深圳市地铁集团有限公司运营总部
摘要：通常情况下在电气设计时都会把各单相负载均衡分配到三相达到三相负载平衡。但由于地铁新增物业区单相负荷使用的随机性及一些单相负荷运营结束后停用等因素，导致地铁车站负荷三相不平衡问题愈趋严重，危害用电设备的安全运行，如引起配电变压器损耗增加等。因此，进行不平衡补偿，降低对低压电力运行的危害，具有重要意义。
关键词：地铁；低压配电；不平衡补偿
前言
传统的三相三线制系统不平衡补偿利用Stein-metz平衡原理，没有考虑零序电流的补偿，只考虑负序电流的补偿。下文研究的是三相四线制低压配电系统，采用动态无功容量补偿的方法来分别实现负荷电流的零序分量和负序分量补偿，从而实现三相负荷的平衡化，改善配电系统性能，在这个基础上进行相应的补偿方案。
一、不平衡补偿原理
图1所示为三相四线制不平衡负荷无功补偿原理图，右侧所接为三相负载。通常情况下，Y形连接的补偿网络可对系统的零序电流进行补偿最终使三相四线的配电系统中线中的电流与各相电压同相位。而Y型连接的补偿网络在进行补偿零序电流的同时会产生负序电流，从而与系统负载本身产生的负序电流进行叠加，造成每相电流的幅值差值变大，此时的系统并不是平衡的系统。△形连接的补偿网络由于其连接方式，能在补偿负序电流的同时不产生零序电流，因此将Y形连接的补偿网络和△形连接的补偿网络进行结合，就能使三相四线制系统达到真正的三相平衡。
假设系统三相电压完全对称，利用对称分量法进行分析，取电流的正序、负序、零序分量分别为I1，I2，I3，可以推导出零序电流补偿网络及负序电流补偿网络中电流的各序分量。
由于△型负序电流补偿网络对于线电流不产生零序分量，则有：
因星型零序电流补偿网络会产生负序分量电流，为使系统的负序电流得到平衡，则需：
此外，为达到提高功率因数使其为1的目的，应使补偿后的系统电流中正序分量的虚部为0，即：
在此基础上，再补充一个目标方程即可确定方程组的解。在本文中，以补偿装置的无功容量最小作为优化设计的目标，力求在达到补偿效果的前提下使补偿装置容量尽量小，按无功容量最小建立补偿无功功率的平方和目标函数为：
得到所需补偿功率为：
二、不平衡补偿方案研究
静止无功补偿器SVC被广泛应用于配电系统电压调整、改善功率因素等。固定电容器加可控电抗器（FC+CR）是最典型的SVC补偿装置，其中FC电路用来补偿系统需要的容性无功，可控电抗器CR用来动态补偿系统需要的感性无功，进而实现无功的动态补偿。
磁阀式可控电抗器MCR正是一种基于铁芯磁饱和工作原理的电气设备。在接入交流系统中之后，通过控制MCR晶闸管导通角改变励磁绕组中直流电流的大小，就能连续的调节电抗器中铁芯的磁导率，进而调节电抗器无功容量。由于磁阀式可控电抗器的特殊小截面结构，同TCR相比，MCR在很多方面具有明显优势。它具有较小的谐波，近似线性的伏安特性，结构简单，调节范围广等优点。因而在本文中研究可采用磁控式无功补偿方案（FC+MCR）
在理论分析的基础上，利用MATLAB进行无功补偿仿真分析，基于容量最优对称分量法补偿原理，计算得到所需的补偿容量，通过控制电抗器导通角及固定电容器的投入，可以得到补偿前后三相电流的仿真波形。
可以看出，在补偿前三相电流的幅值和相位都不平衡，补偿前的零线电流的幅值大概有35A；而在基于容量最优的对称分量法补偿后，其三相电流的幅值和相位几乎都达到了平衡，零线电流幅值不超过4A，因此验证了该补偿方法能很好的补偿系统的三相电流不平衡。
在仿真分析的基础上，结合相应结构及控制原理，研究相关的不平衡补偿装置控制策略。在设计补偿装置时，需先首先结合补偿系统的原理结构，选用合适容量的补偿器件，并配以相应的控制系统，实现装置的不平衡补偿功能。
基于MCR的MSVC是将FC与MCR进行结合的一种无功补偿方法。其中FC电路用来补偿系统需要的容性无功，MCR用来补偿系统需要的感性无功。在低压配电系统中，可使用多个小容量的电容器分组进行投切的模式来提供容性无功，将电容与可控电感一起串联投入到系统中，这样不仅可以对单相某次谐波电流进行滤波的作用，还能减小电容器透切时的冲击电流，从而保护电容器组。分组投切的电容器组在进行投切时将会对系统产生一定的冲击。因此，需要对电容器组的投切顺序和MCR的投入量的控制策略进行研究。
以零序补偿网络的A相为例，假设零序补偿网络A相需要提供的无功功率为Q。将电容器分两组进行投切，在提供容性无功的同时兼做3次和5次单调谐滤波器的作用。设3次电容器组投入时K1=1，其能够提供的容性无功为QC1，5次电容器组投入时K2=1，其能够提供的容性无功为QC2，MCR能够提供的最大感性无功为-QMmax，MCR实际需要提供的感性无功为-QM。根据以上分析的补偿原理和补偿原则，最终零序补偿网络A相需要提供的无功补偿量的控制策略为：
当Q≤-QMmax，则K1=0，K2=0，-QM=-QMmax；
当-QMmax<Q≤0，则K1=0，K2=0，-QM=Q；
当0<Q≤QC1，则K1=1，K2=0，-QM=QC1-Q；
若QC1<Q≤（QC1+QC2），则K1=1，K2=1，-QM=QC1+QC2-Q；
若Q>（QC1+QC2），则K1=1，K2=1，-QM=0。
其他各相的零序及负序补偿策略与上述相似，通过控制系统实时调节可控电抗器容量及电容器透切，即可较为稳定的实现系统的不平衡补偿。
三、结论
综上所提出的一种基于对称分量法的不平衡补偿方案，可以有效地补偿三相四线制配电系统的电流不平衡状况。另外提出采用FC+MCR的动态无功补偿方案，来实现可靠的不平衡补偿，并针对该补偿方案的控制策略进行了相应的研究分析。
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