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【摘要】：本文对动态无功补偿装置（SVG）的发展和原理进行了介绍，深入研究城市轨道交通供电系统质量问题的影响因素，通过对比分析三种典型的无功补偿装置，提出采用动态无功补偿方式对城市轨道交通变电站进行无功补偿。根据动态无功补偿三种方案的技术经济效益对比结果，提出采用分区集中式补偿作为城市轨道交通变电站的动态无功补偿装置。
关键词： 动态无功补偿SVG；地铁供电系统；无功补偿 ；
中图分类号： U26 文献标志码： A
0.引言
目前，现有传统无功补偿装置无法适应轨道交通用电系统无功补偿需求，严重危害电网的安全水平。对于无功波动大的场合，目前所采用的电容器组分组投存在许多技术问题，严重影响电容器的安全运行，不能满足电压无功自动调节的要求。因此，在电网中的适当位置装设无功补偿装置SVG是满足电网无功需求的必要手段。
调查研究发现，无功补偿装置存在多种不同的技术类型，不同装置厂家的产品质量参差不齐，缺乏对SVG装置应用技术的深入研究和对SVG装置设计相关的技术规范指导。动态无功补偿装置在电网安全保护中具有突出作用，动态无功补偿装置SVG结合动态补偿感性无功功率和容性无功功率，能够动态补偿大范围快速变化的瞬时无功功率。
通过研究动态无功补偿装置，提高动态无功补偿装置SVG在广州轨道交通专用变电站的应用水平，推动SVG装置在广州轨道交通专用变电站中的应用，为SVG设备的选型、、容量确定、设计规范、安装方式等标准化提供依据，解决专用变电站系统内电能质量问题，保障安全生产，从而提高电网安全水平。
1.地铁供电系统电能质量问题概述
1.1地铁供电系统概述
地铁供电系统主要由外部电源、主变电站、牵引供电系统、变电所、牵引网、电力监控系统、杂散电流防护系统、防雷及接地系统、车站及区间低压配电与照明系统等组成。地铁用电负荷由两部分组成：牵引负荷、动力照明负荷。牵引最大负荷及年用电量与电动车辆的型号、列车编组数量、高峰小时列车对数以及线路状况有关。动力照明最大负荷及年用电量与车站的型式、规模和车站及区间的照明、自动扶梯、给排水站、通风、通信、信号、防灾、自动售检票等设备的设置情况有关。
地铁供用电系统的电压等级为：110kV=>35kV=>400V和1.18kV，在35kV和400V大量使用电缆时，必须充分考虑电缆的特点，尤其是充电无功。地铁系统所采用的电力牵引机车为整流型负荷，是一个典型的非线性冲击性负荷。动力和照明负荷比较复杂，负荷种类比较多。
地铁供电系统存在的问题主要包括以下几个方面：
1）功率因数
目前已有资料表明，在所有的无功补偿装置均未投入的情况下，地铁系统110kV侧的功率因数已经能够很好地满足供电部门的要求。若将车站变电所的无功补偿装置投入，会导致过补偿；若无功补偿装置闲置不用，则会造成投资浪费，而且产生一定的安全隐患。
2）电压波动与闪变
地铁系统中的电力机车是一种典型冲击性负荷。冲击性负荷的非线性特性、规则或不规则的分合闸操纵等，使其电流在与频率有依赖关系的电网阻抗上造成电网的电压波动。
3）谐波问题
目前国内地铁车辆牵引系统均采用直流电机斩波器作为牵引机车直流电源的整流系统， 其单台供电容量大， 谐波含量高， 且靠近城市负荷中心，给地铁系统带来额外损耗。
4）电缆充电无功问题
地铁供电系统中大量采用35kV电缆，从110kV主站至各个供电分区的联系，以及各个降压所之间的联系，全部采用双汇35kV高压电缆连接。由于电缆的充电功率比普通架空线路高一个数量级，因此大量的35kV电缆会产生一定数量级的容性无功。当容性无功远大于系统的感性无功时，一方面会引起无功到送，另一方面可能会引起末端电压抬升，带来运行安全稳定隐患。
