一种新型的地铁无功混合补偿系统

摘 要：针对地铁供电系统的无功补偿设备投资成本大、运营维护成本高、补偿效果差等问题，提出了静止无功发生器（SVG）和电抗器的混合补偿系统。SVG由一个小容量电力滤波器和LC调谐滤波器组成与电抗器并联构成混合补偿系统，用以补偿系统的无功功率。解耦控制用于电流跟踪和电压调节，并引入PI控制器消除系统稳态误差。混合补偿系统能有效降低SVG容量，补偿系统无功，稳定性好，动态响应快。仿真结果表明，所提出的混合补偿系统的有效性和实用性。

关键词：谐波抑制;无功补偿;解耦控制;混合补偿

1 介绍

近年来，随着大西安的快速建设，地下轨道交通也进入了建设高峰期，随之而来的地铁主变电站建设也加快了步伐。地铁主变电站一般以110kV电压等级变电站为主，大多通过电缆线路接入地区大电网。受地铁运行方式的影响，地铁主变电站的负荷会随着地铁运行时段和工况发生变化，具有较强的随机波动性[1-3]。

当地铁线路处于试车、夜晚停运时，地铁变电站没有牵引负荷，只有部分照明负荷，负荷非常小，变电站处于轻载状态，这时电缆线路容性无功远大于线路和负荷感性无功，一方面导致主变电站侧电压高于电网电源侧电压，另一方功率因数变为超前；因此，目前地铁主变电站在建设时都会考虑配置动态无功补偿设备SVG（静止无功发生器，Static Var Generator），以应对由于地铁运行方式变化带来的无功补偿失衡问题。尽管SVG具有连续平滑快速调节无功和抑制系统谐振的优势，但由于SVG控制复杂，价格较高，对运行环境要求较苛刻，所以我们提出SVG+电抗器的补偿方案，以利用电抗器成本低、对运行环境要求不高和易维护的优势[4-6]。

针对地铁的无功补偿问题，文献[7]根据瞬时无功功率理论谐波电流检测法，导入平均电流控制器建立了模拟模型，文献[8]为提高地铁供电系统功率因数及电能质量，据实际情况，采用SVG的无功补偿方式，文献[9]为了解决因系统功率因数降低导致的无功返送问题，通过交直流交替迭代潮流计算，提出SVG无功补偿容量设计方法，文献[10]针对地铁电力系统稳定性要求高的需求，提出一种基于改进SVG的无功补偿装置，其主要由信号处理模块、处理采集单元、变流器以及三相电压输出端组成。

本文提出了的SVG+电抗器的混合补偿系统，用以补偿负载产生的无功功率，降低直流侧电压。SVG控制的关键是控制直流侧的输出电流和电压，电压外环和电流内环的双闭环串级控制结构是一种常用的控制策略，双闭环串级控制的主要特点是物理意义明确、控制结构简单、控制性能优异，这种拓扑结构适用于大容量系统的无功补偿控制系统。仿真和实

验结果表明，该拓扑结构适用于谐波抑制和无功补偿。

2 SVG+电抗器的无功补偿系统结构和原理

图1展示了SVG+电抗器的新拓扑结构，该混合补偿系统是由一台SVG和多组电抗器组合而成，系统复杂性大大降低，经济实用。其中，有源部分可以改善系统的滤波特性，同时抑制电压闪变，并承受了小容量电网的基本电压和电流，无源部分进行分级投切，提供大容量的感性性无功，通过对两者之间的协调控制能够对地铁的无功功率迅速、实时、低成本补偿。

3 建立数学模型

3.1 下图是理想的RLC振荡电路

如上图所示：为控制回路直流侧的电容;为控制回路的电感。当开关闭合时，回路方程为：

假设为线性电感，则有：

设电容的初始电压：，电感器的初始电流为，可由式（2）引入：

式中：

根据式（3），当SVG直流侧电容器单独作用于电抗器回路时，电抗器将电流控制为指数衰减的振荡波。当检测到瞬时值达到要求时，断开开关，隔离电容和电抗器。电抗器自身的控制电压允许在电容器快速放电期间保持快速建立的控制电流。

