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摘?要 介绍SVG在城市轨道交通供电系统的应用，分析了SVG无功发生器的工作原理和功能作用后，结合深圳轨道交通XX线110 kV主变电所2×4.2 MVar SVG扩建项目，说明了SVG在城市轨道交通工程应用中的负荷计算、接入方式选择、损耗计算和散热设计等相关方面遇到的问题和采取的措施。
关键词 城市轨道交通供电系统；无功补偿；SVG
中图分类号 TM631 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)062-0192-02
1 概述
城市轨道交通供电系统一般采用直流牵引，交流集中供电方式，变压器数量较多、高压供电回路以电缆为主，电缆总体长度长；动力、牵引变压器、牵引机车、电缆、整流机组在输电系统侧产生的无功冲击及各谐波比较明显，这不仅恶化了电网供电电能质量，导致功率因数低，同时还降低了电网供电可靠性，因此研究轨道交通供电系统的电能质量特点及采取相应的治理措施解决好电气化铁道的无功补偿和谐波的综合治理，对提高供电的可靠性具有十分重要的意义。
2 SVG无功发生器的原理
静止同步补偿（SVG）装置的原理：将电压源型逆变器经过电抗器或者变压器T并联在电网上，通过调节逆变器交流侧输出电压V2的幅值和相位，改变输入系统的无功电流I的幅值，达到迅速吸收或者发出无功功率的效果，实现快速动态调节无功的目的。
传统的SVG采用M2δ控制，物理概念清晰，控制简单，但是M2δ控制要求控制角精度高、系统同步精度高，否则会出现过流的情况，不适合需要补偿冲击、谐波及不对称负荷的场合，而直接瞬时电流控制降低了对系统电压同步信号的依赖性，可快速跟踪负荷电流变化，承受冲击能力强[1]，SVG原理接线及直接瞬时电流控制方法见图1，采用直接瞬时电流控制， SVG不仅可以跟踪补偿冲击型负载的无功冲击电流，而且可以跟踪补偿负荷产生的谐波电流。
3 无功补偿设备选择
无功功率的平衡程度直接影响着电网电压的稳定程度[2]，宜采用就地补偿原则，根据《民用建筑电气设计规范》（JGJ/T 16-92），轨道交通属于高压电力用户，计费在110 kV侧，系统功率因数应补偿到0.9以上[3]。
目前采用的无功补偿设备主要有：并联电容器（电抗器），SVC、SVG等。
与目前广泛应用的动态无功补偿设备静止无功补偿器（Static Var Compensator，简称SVC）或其他补偿设备相比，SVG具有更好的性能。
1）启动冲击小：采用自励方式启动，速度快且冲击电流可限制在很小的幅值。
2）动态连续补偿：可以从额定的感性工况到额定容性工况连续输出，与固定电容器或电抗器组合可构成任意范围连续补偿。
3）响应速度快：具有5～10 ms的快速输出无功特性，而传统的SVC响应时间一般在40～60ms（太快可能引起电抗和电容器产生振荡）。
4）谐波特性好：SVG输出电流完全可控，可以输出接近正弦的基波无功电流，特别的，链式结构的SVG，由于不需要连接变压器，而且等效开关频率高，可实现谐波补偿功能，而SVC在运行过程中会产生大量不可控的谐波电流，需要附带大量无源滤波支路来对自身产生的谐波电流进行滤波。
5）占地面积小：安装尺寸一般只有SVC的1/2～1/3，配置更加灵活。
6）损耗小效率高：SVG等效运行损耗一般只有SVC的1/3～1/2。
7）补偿能力强：SVG输出电流不依赖于系统电压，系统电压跌至20%仍可输出额定无功电流，而SVC输出电流与系统电压成正比下降.达到同等补偿效果SVG容量可以比SVC容量小20%～30%。
8）可靠性好：SVG可等效为一个可控电流源，对外部系统运行条件和结构变化不敏感，不会出现振荡现象，而SVC采用大量电容电抗器，当外部系统容量与补偿装置的容量可比时，会产生不稳定性而发生振荡。
