磁控電抗器與SVG配合補(bǔ)償在地鐵供電系統(tǒng)中的應(yīng)用

曾委

摘 要：無(wú)功功率的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)在改善電網(wǎng)的電壓質(zhì)量、穩(wěn)定性以及安全和經(jīng)濟(jì)性方面起著重要的作用，地鐵工程的快速發(fā)展對(duì)地鐵供電系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償裝置的動(dòng)態(tài)性能、補(bǔ)償精度和設(shè)備可靠性提出了越來(lái)越高的要求，基于此，該文首先闡述了地鐵供電系統(tǒng)中傳統(tǒng)SVG補(bǔ)償方式的運(yùn)用，然后介紹了磁控電抗器補(bǔ)償?shù)膬?nèi)涵，最后重點(diǎn)探討了磁控電抗器與SVG配合補(bǔ)償方式，以期為磁控電抗器與SVG配合補(bǔ)償在地鐵供電系統(tǒng)中的應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：MCR;SVG;地鐵供電系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)： TM714.3? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著城市軌道交通的飛速發(fā)展，地鐵供電系統(tǒng)的重要性越來(lái)越高，對(duì)城市軌道交通供電系統(tǒng)的質(zhì)量要求也越來(lái)越高。因此，地鐵供電系統(tǒng)功率因數(shù)的高低決定了地鐵供電系統(tǒng)的供電質(zhì)量，對(duì)提升電能效益具有積極意義。但是在實(shí)際應(yīng)用中，地鐵用電負(fù)荷隨時(shí)間呈現(xiàn)不均勻性，大量的感性負(fù)載及容性負(fù)載分部，使得地鐵供電系統(tǒng)的功率功率因數(shù)時(shí)刻在變化，地鐵的供電質(zhì)量有待提高。一般而言，供電管理部門(mén)會(huì)根據(jù)相關(guān)的電源管理規(guī)定確定功率因數(shù)，設(shè)置下限值。因此，積極有效地進(jìn)行地鐵供電系統(tǒng)內(nèi)的無(wú)功補(bǔ)償，提高功率因數(shù)，成為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究的重點(diǎn)問(wèn)題。

1 地鐵供電系統(tǒng)中傳統(tǒng)SVG補(bǔ)償方式介紹

現(xiàn)在比較常見(jiàn)的補(bǔ)償方式是在地鐵供電系統(tǒng)35 kV電源母線上，并聯(lián)SVG動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置和固定電抗器進(jìn)行配合補(bǔ)償，固定電抗器為供電系統(tǒng)提供固定的感性無(wú)功，用于補(bǔ)償高壓電纜的容性無(wú)功。SVG動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置以大功率IGBT管為核心[1]，通過(guò)調(diào)節(jié)工作方式，可以補(bǔ)償容性無(wú)功，又可以補(bǔ)償感性無(wú)功。通常SVG通過(guò)連接變壓器接入35 kV母線，與系統(tǒng)電壓保持同頻、同相，通過(guò)調(diào)節(jié)輸出電壓的幅值與系統(tǒng)電壓幅值之間的關(guān)系來(lái)確定輸出功率的性質(zhì)，即當(dāng)電壓幅度值高于系統(tǒng)側(cè)，則其作為容性運(yùn)行，輸出容性無(wú)功功率，抬升網(wǎng)壓;反之當(dāng)電壓幅度小于系統(tǒng)側(cè)電壓幅度時(shí)，其作為感性運(yùn)行，輸出感性無(wú)功功率，拉低網(wǎng)壓。SVG動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間快、工作范圍廣，缺點(diǎn)是控制復(fù)雜且成本高。采用SVG加固定電抗器的補(bǔ)償方式是將設(shè)備并接入35 kV中壓系統(tǒng)，補(bǔ)償?shù)娜萘坑邢轠2]。