3.2 建立SVG模型

首先，从拓扑图出发，建立系统模型：

将开关函数定义为：

在交流和电压没有零序分量的情况下，系统在静止坐标系下可以得到开关效果：

在三相静止坐标系中，将式（7）变换为两相旋转坐标系，对和的电流进行微分，得到系统的空间状态模型。由于开关函数和状态变量的存在，系统模型是非线性的。

SVG控制的三个状态变量必须是独立控制的。因此，通过对控制策略进行解耦，充分分离它们各自的动态变量，就可以避免内部电流环与外部直流母线电压环的相互作用。

4 直流母线电压调节

为了使直流母线电压保持在一个期望值，可以通过控制将控制器的输出加到参考电流的分量上流过混合电源滤波器的电流，可以推导出：

最终滤波器电流的有效值为：

q轴有源滤波器的电压表示为：

在基频处，直流分量将在SVG+电抗器补偿期间强制产生电流。调整直流电压，通过PI控制器得到电压误差环。

直流母线电压环响应为二阶传递函数，其形式如下：

给出直流母线电压调节的传递函数：

通过反馈解耦，直流母线电压环和电流环之间没有相互作用，设计的SVG+电抗器补偿器如图4所示。

图4为直流母线电压外部控制回路，对高压大功率系统有很好的控制效果。

5 仿真验证

将以上方案在Simulink环境中搭建模型，来证实SVG+电抗器的混合补偿系统补偿性能的有效性。

以A相为例，通过比较经混合补偿系统补偿前后电网侧的电压和电流相位关系，来对SVG与电抗器的无功补偿功能进行验证。SVG与电抗器共同补偿前和补偿后电网侧的A相电压、电流波形如图5所示，可以看出补偿后电压和电流的波形得到了很好的改善。

图6给出了SVG与电抗器共同补偿后的功率因数的仿真图，由仿真图可以看出在经过SVG+电抗器补偿后功率因数由0.8左右提升到0.95以上。

结语

本文提出的SVG和电抗器联合补偿系统将非线性控制解耦策略应用于混合补偿控制系统，提高了滤波性能，降低了SVG的额定功率。使SVG的功率、直流侧电压保持在稳定的低压值，实现谐波和无功的动态综合补偿。仿真和实验证明，该方法具有快速的动态响应能力，可以有效的补充系统的无功。所提出的补偿系统和控制方法有效地解决了地铁大规模无功增长问题。

参考文献

雷霆，刘现军，张智宝，等.城市轨道主变电所无功补偿策略研究[J].电力电容器与无功补偿，2022，43（04）：21-26.

王施宇，林彦凯，王明越.交流27.5kV牵引供电制式下地铁主变电所无功补偿方案研究[J].电气化铁道，2023，34（02）：69-73.

郭婧娇.地铁低压配电系统中的谐波分析与补偿控制方法[J].自动化技术与应用，2021，40（07）：5-9.

贺同堂.地铁供电系统无功补偿策略及补偿容量控制研究[J].电力设备管理，2021（06）：186-187+192.

马静.城市轨道交通供电系统加装无功补偿装置技术应用[J].价值工程，2023，42（22）：75-77.

王敖.城市轨道交通供电系统的无功补偿方案研究[J].机电工程技术，2021，50（05）：48-52.

孙晨光.提高城市轨道交通电能质量的分析与研究[J].科技风，2020（14）：207.

李赛，金庆忍，姚知洋.地铁供电系统SVG无功补偿效果评价方法探讨[J].广西电力，2019，42（03）：30-35.

卢奕城，陈扬华，樊嫣然，等.110/35/10 kV共享变电站主要参数配置研究[J].电工技术，2019（10）：93-95.

牛二兵.SVG在地铁供电系统中的应用[J].电气化铁道，2018，29（01）：75-77.