動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置SVG在地鐵供電系統(tǒng)的應(yīng)用探討

摘 要：對(duì)SVG裝置的發(fā)展和工作原理進(jìn)行了介紹。結(jié)合地鐵供電系統(tǒng)的特點(diǎn)，并對(duì)SVG裝置在地鐵供電系統(tǒng)內(nèi)的應(yīng)用進(jìn)行了適應(yīng)性分析，并提出了SVG裝置在應(yīng)用上仍存在的不足及發(fā)展展望。

關(guān)鍵詞：地鐵 供電系統(tǒng) 動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置SVG 無(wú)功補(bǔ)償

中圖分類號(hào)：U26文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2013）04（c）-0106-02

SVG裝置采用自換相橋式電路和PWM控制技術(shù)，能實(shí)時(shí)跟隨負(fù)荷波動(dòng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)自身輸出，除能進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償外，還具有濾波、抑制電壓波動(dòng)和閃變等多項(xiàng)功能，已成功應(yīng)用于冶金、煤礦、電氣化鐵道、電網(wǎng)等領(lǐng)域。SVG裝置憑借其技術(shù)和功能的優(yōu)越性，在地鐵供電系統(tǒng)領(lǐng)域逐漸受到更多的關(guān)注。

1 SVG裝置介紹

1.1 無(wú)功補(bǔ)償裝置的發(fā)展

無(wú)功補(bǔ)償裝置的發(fā)展，大致經(jīng)歷了機(jī)械式投切無(wú)源補(bǔ)償方式、晶閘管投切靜止無(wú)功補(bǔ)償方式以及基于電壓源的靜止同步補(bǔ)償方式三個(gè)階段。機(jī)械式的早期電力系統(tǒng)中有所應(yīng)用，屬于固定式無(wú)功補(bǔ)償裝置，其補(bǔ)償速度慢，而且由于是機(jī)械投切，限制了它每天的使用次數(shù)，且噪聲大?；诰чl管投切的靜止無(wú)功補(bǔ)償方式（SVC）是無(wú)源補(bǔ)償裝置，在電力系統(tǒng)和交流牽引供電系統(tǒng)中有所應(yīng)用，其通過(guò)可控硅的導(dǎo)通角控制從而改變投切的電抗器或是電容器，具體又可分為TCR+FC和TSC兩種補(bǔ)償方式，TCR+FC是主流的SVC補(bǔ)償方式，其可以快速跟蹤牽引負(fù)荷的變化，并濾除少部分的諧波，但是其自身也產(chǎn)生了大量的諧波，使得濾波裝置要求增大，而TSC型補(bǔ)償方式更為經(jīng)濟(jì)且不產(chǎn)生多余諧波，但是不能實(shí)現(xiàn)無(wú)功的連續(xù)調(diào)節(jié)，只能進(jìn)行分級(jí)調(diào)節(jié)。SVG屬于第三代無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)，不再采用大容量的電容器、電抗器，而是通過(guò)大功率電力電子器件IGBT的高速開(kāi)斷實(shí)現(xiàn)無(wú)功能量的變換。

1.2 SVG裝置組成、原理及技術(shù)特點(diǎn)

SVG裝置主要包括變壓器、電抗器、功率單元、控制保護(hù)系統(tǒng)等組件及其相關(guān)附件。

SVG裝置的基本原理是將自換相橋式電路通過(guò)電抗器或者變壓器并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值或者直接控制其交流側(cè)電流，就可以使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無(wú)功電流，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康模琒VG不同運(yùn)行模式原理圖如圖1所示。

從技術(shù)上講，SVG較傳統(tǒng)的無(wú)功裝置有如下特點(diǎn)。

1）運(yùn)行范圍寬?？蓜?dòng)態(tài)、雙向連續(xù)調(diào)節(jié)無(wú)功輸出，能夠跟隨負(fù)荷變化，既可發(fā)出感性無(wú)功，也可發(fā)出容性無(wú)功，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)全程接近1。

2）響應(yīng)時(shí)間快。地鐵無(wú)功負(fù)荷為頻繁波動(dòng)負(fù)荷，SVG響應(yīng)時(shí)間通常約5ms，響應(yīng)時(shí)間快，可取得更好的補(bǔ)償效果。

3）不產(chǎn)生諧波。采用多電平PWM等技術(shù)，自身諧波含量很低，不需配置專用濾波裝置，且能作為濾波裝置對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行濾波。

4）占地面積小。主變電所因城市用地緊張而成本增加較高，SVG占地面積較小，可減小主變電所征地和土建造價(jià)。

5）不產(chǎn)生系統(tǒng)串、并聯(lián)諧振。SVG不使用大量電容器或電抗器，不會(huì)引起系統(tǒng)諧振或諧波電壓放大，設(shè)備和系統(tǒng)運(yùn)行更加可靠。