2 磁控電抗器補(bǔ)償方式介紹

2.1 磁控電抗器電氣結(jié)構(gòu)與原理

磁控電抗器（MCR）是指磁閥式可控電抗器，是一種容量可調(diào)節(jié)的電抗器。磁控電抗器采用并聯(lián)方式接入110 kV系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)磁控電抗器的輸出容量實(shí)現(xiàn)對(duì)容性無(wú)功的補(bǔ)償。磁控電抗器的工作原理是通過(guò)改變電抗器內(nèi)直流電流的大小來(lái)改變鐵心的磁飽和度[3]，從而平滑地改變電抗值和電抗容量，實(shí)現(xiàn)容量的平滑調(diào)節(jié)。磁控電抗器的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

鐵芯電抗器的電感計(jì)算式：

式中：Ψ —磁鏈，Φ —磁通，I —電流，W— 繞組匝數(shù)，μr—相對(duì)磁導(dǎo)率，μ0—真空磁導(dǎo)率，l0—磁路長(zhǎng)度，S0—磁路截面積。

根據(jù)公式，通過(guò)改變電抗器鐵芯磁路的磁導(dǎo)率μr，就可以達(dá)到調(diào)節(jié)電抗器電抗的目的。

磁控電抗器接入線路的電氣等效圖如圖2所示。

磁控電抗器通過(guò)控制保護(hù)裝置采樣110 kV線路側(cè)電流、電壓及電抗器回路的電流，實(shí)時(shí)計(jì)算系統(tǒng)內(nèi)無(wú)功功率，根據(jù)設(shè)定的運(yùn)行方式自動(dòng)計(jì)算補(bǔ)償目標(biāo)值，通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁裝置導(dǎo)通角的方式改變磁控電抗器鐵芯的磁導(dǎo)率，連續(xù)、自動(dòng)地調(diào)節(jié)電抗器的輸出容量，達(dá)到補(bǔ)償系統(tǒng)容性無(wú)功的目的[4]。

2.2 磁控電抗器的應(yīng)用方向

磁控電抗器可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)感性無(wú)功的大小，所以適用于補(bǔ)償供電系統(tǒng)中時(shí)刻變化的容性無(wú)功或者相間不平衡的容性無(wú)功。在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)與固定電容器組配合使用，可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)的感性無(wú)功補(bǔ)償也可以補(bǔ)償固定的容性無(wú)功。對(duì)比固定電抗器補(bǔ)償?shù)姆绞?，可以?shí)時(shí)調(diào)節(jié)感性無(wú)功的補(bǔ)償裝置，適用范圍更加廣泛。

3 磁控電抗器與SVG配合補(bǔ)償方式研究

3.1 實(shí)現(xiàn)策略

SVG作為可以補(bǔ)償容性無(wú)功與感性無(wú)功的裝置，具有精度高、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)。磁控電抗器（MCR）作為單獨(dú)補(bǔ)償感性無(wú)功的裝置，具有補(bǔ)償容量大，可以自動(dòng)調(diào)節(jié)感性無(wú)功大小的特點(diǎn)，相應(yīng)速度方面比SVG略遜色些。因此將2種設(shè)備組合進(jìn)行補(bǔ)償有2種控制方式。1）SVG控制裝置接收地鐵供電系統(tǒng)主變電所進(jìn)線側(cè)的電壓、電流信號(hào)，并以電網(wǎng)側(cè)變電所110 kV出線電流為關(guān)鍵控制點(diǎn)，控制目標(biāo)為考核點(diǎn)功率因數(shù)。磁控電抗器作為從控制設(shè)備，在實(shí)際運(yùn)行中不做自主調(diào)節(jié)，設(shè)置為恒出力狀態(tài)，或者根據(jù)110 kV母線電壓分級(jí)調(diào)節(jié)無(wú)功出力，設(shè)置補(bǔ)償功率不大于設(shè)備的額定功率。2）磁控電抗器作為主控設(shè)備接收地鐵主變電所110 kV進(jìn)線側(cè)的電壓、電流型號(hào)，以電網(wǎng)側(cè)變電所110 kV出線電流為關(guān)鍵控制點(diǎn)，控制目標(biāo)為考核點(diǎn)功率因數(shù)。SVG以地鐵主變電所110 kV母線電壓及110 kV進(jìn)線電流為關(guān)鍵控制點(diǎn)，控制目標(biāo)為向110 kV系統(tǒng)輸送設(shè)定目標(biāo)的功率。

