城市轨道交通主变电所SVG无功补偿技术

张黎明

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102699）

1 城市轨道交通无功补偿的现状

城市轨道交通工程供电系统大多采用集中两级供电系统，主要是110 kV主变电所、沿线35 kV牵引、降压混合变电所组成，对其组成及负荷构成进行分析，其无功补偿需求主要由牵引负荷、变压器及电缆、动力照明负荷组成。

（1）牵引负荷：功率因数较高，一般在0.95以上，故无需对牵引负荷进行补偿。牵引负荷的用电单一且易控制，功率因数较高且相对稳定，无功功率需求量较少。

（2）变压器及电缆：中压环网电缆及低压电力电缆具有相同的应用优势，即提供容性无功。在完成供电网络的构建工作后，变压器的感性无功可维持相对稳定的状态，对于电缆提供的容性无功而言也无明显波动，可控性较佳。

（3）动力及照明负荷：①需得到多个用电系统的协同支持，较典型的有通信系统、信号系统及照明系统等；②各用电系统的运行特性具有差异化的特点，开启时间不尽相同，并且各自具备的功率因数也有所不同，跨度区间普遍为0.5～0.8，由此加大了控制难度，不利于精细化控制工作的开展；③动力照明中压供电网络存在较大的充电无功，用电低谷时期可能出现无功反送现象；④由于牵引供电系统与动力照明供电系统相对独立，因此暂不设置无功补偿装置；⑤主变电所无功补偿应针对动力照明负荷供电系统采取无功补偿措施。

2 SVG装置

2.1 SVG装置概述

在无功补偿设备中，SVG装置是一项全新的发明。SVG能够直接与电网并联，但其性能类似于可变无功电流源，能够有效调节交流侧电流值等内容，及时供给或吸收电力传输过程中需求的无功功率，达到动态调节的效果。

同时，若是SVG装置是基于直流电环境工作，此时其能够同时满足冲击电流与谐波电流两种的补偿。此外，SVG装置还具备电子逆变技术，即在进行无功补偿的时候会对外发出电流直接抵消所需补偿的对象，且两者大小一致，方向相反，能够有效调节因数大小。

SVG即静止同步补偿器，其并联于电网内，在功能上充当无功电流源，其运行期间可根据需求灵活控制。在负荷无功电流发生变化时，对应的无功电流也随之改变，全过程中可达到对电网无功功率动态化补偿的效果。

目前常用的可以做到连续可调的动态无功补偿装置有MCR型SVC、TCR型SVC以及SVG，这3种动态补偿装置都是通过电抗器来实现其无功调节的，MCR可以改变电抗器的电感值，TCR可以改变流过电抗器的电流，而SVG则是改变电抗器两端的电压降。

2.2 SVG的特点

SVG性能特点包括3部分。

一是具备抗谐波功能，能够有效维持电力系统的工作。由于该装置依赖于可控电流源工作，所以其工作的目标仅仅针对基波无功电流，不会受到谐波电流的干扰，可以有效降低维护需求，延长使用寿命。同时，该装置直接与电网并联，能够很好地防止出现串电电抗和加大谐波的问题，避免因谐波超标干扰系统内正常工作的设备装置。

二是SVG还具备动态连续平滑补偿的性能，能够在很短时间内做出反应，以最短的时间调节电压大小。SVG可以通过分析负载波动，随时调整补偿量，稳定功率因数，同时做到无功的供给与吸收。

三是单套装置中的±5 Mvar SVG基于链式串联结构构成，通过连接变压器接入35 kV系统，是实现动态无功补偿功能的主体。SVG装置的逆变器关键部件选用优质的全控型开关器件IGBT。成套装置以串联的主电路为核心，兼具可控性高、灵活性强以及响应灵敏等多重特性[1]。

