楊 飛

（西安地下鐵道有限責(zé)任公司，陜西 西安710016）

0 引言

我國地鐵線路對(duì)供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，基本上是依據(jù)低壓集中就地補(bǔ)償?shù)脑瓌t，根據(jù)線路的實(shí)際情況，在線路上的各車站和變電所內(nèi)，安置低壓的電容無功補(bǔ)償柜，以保證車站變電所內(nèi)電壓功率因數(shù)達(dá)到0.9以上。但是由于無功補(bǔ)償在調(diào)容方式上依然是通過整組投放電容器來實(shí)現(xiàn)，而在各車站的變電所設(shè)置電容器分組則不可能實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槿绻娙萜魍斗胚^多，就會(huì)出現(xiàn)投則過補(bǔ)現(xiàn)象，從而受到供電部門處罰；相反，不投則欠補(bǔ)，地鐵線路供電系統(tǒng)的電壓功率系數(shù)又保障不了，從而無法滿足電力部門的考核要求。另外，過多地安置電容補(bǔ)償裝置，將會(huì)導(dǎo)致其使用壽命縮短，損壞頻繁。所以，現(xiàn)有的無功補(bǔ)償設(shè)計(jì)方案亟需進(jìn)一步優(yōu)化。

SVG作為新一代靜止無功補(bǔ)償器，是該技術(shù)發(fā)展的最新代表，將SVG產(chǎn)品應(yīng)用于電網(wǎng)中，相當(dāng)于一個(gè)可變的無功電流源，通過調(diào)節(jié)逆變器交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位，或者直接控制交流側(cè)電流的幅值和相位，迅速吸收或發(fā)出所需要的無功功率，實(shí)現(xiàn)無功功率的快速應(yīng)激調(diào)節(jié)。同時(shí)，通過電力電子逆變技術(shù)制造一個(gè)與被補(bǔ)償對(duì)象大小相等、方向相反的電流，相互抵消，功率因數(shù)就能達(dá)到1。

本文以西安地鐵2號(hào)線為例，在分析其供電系統(tǒng)概況的基礎(chǔ)上，對(duì)其采用的無功補(bǔ)償裝置的基本原理進(jìn)行說明，并通過SVG無功補(bǔ)償裝置與傳統(tǒng)電容無功補(bǔ)償裝置的比較，說明SVG無功補(bǔ)償裝置的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 西安地鐵2號(hào)線無功補(bǔ)償裝置應(yīng)用實(shí)例

西安地鐵2號(hào)線供電系統(tǒng)采用集中供電方式及110kV、35kV兩級(jí)電壓制，在行政中心、會(huì)展中心各建一座110kV主變電站，由交流高中壓系統(tǒng)和牽引供電系統(tǒng)組成；牽引電力采用DC1500V，動(dòng)力照明配電采用380／220V。

行政中心主變電站110kV側(cè)設(shè)置2路電源，采用內(nèi)橋式接線方式，電源1從城市電網(wǎng)330kV草灘變電所引入，線路長度9.815km；電源2從城市電網(wǎng)110kV鳳城變電所引入，線路長度1.7km。其電源引線均采用110kV單芯銅導(dǎo)線，截面積為630mm2，電纜通過溝道敷設(shè)進(jìn)入主變電所內(nèi)，會(huì)展中心主變電站110kV側(cè)設(shè)置2路電源，采用單母線接線方式，2回從城市電網(wǎng)330kV上苑變電所的2段110kV母線引入，電源線路采用架空線路和電纜敷設(shè)2種方式。其中，同桿架設(shè)雙回電力架空線路長度為1.6km，單回電力電纜線路長度為9.032km。電力電纜均采用110kV單芯銅導(dǎo)線，截面積為800mm2。

