地铁用磁控电抗器与SVG组合式无功补偿的研究与实践

高江魁

（中交机电工程局有限公司，北京 100088）

0 引言

随着城市轨道交通行业的发展，地铁专用主变电所选址、用地需求和城市可以提供的场地之间冲突越来越明显，主变电所出于经济、安全的角度考虑，逐步呈现远离城市中心的趋势。外部电源线路长度逐步增大，有时出现长度达到甚至超过十几千米的情况。外部电源长度增加直接导致电缆线路长度增加，进而引起无功功率增加、对侧功率因数降低、系统的不平衡性加剧等负面影响。磁控电抗器（magnetic control reactor，MCR）基于磁饱和原理，主要用于动态调整无功功率，从而达到保持系统供电线路、输电线路的电压稳定，对系统的不平衡进行补偿，并且该设备同时具有可靠性高、安全性高、经济性好、对运行环境要求适应性好等优点，目前逐步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其作用。

地铁负荷具有波动性、不平衡性等特性，随着外电线路长度不断增加，仅采用SVG已经不能满足地方电网对地铁关于电能质量的要求。针对这一问题，文献[1]介绍了基于MCR的35 kV动态无功补偿系统的关键技术，对系统技术参数和无功控制策略进行了分析，并进行实地测试以验证其正确性，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[2]所提出的控制方案可以在系统电压异常时采取紧急的无功补偿控制来抑制系统电压的突变，分析MCR与FC联合补偿装置的模型，结果表明了该控制方案的正确、有效性；文献[3-5]中基于MCR的数学模型分析其工作和控制特性，通过实验测试来检验控制系统的控制效果，结果均可以满足系统的无功补偿需求；文献[6-9]多角度分析并阐述了新型MCR控制原理，调节晶闸管的触发角来控制直流偏磁的大小，控制磁阀饱和度来调节电抗值，实现平滑调节无功输出的目的。

MCR也有其自身局限性。由参考文献[6，10-12]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，这也在一定程度上限制了其发展应用，同时该局限性也间接导致了控制系统震荡波动增大、系统稳定性降低等不良后果。文献[13-15]分析MCR构成的磁控式动态无功补偿装置（magnetically static var compensator，MSVC），分析了响应速度的快慢对快速动态无功补偿所带来的影响。文献[16]分析讨论的在旁轭增加辅助绕组构成辅助励磁回路的MCR快速性改善新措施，搭建模型进行分析，结果表明所提出的MCR快速性改善措施和理论分析是正确有效的。

上述讨论的方案均有一定的局限性，对实际负荷在初期、过度期及正常运行时期的变化未考虑与其他无功补偿装置的配合使用。

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、控制特性，在地铁供电系统中与SVG相互配合，根据二者的特点，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来改善系统环境并验证文中所提方案的有效性、正确性和经济性。

1 MCR基本工作原理

从文献[6，17]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。电抗器电感的计算公式为

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。

参考文献[18]，结合公式（1）及公式（2），改变导通角的大小，以调整励磁电流的大小，调节铁心的饱和程度，最终实现容量的平滑调节。

2 地铁中动态无功补偿分析及控制策略

地铁无功补偿需求主要由牵引负荷、电缆及变压器、动力照明负荷组成。

1）牵引负荷：地铁电客车的牵引负荷，其功率因数可达到0.95以上，该部分功率因数较高，并且相对稳定，故此对无功功率的需求量较小。

2）电缆及变压器：电缆的容性无功，各类变压器消耗的感性无功，此二者均可保持基本稳定，控制相对容易。

3）动力及照明负荷：动力照明配电系统功率因数较低。其内部用电系统各不一样，并且各自的启动时间不定，故功率因数也不同，大致在0.5～0.8间波动，这部分功率因数的控制相比上文所述二者较难。

当地铁电客车处于运营高峰时，一般要求功率因数要达到0.95以上。但是在运营的低谷时期，往往会出现功率因数偏低，且存在无功反送现象，对地方城市电网造成一定的负面影响。

根据《功率因数调整电费增减查对表（国家统一标准）》中相关要求，若电力用户功率因数处于0.9～1.0区间，则可减收电费0.15%～0.75%；若功率因数处于0.89～0.8区间，则将增收电费0.5%～5.0%。由于电力部门采用无功正计式计费方法，如出现容性无功倒送情况，将被电力部门正计入罚款区间。

电费在整个运营成本中占据着较大的比重，如能使运营各时期的功率因数控制在0.95～1.0范围内，节约的电费与未采用无功补偿装置而导致惩罚性电费的绝对值之和也是一项不小的成本。

地铁中主变电所多采用SVG作为动态无功补偿的装置。无功补偿方案技术经济比较见表1。

表1 无功补偿方案技术经济比较表Table 1 Technical and economic comparison table of reactive power compensation