6）功能多樣化。除能進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償外，還能具有濾波、抑制電壓波動(dòng)和閃變等功能。

SVG裝置在技術(shù)上比較先進(jìn)，但仍有一些方面需要提高。

1）價(jià)格。SVG裝置在地鐵內(nèi)屬于新應(yīng)用裝置，目前售價(jià)偏高，每臺(tái)SVG裝置的售價(jià)為200～300萬(wàn)左右。

2）壽命。地鐵設(shè)備一般壽命要求30年，而SVG裝置的設(shè)計(jì)壽命為20年，實(shí)際壽命可能更短。

3）運(yùn)營(yíng)維護(hù)。SVG裝置的主器件IGBT元件多為進(jìn)口，在日后設(shè)備的運(yùn)營(yíng)維護(hù)中不便。

雖然SVG裝置存在以上問(wèn)題，但其功能的先進(jìn)性和全面性仍代表了無(wú)功補(bǔ)償領(lǐng)域的潮流，是電力系統(tǒng)或地鐵供電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。技術(shù)發(fā)展需要一個(gè)過(guò)程，以上問(wèn)題在日益激烈競(jìng)爭(zhēng)的環(huán)境中會(huì)得到一定程度上改善和解決。

2 地鐵供電系統(tǒng)特點(diǎn)

國(guó)內(nèi)城市地鐵大都采用集中供電方式，供電系統(tǒng)主要由外部電源、主變電所、中壓環(huán)網(wǎng)、牽引降壓混合變電所（簡(jiǎn)稱牽引變電所）和降壓變電所等構(gòu)成。電力系統(tǒng)AC110kV電源經(jīng)主變電所降壓為AC35kV，經(jīng)AC35kV中壓環(huán)網(wǎng)傳輸至牽引變電所和降壓變電所。在牽引變電所，通過(guò)整流機(jī)組將AC35kV交流電源整流為DC1500V或DC750V直流電，向列車（牽引負(fù)荷）供電；在降壓變電所，變壓器將AC35kV交流電降壓為AC0.4kV交流，向車站和區(qū)間內(nèi)動(dòng)力照明設(shè)備（動(dòng)照負(fù)荷）供電。地鐵供電系統(tǒng)主要特點(diǎn)如下。

1）供電制式。包括交流和牽引供電兩大供電系統(tǒng)，交流系統(tǒng)采用三相對(duì)稱供電制式；牽引系統(tǒng)采用直流供電制式。交流系統(tǒng)通過(guò)等效24脈波整流為直流電。

2）負(fù)荷特點(diǎn)。包含牽引負(fù)荷和動(dòng)照負(fù)荷兩部分，動(dòng)照負(fù)荷基本固定，牽引負(fù)荷隨列車運(yùn)行對(duì)數(shù)的不同而具有較大的波動(dòng)性。供電系統(tǒng)變壓器和列車牽引負(fù)荷運(yùn)行時(shí)消耗大量的感性無(wú)功功率，電纜則是容性無(wú)功功率（充電功率）。

3）系統(tǒng)接線。變電所與變電所之間、設(shè)備與設(shè)備之間通過(guò)大量電纜連接。電纜運(yùn)行時(shí)消耗容性無(wú)功功率（充電功率）。

3 在地鐵供電系統(tǒng)中SVG的適應(yīng)性

3.1 諧波治理

地鐵供電系統(tǒng)諧波主要來(lái)源于兩部分：一是通過(guò)整流設(shè)備整流的牽引負(fù)荷，二是含有變頻設(shè)備的動(dòng)照負(fù)荷。

整流機(jī)組產(chǎn)生諧波電流次數(shù)與整流機(jī)組輸出脈波數(shù)有關(guān)，理想情況下，反映到整流機(jī)組高壓側(cè)產(chǎn)生的諧波電流次數(shù)為：K*P±1（式中P為整流機(jī)組脈波數(shù)，K為正整數(shù)），整流機(jī)組脈波數(shù)越高，產(chǎn)生較低次諧波越少，對(duì)系統(tǒng)影響也越小。我國(guó)九十年代建設(shè)的上海地鐵1號(hào)線、廣州地鐵1號(hào)線均采用了12脈波整流變壓器，從現(xiàn)在運(yùn)行情況來(lái)看，均滿足國(guó)標(biāo)GB/T14549-93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》要求。但為了進(jìn)一步減少諧波“污染”，可采用更高脈波數(shù)的24脈波整流機(jī)組，這樣產(chǎn)生諧波更少，尤其諧波含量最大的11、13次諧波較12脈波整流機(jī)組減少80%左右。動(dòng)力照明負(fù)荷主要包括車站的照明、通風(fēng)空調(diào)、自動(dòng)扶梯、排水、通風(fēng)、消防等，其中含有大量變頻負(fù)荷，其產(chǎn)生的諧波主要以5、7次為主。在目前國(guó)內(nèi)的新建線路中，為了抑制動(dòng)照負(fù)荷產(chǎn)生的諧波，有的工程已在0.4kV側(cè)設(shè)置有源濾波裝置進(jìn)行濾波。