考虑轨道交通的实际情况，宜采用SVG设备进行无功补偿。
4 SVG在轨道交通工程应用
2011年12月深圳轨道交通XX线开始进行110 kV主变电所SVG扩建工程，XX线共有2座110 kV主变电所，每座主所容量均为2×40MVA，本次扩建工程在XX主变电所安装2×4.2MVar SVG，并于2012年5月投入运行。
4.1 SVG安装接线方式
根据轨道交通的供电方式[5]，可以采用如图2所示的集中式补偿、分区集中式补偿和分布式补偿3 种方案.考虑轨道交通供电系统中需要补偿大量的电缆无功，采用分布式参数对地铁中电缆两端的电压变化进行计算。
轨道交通内变电所之间距离一般1 km～3 km，分区之间距离大约5 km～6 km，如果一台变压器发生故障，那么两端最长电气距离小于15 km，分布式补偿、分区集中补偿和集中式补偿三者总体效果相差无几，采用任一种方式均能满足要求。
从经济性角度考核，安装无功补偿系统，不仅要考虑补偿装置本身的投入，还需要考虑工程土建费用以及城市土地费用等，城市轨道交通供电系统所建设的变电站均处于城市中心地带，在建设中需要较高的城市土地费用和土建施工费用；设备投入运行后亦需要较高的设备维护费用和人员费用，采用集中补偿方式安装SVG设备，可有效的减少占地面积，降低施工费用，同时，设备数量少也会降低设备后期的维护和人员费用，采用3种补偿方式效果接近，集中式补偿在经济性上优于其他两种补偿方式，因此，深圳轨道交通XX线供电系统中最终采用了图（a）中集中式补偿方式。
4.2 补偿容量计算
1）参数。在轨道交通供电系统中，在确定无功补偿容量时，需要对电缆、变压器、机车动力和通风照明等不同类型设备的有功功率和无功功率分别进行计算[4-3]，其中，计算所需要的设备资料包括：①电缆的长度和单位长度的电气参数；②变压器的额定参数和不同运行情况下负载率；③机车负荷的额定功率和功率因数；④通风照明负荷的额定功率和功率因数。 轨道交通供电系统在夜间处于低载状态，白天高峰时刻则为满载状态，其他时间段则处于这两种情况之间，因此，应当计算出低载状态和满载状态时相应的有功功率和无功功率，并按照将功率因数补偿到0.9以上确定无功补偿设备的容量。
2）根据深圳轨道交通XX线供电系统的资料，利用各类设备参数，可以得到该供电系统中XX主变电所相关功率情况见表1。
由表1可知，在低载时确定的补偿容量可以保证在满载时将站内的无功功率进行补偿。
由于主变电站为单母线分段结构，且2条母线所带负荷容量基本相同，因此需要在主变电站安装2套SVG设备，考虑一定的余量，每套设备容量选为4.2Mvar。
4.3 经济效益分析
4.3.1 直接经济效益
无功补偿的直接经济效益体现在节能及减少地铁XX线缴纳力调费用上，根据相关的计算和实验[6]，可得出无功功率与有功功率之间的关系：在系统中每投入1kVar无功功率，在发电厂的直配电路中节约有功功率为0.02 kw～0.04 kW，在二级变压供电时节约有功功率为0.05 kw～0.07 kW，在三级变压供电时节约有功功率为0.08 kw～0.09 kW，如果2套SVG均投入使用，无功经济当量取0.06，主变电站年节约有功功率分别为：
Pj1=8400×0.06×24×30×12×0.8=3484MW·h（5）
力调费用计算：
由国家物价局（83）水电财字第215号-关于颁发《功率因数调整电费办法》可以计算出：
原每月力调：功率因数50%对照的力调费用为145%×合计电费
扩建SVG后力调：功率因数95%对照的力调费用为-0.75%×合计电费
以下数据该主变电所2012年3月份用电情况与安装SVG后5月份的电费情况：
3月份总电费约为390万元，其中力调电费为120万元，力调比率为44.5%。
5月份总电费约为365万元，其中力调电费为20万元，力调比率为0.5%。
4.3.2 间接经济效益
间接经济效益体现在提高供电系统供电可靠性和电能质量等方面。