1.2 典型无功补偿装置研究分析
无功补偿装置的发展包括三个阶段：第一代机械式投切无源补偿方式，主要由机械式开关、交流电容器组和交流电抗器组成，第二代晶闸管投切静止无功补偿方式（SVC）基于无源补偿装置，通过可控硅的导通角控制从而改变投切的电抗器或电容器，包括晶闸管阀、控制和保护装置、变压器、交流电容器组和交流电抗器，可以分为TCR+FC和TSC两种补偿方式。第三代静态差异补偿装置（SVG）是基于电压源的静止同步补偿方式，包括GTO/IGBT/IGCT阀、控制与保护装置、变压器和直流电容。以大功率电压型逆变器为核心，通过调节逆变器输出电压，使其和系统电压形成可调基波电压差，从而控制注入系统的无功电流。
第一代机械式补偿属于固定式无功补偿装置，补偿速度慢并且谐波影响较大，第二代SVC的TCR+FC是主流SVC补偿方式，能够快速跟踪牵引负荷的变化并滤除少部分谐波，但是由于其自身也产生大量谐波，使得滤波装置要求增大，TSC补偿方式更为经济且不产生多余谐波，但是不能实现无功的连续调节，只能进行分级调节。各阶段无功补偿典型装置比较如下表所示：
2.地铁无功补偿方案研究
2.1 无功补偿方案对比
目前，地铁无功补偿方案包括集中式补偿、分区集中式补偿和分布式补偿三种方式。集中式补偿，是指在110kV主站集中进行无功治理。地铁系统110kV主站一般带三个分区的负荷，在每个分区进行动态无功补偿， 实现分区集中式补偿。分布式补偿，是指在每个35kV的降压所、跟随所和牵引所都进行动态无功补偿。三种补偿方式见于下图所示：
2.2 IGBT性能对比
目前IGBT模块额定电压等级主要有：600V、1200V、1700V、2500V、3300V、4500V与6500V。针对地铁应用的SVG，如果采用两电平或三电平电压源变流器分散补偿或加变压器升压集中补偿，可使用的IGBT电压等级是1200V或1700V；如果采用6kV或10kV链式SVG加变压器升压的方案，可使用的IGBT电压等级是1700V。根据电压等级分类，基于1200V和1700V两个电压等级对各主要厂商IGBT的性能特点进行分析，其中，IGBT主要厂商包括INFINEON（英飞凌）、FUJI（富士）和SEMIKRON（西门康）。 2.3 技术经济效益比较
三种补偿方式综合对比分析如下表所示，从表中可以看出，分区集中补偿比集中式补偿投资增加62%，分布式补偿比集中式补偿投资增加96%，接近一倍的投资。因此，从投资的角度分析，集中式补偿最经济的。
根据无功就地补偿的原则，以及前面分析的地铁系统的负荷特点，同时考虑地铁系统中需要补偿大量的电缆无功，分布式补偿的方案效果最佳，其次为分区集中补偿的方案，再次为集中式补偿方案。
由于地铁内降压所之间的距离一般很短，1-3km之内居多，而分区之间的距离相对较长，大约能到5-6km，因此，分布式补偿的效果和分区集中补偿相比，前者效果较好，但总体上差异较少。分布式补偿比分区集中补偿投入成本显著增加，在实际工程中，分布式补偿的可行性较差。综上所述，建议地铁系统中采用
分区集中式补偿方式最佳。
3. SVG动态无功补偿效益分析
3.1经济效益
在所有电力节能产品中，无功补偿装置是唯一在供电政策以及电力法中提到的节能措施。通过提高功率因素能够有效减少力调电费，带来直接的经济效益。再者，通过改善电压质量，稳定系统电压，保护系统设备，减少系统维护费用，从而提高设备使用寿命。
