牽引變電所無功補(bǔ)償研究

胡亮

摘要：電氣化鐵道牽引負(fù)荷具有非線性、不對(duì)稱和波動(dòng)性的特點(diǎn)，產(chǎn)生的三相不平衡的諧波電流和基波負(fù)序電流注入系統(tǒng)，將使電力系統(tǒng)的電壓發(fā)生較大波動(dòng)。因此解決好牽引供電的無功功率補(bǔ)償和諧波濾波問題，對(duì)于提高電能質(zhì)量、安全運(yùn)行、降低損耗、節(jié)能、充分利用電氣設(shè)備的出力等具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：電氣化鐵道；諧波電流；電力系統(tǒng)；無功功率；電能質(zhì)量

一、引言

由于固定并聯(lián)電容器補(bǔ)償方式簡(jiǎn)單可靠、造價(jià)低、現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)成熟，最初大準(zhǔn)線牽引變電所均采用該方案，但由于該裝置不能隨牽引負(fù)荷的變化做相應(yīng)調(diào)整帶來一些問題，如輕載時(shí)過補(bǔ)償（無功返送），重載時(shí)欠補(bǔ)。隨著大準(zhǔn)線運(yùn)量逐年增長(zhǎng)，加之供電局對(duì)電能質(zhì)量要求越來越高，采用固定并聯(lián)電容器補(bǔ)償難以滿足變電所功率因素指標(biāo)要求，且返送無功亦被供電局考核。

靜止無功補(bǔ)償裝置（SVC）能夠很好地解決上述問題。在《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定：并聯(lián)電容器補(bǔ)償裝置，宜設(shè)在牽引變電所二次側(cè)母線上。當(dāng)采用固定并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置不能滿足功率因素要求時(shí)，宜設(shè)靜止無功補(bǔ)償裝置。在實(shí)際供電設(shè)計(jì)中，常常采用晶閘管調(diào)節(jié)電抗器（TCR）和單調(diào)諧濾波器的SVC方式。無源濾波部分承擔(dān)濾除諧波及固定電容補(bǔ)償?shù)淖饔?，通過調(diào)整TCR的觸發(fā)腳大小改變補(bǔ)償器所吸收的無功分量，從而達(dá)到動(dòng)態(tài)調(diào)整無功功率的目的。

二、SVC無功補(bǔ)償和諧波抑制的原理

TCR+單調(diào)諧濾波器的SVC補(bǔ)償裝置原理接線圖見圖1。TCR的工作原理是通過控制與相控電抗器連接的反并聯(lián)晶閘管對(duì)移相觸發(fā)脈沖來改變電抗器等效電納的大小，從而輸出連續(xù)可變的無功功率。圖1中的2個(gè)晶閘管分別按照單相半波交流開關(guān)運(yùn)行，通過改變控制角α可以改變電感中通過的電流。α的計(jì)量以電壓過零點(diǎn)為基準(zhǔn)，α在90°～180°之間可部分導(dǎo)通，導(dǎo)通角增大則電流基波分量減小，等價(jià)于用增大電抗器的電抗來減小基波無功功率。導(dǎo)通角在90°～180°之間連續(xù)調(diào)節(jié)時(shí)電流也從額定到零連續(xù)變化。TCR提供的補(bǔ)償電流中含有諧波分量。

母線電壓不變時(shí)，F(xiàn)C提供固定的容性無功功率QF，TCR產(chǎn)生的無功功率QT隨著負(fù)載的無功功率QL 的變化而變化，且兩者之和為感性無功功率，在一定的范圍內(nèi)維持恒定，與FC提供的容性無功功率相抵消，使系統(tǒng)供給的無功功率QS維持不變，電網(wǎng)功率因數(shù)保持在較高水平，同時(shí)使接觸網(wǎng)電壓保持在規(guī)定的范圍內(nèi)，即

（1）

TCR由兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管與一個(gè)電抗器相串聯(lián)。當(dāng)觸發(fā)角 =90°時(shí)，晶閘管全導(dǎo)通，此時(shí)電抗器吸收的無功功率最大；當(dāng)觸發(fā)角 =180°時(shí)，導(dǎo)通角σ=0°，此時(shí)電抗器無功電流為零，根據(jù)觸發(fā)角與補(bǔ)償器等納之間的關(guān)系

