率為44.5%。

5月份總電費約為365萬元，其中力調(diào)電費為20萬元，力調(diào)比率為0.5%。

4.3.2 間接經(jīng)濟效益

間接經(jīng)濟效益體現(xiàn)在提高供電系統(tǒng)供電可靠性和電能質(zhì)量等方面。

1）降低系統(tǒng)電壓波動，提高電能質(zhì)量，投入的SVG具有自動調(diào)節(jié)作用，在系統(tǒng)電壓較高時輸出很小容性無功功率，在系統(tǒng)電壓較低時輸出最大容性無功功率，使35 kV母線電壓的波動范圍小于0.3%。

2）快速電壓支撐。SVG具有快速響應(yīng)能力，在系統(tǒng)出現(xiàn)電壓跌落時，能夠迅速支撐系統(tǒng)電壓，避免軌道交通內(nèi)部因系統(tǒng)較輕的短路故障發(fā)生停運。

3）提高功率因數(shù)，減小諧波含量，改善了供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量。

5 功率器件的損耗和散熱設(shè)計

本SVG擴建工程中SVG在5月份投運初期出現(xiàn)多次SVG超溫跳閘情況，經(jīng)過分析原因為目前對散熱器的傳熱分析國內(nèi)外都還研究得很不夠，工程應(yīng)用中的設(shè)計大多是憑經(jīng)驗選取，并作相應(yīng)的核校計算，而在本SVG擴建工程中由于安裝的變電所預(yù)留房間空間面積較小，兩套SVG柜與兩臺變壓器之間距離較近，設(shè)計的房屋通風(fēng)風(fēng)機功率及數(shù)量不能滿足散熱要求，導(dǎo)致室溫高達45℃，SVG柜內(nèi)溫度超出其超溫跳閘定值（60℃）而造成多次跳閘；經(jīng)過設(shè)計院與廠家對現(xiàn)場了解，通過優(yōu)化SVG補償方式（50%固定補償容量+動態(tài)補償）來減少功率開關(guān)發(fā)熱量的同時，增加排風(fēng)通道與風(fēng)機，在變壓器柜靠SVG側(cè)安裝絕緣板減少熱輻射等，最終達到了SVG穩(wěn)定運行的散熱設(shè)計要求。

6 結(jié)束語

SVG在軌道交通主變電所的成功運用證明了其具有響應(yīng)速度快，諧波特性好，補償特性好，效率高等特點，補償效果顯著.

參考文獻

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