以广州地铁为例，广州地铁海五变电站由于采用电缆进出线，电缆充电无功较高，一方面会引起无功到送，另一方面可能会引起末端电压抬升，带来运行安全稳定隐患。同时，地铁系统中的电力机车是一种典型冲击性负荷，会对系统产生电压波动等危害。其直流电源整流系统会对电网造成一定的谐波污染。用户经多方论证、实地考察及厂家测试后，采用最新一代动态无功补偿与谐波治理装置SVG。海五变电站安装一套±2.4M var SVG装置，2010年10月份投运至今，效果良好。下表显示线损减少产生的经济效益。通过动态无功补偿后，预计每年线损节约收益不低于17万元。线损减少产生的经济效益如下表所示：
3.2社会效益
动态无功补偿装置由于采用了国际先进的电力电子技术，不仅在技术上实现了节能增效，而且不会造成环境上的负面影响，是一种广义绿色装置。动态无功补偿装置必将为变电站的用电安全、设备的稳定运行、减少因电能质量问题带来的经济损失等发挥巨大作用，给可持续发展经济予以正面的积极作用，也是当前和谐社会的一种体现，具有重要社会意义。
4.结论
动态无功补偿SVG在城市轨道交通专用变电站中通过有源滤波及动态无功补偿装置有效的解决了配电系统内的谐波影响，降低系统损耗和运营成本，改善地铁供电系统的电能质量，使得地铁配电系统能够安全、高效的运行，同时避免谐波对系统设备的危害，延长使用寿命，减少维护成本。通过三种无功补偿方案对比分析，综合投入成本和补偿效果等因素，确定分区集中式补偿方式为改善地铁供电系统电能质量的最佳补偿方式。
【参考文献】
[1]耿亮，虞苍壁，刘宝诚.城市轨道交通供电无功补偿设备安装及容量确定[J].电气技术，2012（5）.
[2]李建民，徐坚.基于SVG的城市轨道交通供电系统功率因数补偿研究[J].变压器，2008（2）.
[3]詹占岚.应用于轨道交通的滤波及无功补偿技术研究[J].铁道标准设计，2012（12）.
作者简介：
郑家波（1984-），性别（男），工程师，硕士，主要研究方向为电气控制技术，变电站设计等；
联系方式：15920563208；
电子邮箱：fxrsmile@163.com；
关键词： 动态无功补偿SVG；地铁供电系统；无功补偿 ；
中图分类号： U26 文献标志码： A
0.引言
目前，现有传统无功补偿装置无法适应轨道交通用电系统无功补偿需求，严重危害电网的安全水平。对于无功波动大的场合，目前所采用的电容器组分组投存在许多技术问题，严重影响电容器的安全运行，不能满足电压无功自动调节的要求。因此，在电网中的适当位置装设无功补偿装置SVG是满足电网无功需求的必要手段。
调查研究发现，无功补偿装置存在多种不同的技术类型，不同装置厂家的产品质量参差不齐，缺乏对SVG装置应用技术的深入研究和对SVG装置设计相关的技术规范指导。动态无功补偿装置在电网安全保护中具有突出作用，动态无功补偿装置SVG结合动态补偿感性无功功率和容性无功功率，能够动态补偿大范围快速变化的瞬时无功功率。
通过研究动态无功补偿装置，提高动态无功补偿装置SVG在广州轨道交通专用变电站的应用水平，推动SVG装置在广州轨道交通专用变电站中的应用，为SVG设备的选型、、容量确定、设计规范、安装方式等标准化提供依据，解决专用变电站系统内电能质量问题，保障安全生产，从而提高电网安全水平。
1.地铁供电系统电能质量问题概述
1.1地铁供电系统概述
地铁供电系统主要由外部电源、主变电站、牵引供电系统、变电所、牵引网、电力监控系统、杂散电流防护系统、防雷及接地系统、车站及区间低压配电与照明系统等组成。地铁用电负荷由两部分组成：牵引负荷、动力照明负荷。牵引最大负荷及年用电量与电动车辆的型号、列车编组数量、高峰小时列车对数以及线路状况有关。动力照明最大负荷及年用电量与车站的型式、规模和车站及区间的照明、自动扶梯、给排水站、通风、通信、信号、防灾、自动售检票等设备的设置情况有关。