（2）

以及觸發(fā)角與導(dǎo)通角之間的關(guān)系

（3）

可知，增大觸發(fā)角σ可減小導(dǎo)通角 ，從而減小補(bǔ)償器的等效電納，這樣就會(huì)減小補(bǔ)償電流中的基波分量。TCR的控制系統(tǒng)檢測(cè)系統(tǒng)的有關(guān)變量，并根據(jù)檢測(cè)量的大小以及給定（參考）輸入量的大小，產(chǎn)生相應(yīng)的晶閘管觸發(fā)延時(shí)角，通過調(diào)整觸發(fā)角的大小就可以改變補(bǔ)償器所吸收的無功分量，達(dá)到調(diào)整無功功率的效果。

三、最大無功補(bǔ)償容量的計(jì)算

最大動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償容量的確定在牽引變電所動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償方案設(shè)計(jì)中非常重要，必須根據(jù)設(shè)計(jì)線路牽引負(fù)荷的大小合理確定動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的最大無功補(bǔ)償容量。

3.1最大動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)挠?jì)算

最大無功補(bǔ)償容量按式（4）計(jì)算

（4）

式中，φ1和φ2分別為補(bǔ)償前后110kV電源側(cè)功率因數(shù)角；Pmax為設(shè)計(jì)線路牽引負(fù)荷的最大有功需求；

（5）

3.2饋線最大電流的選取

牽引供電專業(yè)計(jì)算的饋線最大電流分別為最大有效電流Ixmax，饋線瞬時(shí)最大工作電流Ismax，饋線短時(shí)最大工作電流Icmax。為確定合理的最大無功補(bǔ)償容量，需要理解三種饋線最大電流的計(jì)算方法及實(shí)用范圍。

（1）最大有效電流Ixmax

（6）

式中，Ip為饋線平均電流，Kx為供電臂有效電流系數(shù)。計(jì)算最大有效電流時(shí)，是按照非平均運(yùn)行圖區(qū)間通過能力的列車數(shù)計(jì)算的。牽引供電計(jì)算中引入有效電流的概念是因?yàn)殡姎庠O(shè)備的溫升是由有效電流決定的。

（2）瞬時(shí)最大工作電流Ismax

牽引供電設(shè)計(jì)中，通常按一列列車在供電臂遠(yuǎn)端起動(dòng)，而在其余區(qū)間都同時(shí)有車用電運(yùn)行計(jì)算。

（7）

式中，Iqd為列車起動(dòng)電流峰值；md為供電臂中可能運(yùn)行的最大列車數(shù)，對(duì)于單線電氣化鐵路通常等于供電臂的區(qū)間數(shù)。

從計(jì)算原理上看，牽引供電設(shè)計(jì)中的瞬時(shí)最大工作流是供電臂正常運(yùn)行方式下持續(xù)幾秒左右的最大負(fù)荷電流，利用其計(jì)算出的無功功率補(bǔ)償安裝總?cè)萘客艽?，必然存在資源的浪費(fèi)。

（3）短時(shí)最大工作電流

供電臂短時(shí)最大電流一般持續(xù)3—5min，可以從供電臂的最大瞬時(shí)負(fù)荷圖獲得。目前主要采用概率統(tǒng)計(jì)法，即按照供電臂用電運(yùn)行列車數(shù)概率積分曲線的95%概率積分對(duì)應(yīng)的最大列車數(shù)ng與每列列車平均電流求得：

（8）

在幾分鐘之內(nèi)，供電臂內(nèi)的機(jī)車運(yùn)行狀況，甚至供電臂內(nèi)的列車數(shù)量都可能發(fā)生較大的變化。動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置需要根據(jù)負(fù)荷的變化及時(shí)提供所需的無功功率。因此采用短時(shí)最大工作電流計(jì)算最大動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償容量的計(jì)算是合理的。

四、FC濾波支路的優(yōu)化設(shè)計(jì)

FC濾波支路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，應(yīng)按以下設(shè)計(jì)原則進(jìn)行

（1）不改變總基波容性補(bǔ)償功率的情況下，使補(bǔ)償濾波裝置的總?cè)萘孔钚。?/p>

（2）根據(jù)牽引負(fù)荷的諧波特點(diǎn)，合理設(shè)置FC濾波支路的組成，有條件時(shí)，應(yīng)根據(jù)對(duì)供電臂的實(shí)際測(cè)量分析結(jié)果決定濾波支路的租場(chǎng)；

（3）需設(shè)置合適的調(diào)諧系數(shù)，避免因電網(wǎng)頻率下滑或裝置參數(shù)誤差使濾波支路合成阻抗滑到容性區(qū)產(chǎn)生諧波放大，乃至發(fā)生并聯(lián)諧振，危及裝置的安全運(yùn)行；

（4）避免某次濾波支路補(bǔ)償功率偏小而發(fā)生過負(fù)荷，以免對(duì)設(shè)備的安全運(yùn)行造成影響。

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