1.1 無功對(duì)電網(wǎng)的影響

無功功率對(duì)電網(wǎng)大致有以下幾點(diǎn)影響：（1）無功功率的增加會(huì)導(dǎo)致電流增大和視在功率增加，從而使變壓器及其他電氣設(shè)備容量和導(dǎo)線容量增加。同時(shí)，電力用戶啟動(dòng)及控制設(shè)備、測(cè)量儀表的尺寸和規(guī)格也要加大。（2）無功功率的增加會(huì)使總電流增大，從而使設(shè)備及線路的損耗增加。（3）使線路及變壓器的電壓降增大，如果是沖擊性無功功率負(fù)載，還會(huì)造成電壓劇烈波動(dòng)，使供電質(zhì)量嚴(yán)重降低。

由此可見，對(duì)供電系統(tǒng)進(jìn)行無功功率補(bǔ)償十分必要，適當(dāng)補(bǔ)償無功功率，可以穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，提高功率因數(shù)及設(shè)備利用率，減少有功損耗，平衡三相功率，提高輸電能力及系統(tǒng)運(yùn)行安全性。

1.2 西安地鐵2號(hào)線無功補(bǔ)償方式及裝置原理

1.2.1 無功補(bǔ)償方式

電網(wǎng)中常用的無功補(bǔ)償方式包括集中補(bǔ)償、分散補(bǔ)償和就地補(bǔ)償3種。西安地鐵2號(hào)線采用集中補(bǔ)償方式，在35kV母線側(cè)串聯(lián)2臺(tái)RSVG無功補(bǔ)償裝置。所謂集中補(bǔ)償，是指補(bǔ)償主變壓器本身的無功損耗，以及降低變電所以上輸電線路的無功能力，從而降低供電網(wǎng)絡(luò)的無功損耗，但其不能降低配電網(wǎng)絡(luò)的無功損耗。

1.2.2 無功補(bǔ)償裝置及其原理分析

西安地鐵2號(hào)線所運(yùn)用的無功補(bǔ)償裝置是RSVG（多重化高壓靜止無功發(fā)生器），其工作原理是利用電抗器或直接將自換向橋式電路并聯(lián)在電網(wǎng)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)電路交流側(cè)輸出電壓相位和幅值的控制，讓該電路能夠滿足吸收或發(fā)出無功的要求，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)補(bǔ)償。

RSVG工作時(shí)通過電力半導(dǎo)體開關(guān)的通斷將直流側(cè)電壓轉(zhuǎn)換成與交流側(cè)電網(wǎng)同頻率的輸出電壓，類似于一個(gè)電壓型逆變器，只不過其交流側(cè)輸出接的不是無源負(fù)載，而是電網(wǎng)。因此，當(dāng)考慮基波頻率時(shí)，RSVG可以等效地被視為幅值和相位均可控的一個(gè)與電網(wǎng)同頻率的交流電壓源。它通過交流電抗器連接到電網(wǎng)上，無功的性質(zhì)和大小靠調(diào)節(jié)電流來實(shí)現(xiàn)。

RSVG詳細(xì)的工作模式及其補(bǔ)償特性如表1所示。

該系列RSVG采用功率單元并聯(lián)技術(shù)，由一系列功率單元并聯(lián)起來通過變壓器實(shí)現(xiàn)高壓輸出。圖1為RSVG的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

每個(gè)功率單元都是一臺(tái)脈寬調(diào)制型高壓靜止無功發(fā)生器（SVG），結(jié)構(gòu)和性能完全一致。該RSVG的這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，極大地提高了SVG的可靠性、靈活性和可維護(hù)性。圖2、圖3為RSVG功率單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

1.2.3 無功補(bǔ)償裝置的系統(tǒng)組成

西安地鐵2號(hào)線靜止同步補(bǔ)償系統(tǒng)主要由控制柜、功率柜和變壓器柜3部分組成。其中，控制柜負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)和控制與其連接的設(shè)備，保證整個(gè)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行；功率柜主要由功率單元組成，是榮信RSVG系列高壓靜止無功發(fā)生器的主體；變壓器柜是該系列無功發(fā)生器的樞紐及供電中心，變壓器的原邊連接至電網(wǎng)側(cè)的高壓電源，經(jīng)副邊降壓后，連接到功率單元并為控制系統(tǒng)提供正常工作所需的備用電源。