2.3 SVG的优势

相较于普通的无功补偿设备，不管是工作方式、反应时间、施工寿命还是有极无极和谐波滤除等领域，SVG都具备明显的性能优势。不仅如此，使用SVG装置还能对谐波进行控制，滤除多余谐波，维系系统工作稳定，降低维护需求，延长使用寿命，提升经济效益。

SVG普遍采用的是动态无功补偿装置，适配高精度的大功率电子电力器件，通过对各自高频开关的调控，可以达到高效变化无功能量的效果，同时也能够避免额外配置大容量电容器和电抗器的繁琐工作内容，使技术的应用变得更加便捷。

SVG的功能优势显著，主要体现在如下两方面。一是从动态无功补偿的角度来看，SVG既具备传统SVC的基础功能，还衍生出多重特性，具体体现在结构精简、响应灵敏及精度高等方面；二是SVG也具备可控电流源型补偿装置的特性，在系统参数发生变化的条件下，并不会衍生出谐振或谐波电压异常放大的情况，并可根据系统需要方便地滤除系统谐波。

此外，SVG具备感性无功和容性无功双向补偿功能。

3 主变电所中SVG的适应性

3.1 谐波治理

城市轨道交通供电系统之所以会出现谐波主要是因为各个变电所中存在大量的LED、风机或水泵等变频装置以及直流牵引负荷。不考虑其他因素的干扰，整个电力系统高压侧的谐波电流可以表示为N×A±1（N指正数、A指整流机组脉波数）。

分析上式即可发现若是机组脉波数值上升，则会使得谐波出现的频率降低，若是使用24脉波整流机组就可以出现更好的效果。

3.2 无功补偿

需将考核点的PCC信号接入控制系统，SVG具备极为显著的高效响应特性，可实时跟踪冲击性负荷，掌握其在各时间段的具体波动情况，以便在此基础上快速跟踪补偿，并且不会过补偿。当SVG装置投入以后，所有的负荷无功都由SVG装置提供，这时系统提供的无功为0，最大限度满足功率因数补偿要求，在补偿容量足够的情况下，110kV母线经补偿后其月平均功率因数大于等于0.95，且不过补偿，完全达到快速补偿负荷功率因数的目的。SVG装置有恒无功控制方式、系统无功控制方式、负荷补偿控制方式、电压无功综合控制方式及暂态电压控制方式共5种运行方式，可根据现场实际情况灵活选用补偿方式来控制系统的功率因数[2,3]。

（1）恒无功控制方式：控制装置输出无功，可测量装置跟踪无功的阶跃响应速度，与此同时还可对其准确性做出判断。

（2）系统无功控制方式：能够全方位地控制系统侧无功与系统侧功率因数，可精确控制设定的系统无功或系统功率因数上限、下限或目标值；对功率因数进行控制时，能够控制其上限、下限及目标值。

（3）负荷补偿控制方式：系统侧电流自动调节装置电流输出，在该调控机制下，有助于提高电流的电能品质；并且，补基波无功、补负序和补谐波3项配置的可选择机会较多，可根据实际情况任意做出选择，以满足需求。

（4）电压无功综合控制方式：重点控制对象为系统侧或PCC侧电压，此特性决定其在风电场和光伏电站等多个领域中均具有可行性，可以增强电压的稳定性。装置可以对无功输出做出灵活的调节，以保证考核点电压的稳定性，即始终被控制在许可的范围内。考核点电压低于设定值时，装置自动做出响应，输出容性无功，通过此条件提高电压，使其稳定在合理区间内。反之，考核电压偏高时，则输出感性无功[4,5]。

（5）暂态电压控制：用户可根据自身需求在PCC侧或系统侧电压中做出选择，将其作为考核点，设定稳态电压参考和稳定范围、暂态上限和暂态下限，若存在电压跌落或突升的情况，系统将采取发出容性无功或感性无功的方法，以达到提高电压或降低电压的效果，在该动态控制方式下，使暂态电压始终维持稳定。