由表1可知，MCR、SVG均能满足地铁主变电所对无功补偿的需求。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。故应综合考虑母线电压、系统阻抗等诸多因素，同时也需要提前考虑无功过补或欠补的情况，尽力维持系统无功功率的稳定。

2.1 SVG关于动态无功补偿控制分析

文献[19]讨论了铁路上采用的几种无功功率补偿策略。SVG采用IGBT等电子元器件组成动态无功补偿装置，调节电流来达到调节无功的目的。SVG主要在两个方面具有优势：

1）就动态无功补偿而言，SVG体积小、响应快、性能优、效果好。

2）SVG受到系统参数的影响小，具有消除系统谐波的功能。

从成本考虑，SVG价格较高。从技术方案考虑，SVG先进可靠，在电网系统、地铁供电系统中有应用案例，且装置体积适中，占地面积较少。

2.2 MCR关于动态无功补偿控制分析

文献[6，19-21]讨论分析了MCR的控制原理，成套补偿装置由电容器组、MCR、控制保护单元等构成。其响应速度较快，容量连续可调，可快速跟踪补偿负荷无功，最终使系统功率因数达到预期目标。文献[22]分别在某220 kV/110 kV变电站、某110 kV/35 kV/10 kV变电站和杭州某区域电网现场试验中具体分析MCR的无功补偿能力，提出了现场特性试验新方法、调节参数和控制策略的办法，并予以现场验证，为类似项目提供了参考。

在系统长期运行过程中，系统的运行情况、技术参数都将不可避免地会发生变化，由此可能导致谐振或谐波电压放大等问题出现，对系统的安全和稳定运行造成一定的影响。

MCR本体为油浸电抗器，其外观如同电力变压器（含油枕、散热片），体积较大，占地面积较大。从成本角度考虑，采用MCR成本会增大。

2.3 MCR、SVG组合使用的情况下关于动态无功补偿控制分析

现阶段地铁单回外部电源的长度往往达到十几千米，造成外部电源线路充电无功较大，可以考虑在主变电所设SVG动态无功补偿，同时根据项目的功率因数考核点、功率因数的采样点、对侧站出线点的功率因数等涉及到考核的因素，设置MCR与SVG进行配合补偿，最终达到补偿考核点功率因数的需求。

文献[23]分析了在现有无功补偿系统的基础上加装MCR的效果，结果表明无功补偿效果大大提高，实现无功容量的无级调节，减少调节频次。

以目前国内某城市已经正式运营的线路为例，系统配置示意图见图1。

图1 系统配置示意图Fig.1 Schematic diagram of system configuration

正常情况下，110 kV母线分列运行，牵引变为一用一备；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站的出线点，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，从对侧变电站、本侧检查发现，110 kV MCR可能存在容量不足问题，需要SVG进行配合补偿，满足出线点的功率因数。若单纯以本站SVG采样点为补偿判断，很难保证SVG补偿精度，且可能存在与MCR无功对冲问题[24-29]。所以需要SVG与MCR配合补偿，最终满足补偿考核点功率因数的需求。

为更好解决功率因数问题，本文提出并分析了二种控制方案，具体就方案内容重点比较讨论。

控制方案1：

MCR主控制器接收主所110 kV进线侧的电压、电流信号，以对侧变电所110 kV出线电流为关键控制点，控制目标为考核点功率因数。

SVG以主所电力变压器进线电压、电流（110 kV侧）为关键控制点，控制目标为向110 kV系统输送设定目标功率。

控制方式2：

SVG主控装置接收主所110 kV进线侧的电压、电流信号，以对侧变电所110 kV出线电流为关键控制点，控制目标为考核点功率因数。

MCR作为从控制设备，在实际运行中不做自主调节，设置为恒出力状态，设置补偿功率不大于设计额定功率。

3 优化MCR及SVG关于动态无功补偿控制策略

根据上文所述，SVG容量相对较小但是控制精度高，MCR容量相对较大、调节范围广但是相比SVG精度低，同时，现场根据负荷情况，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等情况，均考虑进去，针对上文提出的两种控制方式，提出进一步的优化控制方案如下：

3.1 控制方式1的优化

在本侧110 kV以下侧的负荷相比正常地铁运营时较小，用电量较小时，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目前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余量，调整无功目标值，使其线路无功综合平衡，达到补偿功率因数和控制出线侧无功的目的。

此方案是根据对侧变电站与MCR无功余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站达到功率因数所需无功，保证110 kV线路出线侧考核点功率因数达到既定目标。控制框图见图2。

