浅谈无功补偿装置在地铁供电系统中的应用

杨 飞

（西安地下铁道有限责任公司，陕西 西安710016）

0 引言

我国地铁线路对供电系统的设计，基本上是依据低压集中就地补偿的原则，根据线路的实际情况，在线路上的各车站和变电所内，安置低压的电容无功补偿柜，以保证车站变电所内电压功率因数达到0.9以上。但是由于无功补偿在调容方式上依然是通过整组投放电容器来实现，而在各车站的变电所设置电容器分组则不可能实现，因为如果电容器投放过多，就会出现投则过补现象，从而受到供电部门处罚；相反，不投则欠补，地铁线路供电系统的电压功率系数又保障不了，从而无法满足电力部门的考核要求。另外，过多地安置电容补偿装置，将会导致其使用寿命缩短，损坏频繁。所以，现有的无功补偿设计方案亟需进一步优化。

SVG作为新一代静止无功补偿器，是该技术发展的最新代表，将SVG产品应用于电网中，相当于一个可变的无功电流源，通过调节逆变器交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制交流侧电流的幅值和相位，迅速吸收或发出所需要的无功功率，实现无功功率的快速应激调节。同时，通过电力电子逆变技术制造一个与被补偿对象大小相等、方向相反的电流，相互抵消，功率因数就能达到1。

本文以西安地铁2号线为例，在分析其供电系统概况的基础上，对其采用的无功补偿装置的基本原理进行说明，并通过SVG无功补偿装置与传统电容无功补偿装置的比较，说明SVG无功补偿装置的优缺点。

1 西安地铁2号线无功补偿装置应用实例

西安地铁2号线供电系统采用集中供电方式及110kV、35kV两级电压制，在行政中心、会展中心各建一座110kV主变电站，由交流高中压系统和牵引供电系统组成；牵引电力采用DC1500V，动力照明配电采用380／220V。

行政中心主变电站110kV侧设置2路电源，采用内桥式接线方式，电源1从城市电网330kV草滩变电所引入，线路长度9.815km；电源2从城市电网110kV凤城变电所引入，线路长度1.7km。其电源引线均采用110kV单芯铜导线，截面积为630mm2，电缆通过沟道敷设进入主变电所内，会展中心主变电站110kV侧设置2路电源，采用单母线接线方式，2回从城市电网330kV上苑变电所的2段110kV母线引入，电源线路采用架空线路和电缆敷设2种方式。其中，同杆架设双回电力架空线路长度为1.6km，单回电力电缆线路长度为9.032km。电力电缆均采用110kV单芯铜导线，截面积为800mm2。

1.1 无功对电网的影响

无功功率对电网大致有以下几点影响：（1）无功功率的增加会导致电流增大和视在功率增加，从而使变压器及其他电气设备容量和导线容量增加。同时，电力用户启动及控制设备、测量仪表的尺寸和规格也要加大。（2）无功功率的增加会使总电流增大，从而使设备及线路的损耗增加。（3）使线路及变压器的电压降增大，如果是冲击性无功功率负载，还会造成电压剧烈波动，使供电质量严重降低。

由此可见，对供电系统进行无功功率补偿十分必要，适当补偿无功功率，可以稳定电网电压，提高功率因数及设备利用率，减少有功损耗，平衡三相功率，提高输电能力及系统运行安全性。

1.2 西安地铁2号线无功补偿方式及装置原理

1.2.1 无功补偿方式

电网中常用的无功补偿方式包括集中补偿、分散补偿和就地补偿3种。西安地铁2号线采用集中补偿方式，在35kV母线侧串联2台RSVG无功补偿装置。所谓集中补偿，是指补偿主变压器本身的无功损耗，以及降低变电所以上输电线路的无功能力，从而降低供电网络的无功损耗，但其不能降低配电网络的无功损耗。

1.2.2 无功补偿装置及其原理分析

西安地铁2号线所运用的无功补偿装置是RSVG（多重化高压静止无功发生器），其工作原理是利用电抗器或直接将自换向桥式电路并联在电网上，实现对电路交流侧输出电压相位和幅值的控制，让该电路能够满足吸收或发出无功的要求，实现动态调节补偿。

