磁控电抗器在城市轨道交通中的应用研究

高江魁

0 引言

磁控电抗器（MCR）基于磁饱和原理，主要用于动态调整无功功率，保持系统供电线路、输电线路的电压稳定。MCR同时具有可靠性高、经济性好、适应性好等优点，目前在矿场电能质量治理、电网变电站、风力发电系统等领域发挥作用。

地铁负荷具有波动、不平衡等特性，随着外电线路长度不断增加，仅采用静止无功发生器（SVG）已不能满足地方电网对地铁关于电能质量的要求。针对此类问题，文献[1，2]从MCR的数学模型入手，分析其工作和控制特性，通过实验检验控制效果，证明其满足系统的无功补偿需求；文献[3]分析并阐述了新型MCR控制原理，通过调节晶闸管的触发角控制直流偏磁，调节电抗值实现调节无功输出的目的；文献[4]分析MCR的35 kV动态无功补偿系统，并进行实地测试验证其正确性，同时也指出了MCR对于系统无功控制的功能和控制方式存在进一步完善以实现综合最优控制的空间；文献[5]分析MCR与FC联合补偿装置的模型，模拟仿真在系统电压异常时采取紧急无功补偿控制抑制系统电压突变，所得数据与预期相符。

MCR也有其自身局限性。由文献[3]、文献[6]可知，无论MCR是自励式还是他励式，都存在响应速度慢的情况，间接导致了控制系统振荡波动增大、系统稳定性降低等不良后果。文献[7]分析MCR构成的磁控式动态无功补偿装置，阐述了响应速度对快速动态无功补偿的影响。

本文主要针对地铁主变电所的无功补偿进行讨论分析。根据MCR工作特性及控制特性，在地铁供电系统中与SVG相互配合，通过改善控制策略提出不同的无功补偿方案，在实际工程中进行研究、试验和分析，最后根据实际工况优化控制策略改善系统环境，并验证所提方案的有效性、正确性和经济性。

1 MCR基本结构及工作原理

MCR的简化结构如图1所示，为单相四柱式结构，绕组上、下部区均设有中间抽头，两中间抽头之间通过晶闸管连接，两柱间接有续流二极管。

由文献[3]可知MCR工作原理，施加励磁电流改变铁心磁路的磁导率μ，达到调节电抗器电抗的目的。对图1进一步简化，可得如图2所示的MCR接线示意图。

图1 单相MCR结构示意图

图2 单相MCR接线示意图

电抗器电感的计算式如下：

式中：Ψ为磁链；Φ为磁通；I为电流；W为匝数；μ为相对磁导率；μ0为空气磁导率；l0为磁路长度；S0为磁路横截面积；R0为磁路磁阻。

结合式（1）及式（2），根据图1、图2可知，施加交变电压e(t)，T1、T2导通，通过调节T1、T2导通角的大小，可以调整励磁电流的大小，最终实现容量调节。

2 地铁动态无功补偿分析及控制策略

2.1 地铁无功补偿

地铁无功补偿需求主要由牵引负荷、电缆及变压器、动力及照明负荷组成。牵引负荷部分功率因数相对稳定且较高，一般为0.95以上；电缆及变压器在供电网络系统中的无功基本稳定；动力及照明负荷涉及多个用电系统，功率因数一般为0.5～0.8，这部分功率因数属于较难控制部分。

地铁主变电所多采用SVG进行无功补偿。MCR和SVG的技术经济对比见表1。

表1 无功补偿方案技术经济对比

由表1可知，MCR、SVG均能满足无功补偿需求。在实际应用中，当系统参数一定，负荷侧母线电压受到无功补偿装置自身的参数、容量的影响。

2.2 MCR动态无功补偿控制分析

文献[8]分析了在既有无功补偿装置的条件下增加MCR后的效果，结果表明补偿效果显著提高。文献[9]、文献[10]分别基于实际项目，具体分析MCR的无功补偿能力，提出了现场特性试验新方法、参数调节方法及控制策略，并进行现场验证，为类似项目提供了参考。

以目前国内某城市已正式运营的线路为例，图3为该线路系统配置示意图。

图3 系统配置示意图

正常情况下，110 kV母线分列运行，牵引变压器为一主一备；电力变压器分列运行，且35 kV母联开关正常情况下断开运行。

由于功率因数考核点在对侧变电所的出线点，本侧选择MCR进行功率因数补偿，并且功率因数的采样点选择本站侧，在进行功率因数补偿时通过对侧出线点与线路充电功率换算得到。实际补偿时，从对侧变电所、本侧检查发现，仅依靠MCR或SVG单独工作，不足以满足补偿需求，二者需进行配合补偿，满足出线点的功率因数要求。

3 MCR及SVG动态无功组合式补偿控制策略

SVG容量相对较小但控制精度高，MCR容量相对较大、调节范围广但相比SVG精度低，同时，根据现场负荷情况，有无列车运行、负荷用电量的大小、35 kV电压等级侧负荷接入情况、两套装置单独控制模式下产生无功对冲等情况，均应予以考虑，优化控制方案如下。