表1 RSVG的運(yùn)行模式及其補(bǔ)償特性

圖1 RSVG拓?fù)鋱D

圖2 RSVG功率單元（單相）

圖3 RSVG功率單元（三相）

1.3 補(bǔ)償前后功率因數(shù)對(duì)比

分析西安地鐵2號(hào)線行政中心主變電站及會(huì)展中心主變電站的功率因數(shù)歷史數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，未進(jìn)行無功補(bǔ)償前，110kV母線側(cè)每日的平均功率因數(shù)一般在0.79左右，其中在每日用電峰、平、谷時(shí)分別為0.78、0.8、0.6左右，進(jìn)行無功功率補(bǔ)償后每日平均功率因數(shù)達(dá)到0.95左右。可見，采用此種無功補(bǔ)償裝置達(dá)到了理想的無功補(bǔ)償效果。

2 SVG無功補(bǔ)償裝置的優(yōu)缺點(diǎn)

2.1 SVG與傳統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置相比的優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償以大容量的電抗／電容作為主要手段，補(bǔ)償效果依賴于系統(tǒng)參數(shù)，極易發(fā)生諧振放大現(xiàn)象，導(dǎo)致安全事故；SVG配套電容器不需要設(shè)置濾波器組，不存在諧振放大現(xiàn)象，它是有源型補(bǔ)償裝置，采用可關(guān)斷器件IGBT，從機(jī)理上避免了諧振現(xiàn)象，安全性大大提高。單從補(bǔ)償成效上來看，采用傳統(tǒng)的電容無功補(bǔ)償設(shè)備補(bǔ)償后功率因數(shù)通常在0.8～0.9之間，SVG補(bǔ)償后功率因數(shù)則能夠達(dá)到0.95以上，效果明顯。另外，在時(shí)間上，傳統(tǒng)補(bǔ)償設(shè)備完成一次補(bǔ)償最快也需200ms，SVG在5～20ms內(nèi)就能夠完成。

2.2 SVG的缺點(diǎn)

SVG當(dāng)前在我國地鐵供電系統(tǒng)中還沒有得到大規(guī)模的運(yùn)用，這主要是由2方面的因素所致：（1）該設(shè)備造價(jià)高。（2）此類設(shè)備的技術(shù)許多方面仍存在缺陷，有待進(jìn)一步完善。譬如：如何擴(kuò)大SVG裝置的容量以符合系統(tǒng)要求，如何提高輸出電壓，以便SVG裝置接入更高電壓等級(jí)的系統(tǒng)，這些都有待進(jìn)一步研究。

3 西安地鐵2號(hào)線SVG改造

西安地鐵2號(hào)線主變電站采用RSVG設(shè)備，斷路器合閘允許信號(hào)未上傳到站級(jí)PSCADA，造成合閘時(shí)必須有一人在SVG設(shè)備室觀察合閘允許信號(hào)。信號(hào)發(fā)出后，15s內(nèi)通知控制室的另一人進(jìn)行操作，否則不能進(jìn)行合閘。所以經(jīng)研究對(duì)SVG進(jìn)行了改造，將合閘允許信號(hào)上傳到站級(jí)PSCADA，使設(shè)備的操作更加方便。

4 對(duì)無功補(bǔ)償裝置的展望

目前，我國地鐵變電所普遍采用的是固定并聯(lián)電容補(bǔ)償方式，存在投切不及時(shí)、無功補(bǔ)償效果不好等問題，或者在使用過程中出現(xiàn)較高的過電壓，導(dǎo)致供電設(shè)備易出現(xiàn)故障等，這些都有待于我們進(jìn)一步來解決和完善。相信隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，這些問題都將得到很好的解決，在不久的將來，基于瞬時(shí)無功功率概念和補(bǔ)償原理的靜止無功發(fā)生器將成為無功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展方向。

［1］焦劍揚(yáng)，劉明光.牽引變電所無功補(bǔ)償方式綜述.電氣開關(guān)，2006（6）

［2］榮信RSVG多重化無功補(bǔ)償裝置說明書

［3］西安地鐵2號(hào)線設(shè)計(jì)施工圖紙