RSVG工作时通过电力半导体开关的通断将直流侧电压转换成与交流侧电网同频率的输出电压，类似于一个电压型逆变器，只不过其交流侧输出接的不是无源负载，而是电网。因此，当考虑基波频率时，RSVG可以等效地被视为幅值和相位均可控的一个与电网同频率的交流电压源。它通过交流电抗器连接到电网上，无功的性质和大小靠调节电流来实现。

RSVG详细的工作模式及其补偿特性如表1所示。

该系列RSVG采用功率单元并联技术，由一系列功率单元并联起来通过变压器实现高压输出。图1为RSVG的拓扑结构图。

每个功率单元都是一台脉宽调制型高压静止无功发生器（SVG），结构和性能完全一致。该RSVG的这种拓扑结构，极大地提高了SVG的可靠性、灵活性和可维护性。图2、图3为RSVG功率单元的拓扑结构图。

1.2.3 无功补偿装置的系统组成

西安地铁2号线静止同步补偿系统主要由控制柜、功率柜和变压器柜3部分组成。其中，控制柜负责监测和控制与其连接的设备，保证整个系统的安全可靠运行；功率柜主要由功率单元组成，是荣信RSVG系列高压静止无功发生器的主体；变压器柜是该系列无功发生器的枢纽及供电中心，变压器的原边连接至电网侧的高压电源，经副边降压后，连接到功率单元并为控制系统提供正常工作所需的备用电源。

表1 RSVG的运行模式及其补偿特性

图1 RSVG拓扑图

图2 RSVG功率单元（单相）

图3 RSVG功率单元（三相）

1.3 补偿前后功率因数对比

分析西安地铁2号线行政中心主变电站及会展中心主变电站的功率因数历史数据可以发现，未进行无功补偿前，110kV母线侧每日的平均功率因数一般在0.79左右，其中在每日用电峰、平、谷时分别为0.78、0.8、0.6左右，进行无功功率补偿后每日平均功率因数达到0.95左右。可见，采用此种无功补偿装置达到了理想的无功补偿效果。

2 SVG无功补偿装置的优缺点

2.1 SVG与传统无功补偿装置相比的优势

传统动态无功补偿以大容量的电抗／电容作为主要手段，补偿效果依赖于系统参数，极易发生谐振放大现象，导致安全事故；SVG配套电容器不需要设置滤波器组，不存在谐振放大现象，它是有源型补偿装置，采用可关断器件IGBT，从机理上避免了谐振现象，安全性大大提高。单从补偿成效上来看，采用传统的电容无功补偿设备补偿后功率因数通常在0.8～0.9之间，SVG补偿后功率因数则能够达到0.95以上，效果明显。另外，在时间上，传统补偿设备完成一次补偿最快也需200ms，SVG在5～20ms内就能够完成。

2.2 SVG的缺点

SVG当前在我国地铁供电系统中还没有得到大规模的运用，这主要是由2方面的因素所致：（1）该设备造价高。（2）此类设备的技术许多方面仍存在缺陷，有待进一步完善。譬如：如何扩大SVG装置的容量以符合系统要求，如何提高输出电压，以便SVG装置接入更高电压等级的系统，这些都有待进一步研究。

3 西安地铁2号线SVG改造

西安地铁2号线主变电站采用RSVG设备，断路器合闸允许信号未上传到站级PSCADA，造成合闸时必须有一人在SVG设备室观察合闸允许信号。信号发出后，15s内通知控制室的另一人进行操作，否则不能进行合闸。所以经研究对SVG进行了改造，将合闸允许信号上传到站级PSCADA，使设备的操作更加方便。

4 对无功补偿装置的展望

目前，我国地铁变电所普遍采用的是固定并联电容补偿方式，存在投切不及时、无功补偿效果不好等问题，或者在使用过程中出现较高的过电压，导致供电设备易出现故障等，这些都有待于我们进一步来解决和完善。相信随着电力电子技术的迅速发展，这些问题都将得到很好的解决，在不久的将来，基于瞬时无功功率概念和补偿原理的静止无功发生器将成为无功补偿技术的发展方向。

［1］焦剑扬，刘明光.牵引变电所无功补偿方式综述.电气开关，2006（6）

［2］荣信RSVG多重化无功补偿装置说明书

［3］西安地铁2号线设计施工图纸