地铁供用电系统的电压等级为：110kV=>35kV=>400V和1.18kV，在35kV和400V大量使用电缆时，必须充分考虑电缆的特点，尤其是充电无功。地铁系统所采用的电力牵引机车为整流型负荷，是一个典型的非线性冲击性负荷。动力和照明负荷比较复杂，负荷种类比较多。
地铁供电系统存在的问题主要包括以下几个方面：
1）功率因数
目前已有资料表明，在所有的无功补偿装置均未投入的情况下，地铁系统110kV侧的功率因数已经能够很好地满足供电部门的要求。若将车站变电所的无功补偿装置投入，会导致过补偿；若无功补偿装置闲置不用，则会造成投资浪费，而且产生一定的安全隐患。
2）电压波动与闪变
地铁系统中的电力机车是一种典型冲击性负荷。冲击性负荷的非线性特性、规则或不规则的分合闸操纵等，使其电流在与频率有依赖关系的电网阻抗上造成电网的电压波动。
3）谐波问题
目前国内地铁车辆牵引系统均采用直流电机斩波器作为牵引机车直流电源的整流系统， 其单台供电容量大， 谐波含量高， 且靠近城市负荷中心，给地铁系统带来额外损耗。
4）电缆充电无功问题
地铁供电系统中大量采用35kV电缆，从110kV主站至各个供电分区的联系，以及各个降压所之间的联系，全部采用双汇35kV高压电缆连接。由于电缆的充电功率比普通架空线路高一个数量级，因此大量的35kV电缆会产生一定数量级的容性无功。当容性无功远大于系统的感性无功时，一方面会引起无功到送，另一方面可能会引起末端电压抬升，带来运行安全稳定隐患。
1.2 典型无功补偿装置研究分析
无功补偿装置的发展包括三个阶段：第一代机械式投切无源补偿方式，主要由机械式开关、交流电容器组和交流电抗器组成，第二代晶闸管投切静止无功补偿方式（SVC）基于无源补偿装置，通过可控硅的导通角控制从而改变投切的电抗器或电容器，包括晶闸管阀、控制和保护装置、变压器、交流电容器组和交流电抗器，可以分为TCR+FC和TSC两种补偿方式。第三代静态差异补偿装置（SVG）是基于电压源的静止同步补偿方式，包括GTO/IGBT/IGCT阀、控制与保护装置、变压器和直流电容。以大功率电压型逆变器为核心，通过调节逆变器输出电压，使其和系统电压形成可调基波电压差，从而控制注入系统的无功电流。
第一代机械式补偿属于固定式无功补偿装置，补偿速度慢并且谐波影响较大，第二代SVC的TCR+FC是主流SVC补偿方式，能够快速跟踪牵引负荷的变化并滤除少部分谐波，但是由于其自身也产生大量谐波，使得滤波装置要求增大，TSC补偿方式更为经济且不产生多余谐波，但是不能实现无功的连续调节，只能进行分级调节。各阶段无功补偿典型装置比较如下表所示：
2.地铁无功补偿方案研究
2.1 无功补偿方案对比
目前，地铁无功补偿方案包括集中式补偿、分区集中式补偿和分布式补偿三种方式。集中式补偿，是指在110kV主站集中进行无功治理。地铁系统110kV主站一般带三个分区的负荷，在每个分区进行动态无功补偿， 实现分区集中式补偿。分布式补偿，是指在每个35kV的降压所、跟随所和牵引所都进行动态无功补偿。三种补偿方式见于下图所示：
2.2 IGBT性能对比