图2 方案1控制策略框图Fig.2 Control strategy block diagram of scheme one

3.2 控制方式2的优化

在本侧110 kV以下侧的负荷用电量增大，或者存在负荷波动较大时，考虑到MCR整体的响应速度相对于SVG装置较慢，故选择由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装置采集了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。此方案是根据对侧变电站与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站达到功率因数所需无功，保证110 kV线路出线侧考核点功率因数达到既定目标，使其线路无功综合平衡，达到补偿功率因数的目的。与此同时，需要特别对SVG装置进行互联通信，防止两套装置单独控制模式下产生无功对冲。控制框图见图3。

图3 图2方案2控制策略框图Fig.3 Control strategy block diagram of scheme two in Figure 2

4 对控制策略的验证及分析

根据上文所提出的控制方式及优化方案，本文以国内某地具体工程项目为对象，该项目采用集中供电方式，从城市电网引入4回相互独立的110 kV电源，建设两座地铁用主变电所，外部电源对侧间隔点距离本侧接入点长度均超过10 km以上。

4.1 方案1情况下的控制效果

在仅一路外部电源输入，并且110 kV以下负荷小、用电量很小的工况下，进行试验测试，用以验证所提方案。试验前，现场对侧变电站监测数据见图4。

图4 对侧变电站测量数据Fig.4 Measurement data of opposite substation

从后台观察实时有功功率为0.23 MW，无功功率为-1.11 Mvar。

根据试验前既定方案开展试验，试验测试部分数据见表2。

表2 方案1测试结果Table 2 Test result of scheme 1

从表2可以看出，随着本侧MCR输出容量的增大，对侧无功功率由负转正，即本侧已停止无功返送，一定程度上改善了功率因数。试验与原计划存在一定的偏差，主要是因为MCR的精度控制受限，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上下跳动，无法稳定输出。调节MCR时，SVG以恒无功方式工作。对侧、本侧电压波动范围在100～200 V之间。

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

4.2 方案2情况下的控制效果

在仅一路外部电源输入，负荷用电量增大，部分时段存在负荷波动较大的工况下，进行试验测试，用以验证所提方案。

以SVG为主进行试验，试验前，从对侧变电站观测到后台实时有功功率0.22～0.23 MW，无功功率在-0.22～+0.76 Mvar之间波动，方案2测试结果见表3。

表3 方案2测试结果Table 3 Test result of scheme 2

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，需要设计根据系统现状计算目标电压或者提高系统有功功率才能切换到自动状态。

随着项目推进，送电线路电缆逐步增加，对侧变电站检测到无功波动逐步增大的趋势，结合方案1，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之间，这一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。

4.3 地铁线路正常运行下的控制效果

经过多次试验，认为针对MCR和SVG的配合补偿系统无功功率在项目初期、中期阶段，最有效的措施是提高主变电所侧的有功功率，同时将SVG尽快切换至自动状态，MCR选取合适的输出容量才能满足系统需求。

组合使用补偿装置从总体而言具有良好的实际效果和经济效益，对组合补偿装置的经济合理性分析如下：

1）消除/降低无功返送及提高功率因数。

在组合使用装置受电、运行这一段时间，伴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，经过系统一段时间的运行，整体系统无功功率的调节始终处于可靠状态，装置能够平滑地进行调节，系统可以稳定运行，实现了“不同阶段，随时调节，随时补偿”。当地供电公司的电费数据查询结果显示，MCR、SVG的配合投运很好地补偿了容性无功，月平均功率因数均大于0.95，在降低需要交纳电费的同时，直接减少了力调电费的罚款金额，节约了电费的支出。单所每月均有超过1万元不等的奖励性力调电费，且避免罚款的金额远高于奖励金额。

2）降低运营维护成本。

组合使用装置正常投运后，两座主变电站电气设备平稳、安全运行至今无故障，并且整个系统未出现电压闪变情况，系统电压始终保持稳定，有利于延长所内开关设备等的使用寿命，提高了所内设备的利用率。同时，该项目采用的MCR具有自动快速跟踪补偿负荷无功的能力，不但可以作为固定电抗器投入使用，也可根据现场情况设置为自动工作模式。很大程度上降低了运营维护成本和人力成本，也可以有效避免因人为因素造成的损失。

5 结语

本文讨论并分析了MCR与SVG在地铁上的配合补偿无功功功率方案，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。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。

在调试试验过程中也暴露出一些问题，例如MCR的实际电流值在试验中无法实施获取、MCR的快速响应能力还需要进一步研究及提升、与其他设备无功调节手段的相互协调也需要进一步深入研究。

结合参考文献[16]，根据具体工况及目前国内研究情况，随着国内城市轨道交通不断普及及应用，发挥MCR优秀的的无功功率调节能力，充分利用本身所具有的协调优化作用，如何有效地运用MCR，以达到提高地铁供电系统在各种运行方式下的电压质量、系统稳定性；如何高速控制MCR将是下一步关注和研究的重点。