1）降低系统电压波动，提高电能质量，投入的SVG具有自动调节作用，在系统电压较高时输出很小容性无功功率，在系统电压较低时输出最大容性无功功率，使35 kV母线电压的波动范围小于0.3%。
2）快速电压支撑。SVG具有快速响应能力，在系统出现电压跌落时，能够迅速支撑系统电压，避免轨道交通内部因系统较轻的短路故障发生停运。
3）提高功率因数，减小谐波含量，改善了供电系统的电能质量。
5 功率器件的损耗和散热设计
本SVG扩建工程中SVG在5月份投运初期出现多次SVG超温跳闸情况，经过分析原因为目前对散热器的传热分析国内外都还研究得很不够，工程应用中的设计大多是凭经验选取，并作相应的核校计算，而在本SVG扩建工程中由于安装的变电所预留房间空间面积较小，两套SVG柜与两台变压器之间距离较近，设计的房屋通风风机功率及数量不能满足散热要求，导致室温高达45℃，SVG柜内温度超出其超温跳闸定值（60℃）而造成多次跳闸；经过设计院与厂家对现场了解，通过优化SVG补偿方式（50%固定补偿容量+动态补偿）来减少功率开关发热量的同时，增加排风通道与风机，在变压器柜靠SVG侧安装绝缘板减少热辐射等，最终达到了SVG稳定运行的散热设计要求。
6 结束语
SVG在轨道交通主变电所的成功运用证明了其具有响应速度快，谐波特性好，补偿特性好，效率高等特点，补偿效果显著.
参考文献
[1]朱永强.变压器隔离型链式D2STATCOM与不平衡负荷补偿研究[D].北京:清华大学,2005.
[2]韩鹏.浅谈电能质量[J].科学观察,2008,1:51-53.
[3]孙淑琴.电压波动与闪变[M].北京:中国电力出版社,1998.
[4]冯煜理,陈陈.静止同步补偿器与传统静止无功补偿器的比较与分析[J].华东电力,2005,33(9):16219.
[5]郭其一,周桂法,周巧莲,毛中亚.城市轨道交通系统混合滤波器的设计及仿真[J].同济大学学报(自然科学版)2009,37(3):339-343.
[6]段立新.动态无功补偿装置在地铁主变电所的应用研究[J].低压器,2009,12:53-56.
[7]庄文柳.静止无功发生器SVG原理及工程应用的若干问题,华东电力,2009.
关键词 城市轨道交通供电系统；无功补偿；SVG
中图分类号 TM631 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)062-0192-02
1 概述
城市轨道交通供电系统一般采用直流牵引，交流集中供电方式，变压器数量较多、高压供电回路以电缆为主，电缆总体长度长；动力、牵引变压器、牵引机车、电缆、整流机组在输电系统侧产生的无功冲击及各谐波比较明显，这不仅恶化了电网供电电能质量，导致功率因数低，同时还降低了电网供电可靠性，因此研究轨道交通供电系统的电能质量特点及采取相应的治理措施解决好电气化铁道的无功补偿和谐波的综合治理，对提高供电的可靠性具有十分重要的意义。
2 SVG无功发生器的原理
静止同步补偿（SVG）装置的原理：将电压源型逆变器经过电抗器或者变压器T并联在电网上，通过调节逆变器交流侧输出电压V2的幅值和相位，改变输入系统的无功电流I的幅值，达到迅速吸收或者发出无功功率的效果，实现快速动态调节无功的目的。
传统的SVG采用M2δ控制，物理概念清晰，控制简单，但是M2δ控制要求控制角精度高、系统同步精度高，否则会出现过流的情况，不适合需要补偿冲击、谐波及不对称负荷的场合，而直接瞬时电流控制降低了对系统电压同步信号的依赖性，可快速跟踪负荷电流变化，承受冲击能力强[1]，SVG原理接线及直接瞬时电流控制方法见图1，采用直接瞬时电流控制， SVG不仅可以跟踪补偿冲击型负载的无功冲击电流，而且可以跟踪补偿负荷产生的谐波电流。
3 无功补偿设备选择
无功功率的平衡程度直接影响着电网电压的稳定程度[2]，宜采用就地补偿原则，根据《民用建筑电气设计规范》（JGJ/T 16-92），轨道交通属于高压电力用户，计费在110 kV侧，系统功率因数应补偿到0.9以上[3]。