因此，供電系統(tǒng)通過(guò)采用24脈波整流機(jī)組和有源濾波裝置，諧波含量已可以滿足國(guó)家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，而單獨(dú)利用SVG裝置進(jìn)行濾波意義不大。

3.2 無(wú)功補(bǔ)償

地鐵供電系統(tǒng)的功率因數(shù)主要由牽引負(fù)荷和動(dòng)力照明負(fù)荷的性質(zhì)所決定。對(duì)于牽引負(fù)荷，由于采用24脈波整流方式，理論基波功率因數(shù)在0.989以上，不可調(diào)變流器的位移因數(shù)在0.95以上，因而其總功率因數(shù)可達(dá)0.96左右。對(duì)于0.4kV側(cè)低壓負(fù)荷，相對(duì)牽引負(fù)荷功率因數(shù)較低，但隨著技術(shù)的發(fā)展及變頻設(shè)備的大量采用，功率因數(shù)提升明顯，基本也可達(dá)到0.85～0.9甚至以上。

在地鐵線路運(yùn)營(yíng)初期，由于牽引及動(dòng)力負(fù)荷（主要為感性）較小，尤其在夜間停運(yùn)階段負(fù)荷較低時(shí)，35kV電纜電纜的容性無(wú)功功率（充電無(wú)功）大于系統(tǒng)消耗的感性無(wú)功功率，供電系統(tǒng)的無(wú)功功率呈容性，功率因數(shù)較低，需要進(jìn)行容性無(wú)功功率補(bǔ)償。我國(guó)現(xiàn)在運(yùn)營(yíng)的城市軌道交通系統(tǒng)，如天津津?yàn)I輕軌、廣州地鐵、上海地鐵及南京地鐵等，在運(yùn)營(yíng)初期不投入400V無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的情況下，仍存在容性無(wú)功返送的情況，導(dǎo)致主變電所功率因數(shù)達(dá)不到電力部門的要求而被罰款。

由于地鐵供電系統(tǒng)存在大量電纜、線路開(kāi)通階段負(fù)荷小這一客觀事實(shí)，地鐵線路在系統(tǒng)調(diào)試階段和運(yùn)營(yíng)初期功率因數(shù)低的問(wèn)題不可避免。為提供供電質(zhì)量，需要一種無(wú)功補(bǔ)償裝置對(duì)功率因數(shù)進(jìn)行控制。

SVG裝置在目前的無(wú)功補(bǔ)償裝置中，能跟隨負(fù)荷波動(dòng)自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)功率因數(shù)水平，適應(yīng)地鐵供電系統(tǒng)負(fù)荷波動(dòng)大的特點(diǎn)，在技術(shù)上最為理想。天津地鐵2號(hào)線、廣州地鐵5號(hào)線、廣佛線、昆明6號(hào)線、無(wú)錫1、2號(hào)線、蘇州2號(hào)線主變電所均已采用該技術(shù)。隨著電力電子及IGBT技術(shù)的成熟，SVG在地鐵系統(tǒng)中的使用會(huì)越來(lái)越廣。

3.3 電壓波動(dòng)和閃變

3.4 SVG安裝容量確定

在地鐵系統(tǒng)中，SVG安裝在主變電所35kV母線進(jìn)行集中補(bǔ)償，其安裝容量應(yīng)經(jīng)過(guò)計(jì)算確定。

在確定無(wú)功補(bǔ)償容量時(shí)，需對(duì)電纜、變壓器、牽引和動(dòng)照負(fù)荷等不同類型設(shè)備的有功功率和無(wú)功功率分別進(jìn)行計(jì)算。供電系統(tǒng)在夜間處于低載狀態(tài)，白天高峰時(shí)段則為滿載狀態(tài)，其他時(shí)段則處于這兩種情況之間。因此，應(yīng)當(dāng)計(jì)算出低載狀態(tài)和滿載狀態(tài)時(shí)相應(yīng)的有功功率和無(wú)功功率，并按將功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)?.9以上來(lái)確定SVG的安裝容量。

4 結(jié)語(yǔ)

SVG裝置在地鐵供電系統(tǒng)中主要用于無(wú)功補(bǔ)償，與傳統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償裝置相比，能動(dòng)態(tài)跟隨負(fù)荷變化自動(dòng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償和功率因數(shù)調(diào)節(jié)。若在價(jià)格、壽命等方面得以改善，該裝置在地鐵領(lǐng)域內(nèi)的將有很大的發(fā)展空間。

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