3.1 控制方案一

考虑到MCR整体稳定性较高且容量可调范围较大，以其为主要控制装置，容量调节的范围较大，因此可以将SVG装置作为辅助补偿装置，MCR作为主要补偿装置，通过精确核算不同负荷条件时MCR满发状态下与考核点功率因数之间的无功功率差值，SVG以恒无功方式补偿这部分无功功率差值并留有一定的无功功率裕量，调整无功目标值。该方案是根据对侧变电所与MCR无功裕量以及相关的电气参数计算得到无功补偿的修正量，在SVG本地计算量的基础上叠加修正量获得整所达到功率因数要求所需无功，保证110 kV线路出线侧考核点功率因数满足要求。

3.2 控制方案二

考虑到MCR整体的响应速度相对于SVG装置较慢，选择由SVG作为110 kV汇集点功率因数主要补偿装置，MCR作为辅助定值补偿装置，SVG装置采集110 kV母线侧汇集点电压电流数据进行功率因数补偿，SVG将此处作为补偿点。该方案是根据对侧变电所与SVG的距离以及相关的电气参数计算得到无功补偿的修正量，在SVG本地计算量的基础上叠加修正量获得整所达到功率因数要求所需无功，保证110 kV线路出线侧考核点功率因数达到既定目标，最终达到预期功率因数。

4 对控制策略的验证及分析

对上文所提出的控制方案进行试验验证，以国内某地具体工程项目为试验对象，系统配置见图3。该项目采用集中供电方式，建设2座地铁用主变电所，分别从地方电网接入4回相互独立的110 kV电源，外部电源对侧间隔点距离本侧接入点长度均超过10 km。

4.1 方案一情况下的控制效果

试验前，从对侧后台观察实时有功功率P为0.23 MW，无功功率Q为-1.11 Mvar。根据试验前既定方案开展试验，试验测试部分数据如表2所示。

表2 方案一测试结果

从表2可以看出，随着本侧MCR输出容量的增大，对侧无功功率出现明显变化，本侧已停止无功返送，一定程度上改善了功率因数。由于MCR的控制精度受限，按照最小控制角度调节MCR晶闸管导通角，其输出容量在10 kvar上下浮动，无法稳定输出。调节MCR时，SVG以恒无功方式工作。对侧、本侧电压在100～200 V范围内波动。

从对侧变电所观察实时无功在-0.2～+0.3 Mvar范围浮动，此时无功补偿已达到最优。调试仅调节MCR即可实现既定目标，保持系统无功补偿不出现返送的情况。

4.2 方案二情况下的控制效果

以SVG为主进行试验，试验前，从对侧变电所观测到后台实时有功功率在0.22～0.23 MW，无功功率在-0.22～+0.76 Mvar范围波动。

表3 方案二测试结果

SVG最小输出只能保持在600 kvar左右，SVG手动输出已不能对此时主所补偿起到积极作用。SVG自动补偿需要确定补偿目标电压，需要设计人员根据系统现状计算目标电压或提高系统有功功率才能切换到自动状态。

4.3 控制方案及效果分析

试验中，MCR在固定容量运行时，实际输出的感性无功波动较大，MCR与SVG配合调节无功，则波动量可以由设置为自动补偿模式的SVG进行弥补。根据实际观测结果数据，110 kV线路功率因数均大于0.95，满足设计、试验要求。

由以上分析可知，MCR进行固定补偿输出时存在一定的数据波动，需要SVG进行动态补偿调节，最终系统功率因数能够达到较好的水平。磁控电抗器MCR自动补偿输出时，虽同样存在补偿误差，但综合月度电量计算，功率因数同样能达到较好的水平。

随着项目推进，送电线路电缆逐步增加，对侧变电所检测到无功波动存在逐渐增大的趋势，结合方案一，通过再次提高MCR的输出，将总体无功功率控制在正向0.3～0.9 Mvar范围，该措施一定程度上可以应对一定范围内负荷以及电缆线路的增加。

4.4 地铁线路正常运行时的控制效果

电客车载客运营后，随着主变电所侧负荷稳步增大，牵引负荷和动力照明负荷趋于稳定，系统经过一段时间的运行，以及当地供电公司的电费数据查询结果，MCR、SVG的配合投运很好地补偿了容性无功，提高了系统功率因数，主变电所的月平均功率因数均大于0.95，每月均有大于1万元的奖励性力调电费，直接降低了力调电费的罚款金额，节约了成本支出。

5 结语

本文讨论并分析了MCR与SVG在地铁牵引供电系统中配合补偿无功功率方案，并进行实际调试试验，使整个系统始终能够在最有效的控制方案下运行。由试验及实际运行结果可知，所提出的方案能够有效改善系统无功功率，明显改善系统供电质量，减少对城市电网的影响，并一定程度上改善了地铁的经济效益，具有较好的实际效果。

如何结合具体工况发挥MCR优秀的性能及协调优化作用，如何有效使用MCR以达到改善地铁供电系统的电压质量、系统稳定性，如何有效控制MCR使得响应速度更进一步提升，将是下一步关注和研究的重点。