目前采用的无功补偿设备主要有：并联电容器（电抗器），SVC、SVG等。
与目前广泛应用的动态无功补偿设备静止无功补偿器（Static Var Compensator，简称SVC）或其他补偿设备相比，SVG具有更好的性能。
1）启动冲击小：采用自励方式启动，速度快且冲击电流可限制在很小的幅值。
2）动态连续补偿：可以从额定的感性工况到额定容性工况连续输出，与固定电容器或电抗器组合可构成任意范围连续补偿。
3）响应速度快：具有5～10 ms的快速输出无功特性，而传统的SVC响应时间一般在40～60ms（太快可能引起电抗和电容器产生振荡）。
4）谐波特性好：SVG输出电流完全可控，可以输出接近正弦的基波无功电流，特别的，链式结构的SVG，由于不需要连接变压器，而且等效开关频率高，可实现谐波补偿功能，而SVC在运行过程中会产生大量不可控的谐波电流，需要附带大量无源滤波支路来对自身产生的谐波电流进行滤波。
5）占地面积小：安装尺寸一般只有SVC的1/2～1/3，配置更加灵活。
6）损耗小效率高：SVG等效运行损耗一般只有SVC的1/3～1/2。
7）补偿能力强：SVG输出电流不依赖于系统电压，系统电压跌至20%仍可输出额定无功电流，而SVC输出电流与系统电压成正比下降.达到同等补偿效果SVG容量可以比SVC容量小20%～30%。
8）可靠性好：SVG可等效为一个可控电流源，对外部系统运行条件和结构变化不敏感，不会出现振荡现象，而SVC采用大量电容电抗器，当外部系统容量与补偿装置的容量可比时，会产生不稳定性而发生振荡。
考虑轨道交通的实际情况，宜采用SVG设备进行无功补偿。
4 SVG在轨道交通工程应用
2011年12月深圳轨道交通XX线开始进行110 kV主变电所SVG扩建工程，XX线共有2座110 kV主变电所，每座主所容量均为2×40MVA，本次扩建工程在XX主变电所安装2×4.2MVar SVG，并于2012年5月投入运行。
4.1 SVG安装接线方式
根据轨道交通的供电方式[5]，可以采用如图2所示的集中式补偿、分区集中式补偿和分布式补偿3 种方案.考虑轨道交通供电系统中需要补偿大量的电缆无功，采用分布式参数对地铁中电缆两端的电压变化进行计算。
轨道交通内变电所之间距离一般1 km～3 km，分区之间距离大约5 km～6 km，如果一台变压器发生故障，那么两端最长电气距离小于15 km，分布式补偿、分区集中补偿和集中式补偿三者总体效果相差无几，采用任一种方式均能满足要求。
从经济性角度考核，安装无功补偿系统，不仅要考虑补偿装置本身的投入，还需要考虑工程土建费用以及城市土地费用等，城市轨道交通供电系统所建设的变电站均处于城市中心地带，在建设中需要较高的城市土地费用和土建施工费用；设备投入运行后亦需要较高的设备维护费用和人员费用，采用集中补偿方式安装SVG设备，可有效的减少占地面积，降低施工费用，同时，设备数量少也会降低设备后期的维护和人员费用，采用3种补偿方式效果接近，集中式补偿在经济性上优于其他两种补偿方式，因此，深圳轨道交通XX线供电系统中最终采用了图（a）中集中式补偿方式。
4.2 补偿容量计算
1）参数。在轨道交通供电系统中，在确定无功补偿容量时，需要对电缆、变压器、机车动力和通风照明等不同类型设备的有功功率和无功功率分别进行计算[4-3]，其中，计算所需要的设备资料包括：①电缆的长度和单位长度的电气参数；②变压器的额定参数和不同运行情况下负载率；③机车负荷的额定功率和功率因数；④通风照明负荷的额定功率和功率因数。 轨道交通供电系统在夜间处于低载状态，白天高峰时刻则为满载状态，其他时间段则处于这两种情况之间，因此，应当计算出低载状态和满载状态时相应的有功功率和无功功率，并按照将功率因数补偿到0.9以上确定无功补偿设备的容量。
