摘 要：由磁控电抗器构成的磁控式动态无功补偿装置在电网、城市轨道交通中逐步发挥其作用。针对地铁无功功率补偿的需求，首先进行了磁控电抗器和 SVG 装置的特性分析，对于无功功率补偿提出了具体的方案措施，通过具体工程现场试验的方式，验证所提控制方案的正确性，试验结果表明：给出的控制方案是合理可行的，为同类项目现场调节无功功率补偿装置试验提供了参考方法。
关键词：地铁;110kV 自励磁磁控电抗器;无功补偿;实际运用
目前，地铁外部电源线路长度逐步增大，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。磁控电抗器按照励磁方式的差异，可分为两类：他励式和自励式，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，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，目 前 国 内 地 铁 多 数 采 用 的SVG 已经不能满足地铁对于无功补偿的要求。文献[1]所述控制方案，分析磁控电抗器与 FC联合补偿装置的模型，可以在系统电压异常时抑制系统电压的突变，结果证明了模型是可行的;文献[2，3]中基于磁控电抗器的数学模型，通过分析并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[4，5]多角度深入分析并阐述了磁控电抗器控制原理，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。
磁控电抗器也有其自身局限性，文献[6-8]分析了磁控式动态无功补偿装置及响应速度的快慢对快速动态无功补偿所带来的的影响。文献[9]分析讨论增设辅助励磁回路的磁控电抗器的特性，并建立模型进行研究，试验所得数据证明所提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，只注重实际负荷在初期、过渡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110kV 侧的无功补偿进行讨论分析。根据110kV 自励式磁控电抗器(下文简称 MCR)工作、控制特性，在地铁供电系统中与SVG 相互配合，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控制方案的有效性、正确性和经济性。
1 MCR基本工作原理
从文献[4]可知 MCR工作原理，施加励磁电流改变铁心磁路的磁导率，实现控制电抗器按要求输出的目的。
施加电压e(t)，使 T1、T2 轮流导通，形成了一个全波整流电路，见图3。结合公式(1)及公式(2)，改变T1、T2 导通角的大小，便调整了励磁电流的大小，进一步调节了铁心的磁通大小，实现调节电抗器按要求输出的目的。
2 地铁中动态无功补偿分析及控制策略
地铁系统中，牵引负荷、电缆及变压器这两类在供电网络系统中的无功都基本稳定;动力及照明负荷涉及多个用电系统，一般为0.5～0.8，这部分功率因数较低且属于较难控制部分。
在地铁电客车运营高峰时期，一般要求功率因数要高于0.95。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。
SVG 和 MCR关于无功补偿的对比见表1。
由表1可知，SVG、MCR 均能满足地铁对无功补偿的需求。当系统参数一定，应综合考虑母线电压、系统阻抗等因素，也需要提前考虑无功过补或欠补的情况，以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[10]讨论了铁路上采用的几种无功功率补偿策略。SVG 采用IGBT 等电子元器件组成无功补偿装置，调节电流来达到调节无功功率的目的。SVG 主要在2个方面具有优势：
(1)在动态无功 补 偿 方 面，SVG 体 积 小、响 应快、效果好;
(2)SVG 对于系统参数变动的敏感度较低，并且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[4]、[10，11]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，可快速使系统功率因数达到预期目标。文献[12-14]分别在某220kV/110kV 变电站、某 110kV/35kV/10kV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的出现。
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10多km，造成外部电源线路充电无功较大，考虑在主变电所设SVG 动态无功补偿的基础上，加设 MCR，与SVG 进行配合补偿，最终实现补偿考核点功率因数的需求。以目前国内某城市已经正式运营的线路为例，图4为系统配置示意图。
正常情况下，110kV 母线分列运行，牵引变为一用一备;电力变压器分列运行，且35kV 母线开关正常情况下断开运行。
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、35kV 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。本文提出并分析了2种控制方案，具体就方案内容重点比较讨论。
(1)控制方案一：MCR 作为主调节，SVG 作为从调节，控制流程图见图5。
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110kV 线路出线侧考核点功率因数达到既定目标。
(2)控制方式二：SVG 作为主调节，MCR 作为从调节，控制流程图见图6。
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110kV 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。
3 对控制策略的验证及分析
根据上面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，从城市电网引入四回相互独立的110kV电源，建设2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10km 以上。
3.1 方案一情况下的控制效果
在一路外部电源输入，并且110kV 以下负荷小、用电量很小的工况下，进行试验测试。试验前，现场对侧后台监测数据见图7。
从后台观察实时有功功率为0.25MW，无功功率为-1.07 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。
由表2可知，随着本侧 MCR 输出增大，对侧无功功率由负转正，即本侧已停止无功反送，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10kVar上下 跳 动，无 法 稳 定 输 出。调 节 MCR 时，SVG以恒无功方式工作。
从对侧变电所观察实时无功在-0.2～+0.3MVar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反送的情况。
3.2 方案二情况下的控制效果
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0.22～0.23MW，无功功率在-0.22～+0.76MVar之间波动。见表3。
SVG 最 小 输 出 只 能 保 持 在 600kVar 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，结合方案一，在增加现场送电线路长度后再次进行试验，试验前后台数据，见图8。
有功功率为0.28MW，无功功率为-1.11MVar，总体体现为容性无功，证实是新投电缆线路造成容性负荷加大。
通过再次提高磁控电抗器的输出，已将总体无功功率控制在正向0.3～0.9 MVar之间，此时磁控电抗器输出11030kVar，见图9和图10。
通过再次提高 MCR的输出，将总体无功功率控制在正向0.3～0.9MVar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。
从实际控制效果来看，文中所提方案一、方案二与预期设想吻合，根据不同工况设置不同的控制方式可以实现补偿无功功率的目的。
3.3 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。
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。当地供电公司的查询结果显示月平均功率因数均大于0.95，避免了因为功率因数不达标而导致的来自供电公司的罚款，节约了电费的支出。
组合装置正常投运后，2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。
4 结语
本文讨论并分析了 MCR 与 SVG 在地铁上的配合补偿方案，并进行实际调试试验。通过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，有效降低了对城市电网的影响，具有较好的实际效果。
结合参考文献[15]，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和应用，合理有效的使用 MCR，充分利用其特性，以达到提高地铁供电系统在各种运行方式下的电压质量、系统稳定性的目的。如何使得 MCR 能够安全稳定地快速响应;如何与其他设备无功调节手段智能协调;如何高速控制 MCR，将是后续工作的核心研究内容。——论文作者：朱 翔1，高江魁2
参考文献：
[1] 周强强，杨波，陈杰明，等 .基于磁控电抗器的变电站无功补偿策略[J].电气技术，2014，15(3)：32-35.[2] 赵士硕，尹忠东，刘海鹏 .快速响应磁控电抗器的新结构与控制方法[J].中 国 电 机 工 程 学 报，2013，33(15)：149-155.[3] 赫志远 .磁饱和可控电抗器的分析[D].济南：山东大学，2015.[4] 陈柏超 .新型可控饱和电抗器理论及应用[M].武汉：武汉水利电力大学出版社，1999.[5] 程汉湘 .柔性交流输电系统[M].北京：机械工业出版社，2009.[6] 周勤勇，郭强，卜广全，等 .可控电抗器在我国超/特高压电网中的应用[J].中国电机工程学报，2007，27(7)：1-6.
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