3.2 性能指標(biāo)

性能指標(biāo)有5點(diǎn)。1）電抗器容量調(diào)節(jié)范圍1%～100%，無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，響應(yīng)過(guò)渡時(shí)間不大于200 ms。2）電抗器正常工作時(shí)產(chǎn)生的諧波含量：5次≦5.0%，7次≦2%，11次≦1.2%。3）SVG裝置可實(shí)現(xiàn)大容量和無(wú)級(jí)補(bǔ)償，無(wú)功容量可連續(xù)調(diào)節(jié)平滑輸出。4）SVG裝置的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間不大于1 ms，裝置閉環(huán)響應(yīng)時(shí)間不大于10 ms。5）保證系統(tǒng)補(bǔ)償后的功率因數(shù)大于等于0.95[5]。

4 配合補(bǔ)償方式的應(yīng)用效果

成都地鐵某線路采用了SVG+磁控電抗器的補(bǔ)償方式，該項(xiàng)目在送電之后，單獨(dú)投用MCR可以起到一定的補(bǔ)償效果，在負(fù)載變化不大的送電初期，經(jīng)過(guò)調(diào)試可以很好地補(bǔ)償110 kV線路及地鐵系統(tǒng)內(nèi)的35 kV電纜產(chǎn)生的容性無(wú)功，功率因數(shù)能夠達(dá)到0.9以上。后期隨著地鐵系統(tǒng)各站點(diǎn)投入設(shè)備的增加及地鐵正式運(yùn)行，負(fù)載的變化將更加復(fù)雜，SVG和磁控電抗器配合補(bǔ)償?shù)姆绞綄⒑芎玫卣{(diào)節(jié)地鐵供電系統(tǒng)側(cè)的無(wú)功功率，使功率因數(shù)始終保持在0.95以上的水平。

5 配合補(bǔ)償方式的應(yīng)用前景展望

各大城市地鐵線路建設(shè)得越來(lái)越多，越來(lái)越密集，城市中心的電網(wǎng)負(fù)荷將難以滿足地鐵線路如此龐大的電能需求，不得不考慮從更遠(yuǎn)的郊區(qū)電網(wǎng)變電所接電，遠(yuǎn)距離高壓電纜輸電，需要的補(bǔ)償設(shè)備容量也將更大，在不同的電壓等級(jí)下進(jìn)行補(bǔ)償是一種新的方式，而且傳統(tǒng)的將所有補(bǔ)償裝置集中于35 kV母線上，隨著補(bǔ)償裝置的運(yùn)行，對(duì)系統(tǒng)電壓造成較大的波動(dòng)，不利于其他設(shè)備的正常工作，將容量分散到不同的電壓等級(jí)，尤其是在110 kV等級(jí)的母線上進(jìn)行補(bǔ)償，有利于35 kV電壓等級(jí)設(shè)備的正常運(yùn)行。磁控電抗器作為可調(diào)節(jié)的感性無(wú)功補(bǔ)償裝置，較固定電抗器更有優(yōu)勢(shì)，而且磁控電抗器可以根據(jù)供電系統(tǒng)某一相的補(bǔ)償需要，進(jìn)行差別補(bǔ)償，應(yīng)用范圍更加廣泛，因此采取磁控電抗器與SVG配合補(bǔ)償?shù)姆绞剑诘罔F供電系統(tǒng)中有較好的應(yīng)用前景。

6 結(jié)論

隨著城市軌道交通的飛速發(fā)展，對(duì)城市軌道交通供電系統(tǒng)的質(zhì)量要求也越來(lái)越高。該文探討了110 kV磁控電抗器與35 kV SVG配合補(bǔ)償?shù)姆桨福?jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，該方案能滿足地鐵供電系統(tǒng)對(duì)功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)男枨螅岣吡穗娔苜|(zhì)量，具有較好的適用性。

參考文獻(xiàn)

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