2）根据深圳轨道交通XX线供电系统的资料，利用各类设备参数，可以得到该供电系统中XX主变电所相关功率情况见表1。
由表1可知，在低载时确定的补偿容量可以保证在满载时将站内的无功功率进行补偿。
由于主变电站为单母线分段结构，且2条母线所带负荷容量基本相同，因此需要在主变电站安装2套SVG设备，考虑一定的余量，每套设备容量选为4.2Mvar。
4.3 经济效益分析
4.3.1 直接经济效益
无功补偿的直接经济效益体现在节能及减少地铁XX线缴纳力调费用上，根据相关的计算和实验[6]，可得出无功功率与有功功率之间的关系：在系统中每投入1kVar无功功率，在发电厂的直配电路中节约有功功率为0.02 kw～0.04 kW，在二级变压供电时节约有功功率为0.05 kw～0.07 kW，在三级变压供电时节约有功功率为0.08 kw～0.09 kW，如果2套SVG均投入使用，无功经济当量取0.06，主变电站年节约有功功率分别为：
Pj1=8400×0.06×24×30×12×0.8=3484MW·h（5）
力调费用计算：
由国家物价局（83）水电财字第215号-关于颁发《功率因数调整电费办法》可以计算出：
原每月力调：功率因数50%对照的力调费用为145%×合计电费
扩建SVG后力调：功率因数95%对照的力调费用为-0.75%×合计电费
以下数据该主变电所2012年3月份用电情况与安装SVG后5月份的电费情况：
3月份总电费约为390万元，其中力调电费为120万元，力调比率为44.5%。
5月份总电费约为365万元，其中力调电费为20万元，力调比率为0.5%。
4.3.2 间接经济效益
间接经济效益体现在提高供电系统供电可靠性和电能质量等方面。
1）降低系统电压波动，提高电能质量，投入的SVG具有自动调节作用，在系统电压较高时输出很小容性无功功率，在系统电压较低时输出最大容性无功功率，使35 kV母线电压的波动范围小于0.3%。
2）快速电压支撑。SVG具有快速响应能力，在系统出现电压跌落时，能够迅速支撑系统电压，避免轨道交通内部因系统较轻的短路故障发生停运。
3）提高功率因数，减小谐波含量，改善了供电系统的电能质量。
5 功率器件的损耗和散热设计
本SVG扩建工程中SVG在5月份投运初期出现多次SVG超温跳闸情况，经过分析原因为目前对散热器的传热分析国内外都还研究得很不够，工程应用中的设计大多是凭经验选取，并作相应的核校计算，而在本SVG扩建工程中由于安装的变电所预留房间空间面积较小，两套SVG柜与两台变压器之间距离较近，设计的房屋通风风机功率及数量不能满足散热要求，导致室温高达45℃，SVG柜内温度超出其超温跳闸定值（60℃）而造成多次跳闸；经过设计院与厂家对现场了解，通过优化SVG补偿方式（50%固定补偿容量+动态补偿）来减少功率开关发热量的同时，增加排风通道与风机，在变压器柜靠SVG侧安装绝缘板减少热辐射等，最终达到了SVG稳定运行的散热设计要求。
6 结束语
SVG在轨道交通主变电所的成功运用证明了其具有响应速度快，谐波特性好，补偿特性好，效率高等特点，补偿效果显著.
参考文献
[1]朱永强.变压器隔离型链式D2STATCOM与不平衡负荷补偿研究[D].北京:清华大学,2005.
[2]韩鹏.浅谈电能质量[J].科学观察,2008,1:51-53.
[3]孙淑琴.电压波动与闪变[M].北京:中国电力出版社,1998.
[4]冯煜理,陈陈.静止同步补偿器与传统静止无功补偿器的比较与分析[J].华东电力,2005,33(9):16219.
[5]郭其一,周桂法,周巧莲,毛中亚.城市轨道交通系统混合滤波器的设计及仿真[J].同济大学学报(自然科学版)2009,37(3):339-343.
[6]段立新.动态无功补偿装置在地铁主变电所的应用研究[J].低压器,2009,12:53-56.
[7]庄文柳.静止无功发生器SVG原理及工程应用的若干问题,华东电力,2009.