3.3 确定SVG的安装容量

SVG装置的灵活性较强，可及时掌握电网电压的最新情况，以便灵活地对无功输出做出调整，实现稳定电压的作用。

在SUSAN算法中,每个像素对USAN的贡献值主要是由其与原子核亮度差的指数函数式(4)之间的关系决定的。同时也对二元方程进行了对比分析,但上述的指数方程的贡献是众多方法之一。因此,本文也将比较二进制方法。

对于地铁系统来说，SVG装置应放置在主变电所位置，实现集中补偿的效果。因此，其安装容量要根据实际需求决定。在容量设计时，除了要对电缆、动力照明负荷及变压器等系统下所有装置展开计算外，还要考虑到地铁白天和夜晚的工作客流量，同时满足满载与低载两种情况下的容量大小[6,7]。

此外，SVG补偿后，其功率因数必须超过0.9。因此，影响最终结果的因素复杂多样，需反复多次核算检查。

4 无功自动补偿功能

无功自动补偿功能包括以下方面。

（1）电压自动调节：以电压质量要求为导向，以自动化的方式实现对有载调压变压器、电容器及电抗器组的调节，经此操作后优化母线电压，使其可以维持在合理的区间内。

（2）无功自动补偿：遵循电压优先的基本原则，根据无功大小自动投切电容器组，从而优化系统的运行状态，避免其出现过压或过补的异常状况。

（3）运行记录及调取功能：详细记录运行的信息，后续可以根据需求查阅或是显示打印等。

（5）适配防控机制，可避免有载调压开关出现滑档或档位越限的情况。

（6）两条主变调压的运行具有稳定性，其输出电压差能够被控制在相对较小的状态，增强运行的协同性。

（7）变压器负荷量超过额定值的1.1倍，此时将做出闭锁升降操作，并触发报警信息，告知相关工作人员，全过程中响应水平较高。

（8）两台变压器同步调压时，若某台无法正常动作，此条件下另一台若已动作则会高效退回原位。

（9）以自动化的方式发出动作控制指令，经过探询后确定超限值，根据判断结果做出下一步的决策，若有超限则不动。

（10）若存在变电站母线接地、零序电压保护动作、跳闸或装置自检发现故障等情况时，将会发出声光报警，可以精准锁定故障的部位并将其及时显示，也可闭锁出口，实现安全防护。

（11）在采取手动控制的运行模式时，装置自动闭锁，及时切断自动控制功能。

（12）除前述外，还具备检测和防止投入电容谐波放大的功能。

5 模糊控制特点

系统电压低于且接近上限V上时，应当密切关注实际情况，慎重投入电容器。经测定后若功率因素小于整定值，在满足此条件后，无功欠补量达到最小容量的电容器可以投小电容，或是经过预测投后不过压时也能够投小电容，否则不允许执行该操作，即应当降低一档调压分接开关，此后再次做出判断。若系统电压高于且接近下限V下，则处于无功欠补的状态，应当采取投较大电容器的方法，但期间应当综合考虑负荷情况以及投后是否会因为此操作而出现过量补偿。

模糊控制理论是关键的引导，结合特定的手段，确保系统电压不超限。依托于模糊控制理论展开软件设计工作（图1），以满足电压合格优先条件为前提，通过无功优化方案的应用，达到无功补偿的处理效果。若系统处于临界区，此时需要尽可能减少一次设备动作，最大限度抑制震荡现象，确保设备具有足够的运行稳定性。

图1 软件控制模型图

6 结 论

综上所述，SVG可直接接入400 V～35 kV电压等级母线，在该方式下解决传统无功补偿和谐波治理装置运行期间所存在的种种问题，进而高效服务于电网以及用电负荷，为之提供有源动态无功补偿和谐波滤波，进一步保证电网电压暂态的稳定性，且可以提供抑制母线电压闪变与消除负荷谐波等多重功能。SVG性能更优，经济效益更大，能够大大延长整个供电系统的工作寿命，减少维护频率，维系供电系统工作的稳定，具备广阔的发展前景。