目前IGBT模块额定电压等级主要有：600V、1200V、1700V、2500V、3300V、4500V与6500V。针对地铁应用的SVG，如果采用两电平或三电平电压源变流器分散补偿或加变压器升压集中补偿，可使用的IGBT电压等级是1200V或1700V；如果采用6kV或10kV链式SVG加变压器升压的方案，可使用的IGBT电压等级是1700V。根据电压等级分类，基于1200V和1700V两个电压等级对各主要厂商IGBT的性能特点进行分析，其中，IGBT主要厂商包括INFINEON（英飞凌）、FUJI（富士）和SEMIKRON（西门康）。 2.3 技术经济效益比较
三种补偿方式综合对比分析如下表所示，从表中可以看出，分区集中补偿比集中式补偿投资增加62%，分布式补偿比集中式补偿投资增加96%，接近一倍的投资。因此，从投资的角度分析，集中式补偿最经济的。
根据无功就地补偿的原则，以及前面分析的地铁系统的负荷特点，同时考虑地铁系统中需要补偿大量的电缆无功，分布式补偿的方案效果最佳，其次为分区集中补偿的方案，再次为集中式补偿方案。
由于地铁内降压所之间的距离一般很短，1-3km之内居多，而分区之间的距离相对较长，大约能到5-6km，因此，分布式补偿的效果和分区集中补偿相比，前者效果较好，但总体上差异较少。分布式补偿比分区集中补偿投入成本显著增加，在实际工程中，分布式补偿的可行性较差。综上所述，建议地铁系统中采用
分区集中式补偿方式最佳。
3. SVG动态无功补偿效益分析
3.1经济效益
在所有电力节能产品中，无功补偿装置是唯一在供电政策以及电力法中提到的节能措施。通过提高功率因素能够有效减少力调电费，带来直接的经济效益。再者，通过改善电压质量，稳定系统电压，保护系统设备，减少系统维护费用，从而提高设备使用寿命。
以广州地铁为例，广州地铁海五变电站由于采用电缆进出线，电缆充电无功较高，一方面会引起无功到送，另一方面可能会引起末端电压抬升，带来运行安全稳定隐患。同时，地铁系统中的电力机车是一种典型冲击性负荷，会对系统产生电压波动等危害。其直流电源整流系统会对电网造成一定的谐波污染。用户经多方论证、实地考察及厂家测试后，采用最新一代动态无功补偿与谐波治理装置SVG。海五变电站安装一套±2.4M var SVG装置，2010年10月份投运至今，效果良好。下表显示线损减少产生的经济效益。通过动态无功补偿后，预计每年线损节约收益不低于17万元。线损减少产生的经济效益如下表所示：
3.2社会效益
动态无功补偿装置由于采用了国际先进的电力电子技术，不仅在技术上实现了节能增效，而且不会造成环境上的负面影响，是一种广义绿色装置。动态无功补偿装置必将为变电站的用电安全、设备的稳定运行、减少因电能质量问题带来的经济损失等发挥巨大作用，给可持续发展经济予以正面的积极作用，也是当前和谐社会的一种体现，具有重要社会意义。
4.结论
动态无功补偿SVG在城市轨道交通专用变电站中通过有源滤波及动态无功补偿装置有效的解决了配电系统内的谐波影响，降低系统损耗和运营成本，改善地铁供电系统的电能质量，使得地铁配电系统能够安全、高效的运行，同时避免谐波对系统设备的危害，延长使用寿命，减少维护成本。通过三种无功补偿方案对比分析，综合投入成本和补偿效果等因素，确定分区集中式补偿方式为改善地铁供电系统电能质量的最佳补偿方式。
【参考文献】
[1]耿亮，虞苍壁，刘宝诚.城市轨道交通供电无功补偿设备安装及容量确定[J].电气技术，2012（5）.
[2]李建民，徐坚.基于SVG的城市轨道交通供电系统功率因数补偿研究[J].变压器，2008（2）.
[3]詹占岚.应用于轨道交通的滤波及无功补偿技术研究[J].铁道标准设计，2012（12）.
作者简介：
郑家波（1984-），性别（男），工程师，硕士，主要研究方向为电气控制技术，变电站设计等；
联系方式：15920563208；
电子邮箱：fxrsmile@163.com；