靜止無功發(fā)生器在電氣化鐵路中的應(yīng)用與探索

摘 要：針對電氣化鐵路單相、非線性的沖擊負(fù)荷的特點，靜止無功發(fā)生器（SVG）對于提高牽引供電系統(tǒng)功率因數(shù)具有重要意義。該文主要介紹SVG的工作原理，并以黔桂線南丹牽引變電所SVG改造工程為背景，以減少運行單位罰款為契機，通過改變SVG裝置電流采樣點位置來補償全所無功功率的可行性進行理論分析及實踐。結(jié)果表明，通過此種方式，尤其在輕負(fù)荷側(cè)安裝時，容易造成過補償，引起補償支路過電壓跳閘。為同類工程在實施提供借鑒，具有一定參考意義。

關(guān)鍵詞：電氣化鐵路；無功補償；靜止無功發(fā)生器（SVG）；負(fù)荷特點；牽引變電所

中圖分類號：U223.6 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）29-0181-04

Abstract： According to the characteristics of single-phase and nonlinear impact load of electrified railway， static var generator （SVG） is of great significance to improve the power factor of traction power supply system. This paper mainly introduces the working principle of SVG， and takes the SVG reconstruction project of Nandan traction substation on Guizhou-Guangxi Line as the background， taking the opportunity of reducing the fine of the operating unit， carries on the theoretical analysis and practice on the feasibility of compensating the reactive power of the whole institute by changing the position of the current sampling point of the SVG device. The results show that in this way， especially when installed on the light load side， it is easy to cause overcompensation and overvoltage tripping of the compensation branch. It provides a reference for the implementation of similar projects， and has a certain reference significance.

Keywords： electrified railway; reactive power compensation; static var generator （SVG）; load characteristics; traction substation

電氣化鐵路牽引負(fù)荷為單相、非線性的沖擊負(fù)荷，接入電力系統(tǒng)中會帶來諧波、負(fù)序、功率因數(shù)較低等問題，尤其在以運營SS4、SS8、SS9韶山型交-直電力機車的線路上較為突出。隨著電力市場商業(yè)化運營機制的不斷健全，以及無功功率反送正計計量方式的采用，鐵路運營單位在鐵路牽引變電所功率因數(shù)較低時會面臨數(shù)額較大罰款，增加鐵路運輸成本[1]。

目前，我國電氣化鐵路牽引變電所主要采用SVC（Static Var Compensator，靜止無功補償裝置）和SVG（Static Var Generator，靜止無功發(fā)生器）來解決此問題。SVC主要分為晶閘管控制電抗器（TCR）和固定電容補償（FC）配合使用的靜止無功補償裝置（FC+TCR），以及采用磁控電抗器（MCR）配合并聯(lián)電容器組的MCR型靜止無功補償裝置。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，SVG在電氣化鐵路中的應(yīng)用已日趨成熟[2]。

SVG相較于SVC具有控制靈活、響應(yīng)速度快、可靠性高和占地面積小等優(yōu)點[3]。本文結(jié)合黔桂線南丹牽引變電所內(nèi)SVG改造工程，介紹SVG在鐵路牽引變電所內(nèi)動態(tài)無功補償方面良好特性。同時，在所內(nèi)兩相SVG設(shè)備更換時，以減少電力公司罰款為目的，對投入單相SVG即補償全所無功功率作出嘗試，為行業(yè)內(nèi)同類工程實施提供參考。最終在兩相SVG設(shè)備均投入情況下，實現(xiàn)所內(nèi)良好無功動態(tài)補償。

1 電氣化鐵路負(fù)荷特點

1.1 三相不平衡諧波源

電氣化鐵路機車是靠可控硅整流的一種設(shè)備，這種單相的，不對稱負(fù)荷接入電力系統(tǒng)會破壞電網(wǎng)的對稱運行。由于電力機車的非線性特點，當(dāng)電力系統(tǒng)向鐵路供電時，在傳遞系統(tǒng)所供給的基波能量的同時，會將部分基波能量轉(zhuǎn)換為諧波，使電能質(zhì)量降低，損壞系統(tǒng)設(shè)備。

1.2 沖擊性負(fù)荷

電氣化鐵路牽引負(fù)荷是單相、移動、幅值頻繁劇烈變化的特殊負(fù)荷，每天按列車運行圖運行，日波動負(fù)荷的特征是非常明顯。這種日波動負(fù)荷與線路情況、機車類型與操縱、機車速度、車引重量及運行圖等多種因素有關(guān)，具有很大的波動特性。因此電氣化鐵路牽引負(fù)荷不同于一般的持續(xù)電力負(fù)荷，是一種典型的日波動負(fù)荷。

1.3 功率因數(shù)

牽引變電所功率因數(shù)降低會增加輸電網(wǎng)絡(luò)的電壓損失，使電力網(wǎng)絡(luò)的電能損耗增加及供電系統(tǒng)的電壓損失增加。接觸網(wǎng)電壓下降，流過電力機車中的降壓變壓器、電動機等關(guān)鍵設(shè)備的電流增大，使其發(fā)熱量增加，影響電力機車的功率輸出，加大了主電路故障機率，減少了機車的使用壽命。造成牽引變壓器容量不能得到充分利用，在供給一定牽引負(fù)荷的情況下，需要增加變壓器容量，增加了供電成本。

2 SVG原理及其在鐵路牽引變電所中的應(yīng)用

SVG的基本原理是將自換相橋式電路通過電抗器或者直接并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值，或者直接控制其交流側(cè)電流，就可以使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流，實現(xiàn)動態(tài)補償?shù)哪康腫4]。同時，SVG在采用多重化、多電平或者PWM技術(shù)等措施后可大大減少補償電流中的諧波含量，并且SVG使用的電容元件與傳統(tǒng)TCR為代表的SVC相比要小，就使得該裝置的體積大大縮小，節(jié)約占地面積。

黔桂線為單線電氣化鐵路，目前線路仍運營部分韶山型電力機車。黔桂線南丹變電所為直供牽引變電所，進線電源電壓等級為110 kV，變壓器安裝容量為2×（8+12.5） MVA，三相V/V結(jié)線型式。無功補償裝置電容器安裝容量為（9 600+12 000） kvar，無功補償裝置采用傳統(tǒng)的晶閘管控制電抗器（TCR）和固定電容補償（FC）配合使用的靜止無功補償裝置，并配套單獨濾波支路。如圖1所示。

此套設(shè)備已運行超過10年，設(shè)備陸續(xù)出現(xiàn)晶閘管、控制板故障等問題。動補設(shè)備退出后牽引變電所功率因數(shù)僅為0.75。因此，考慮采用優(yōu)點較為突出的SVG設(shè)備替換原有的SVC設(shè)備，替換后SVG設(shè)備A、B相補償容量分別為9 Mvar、5 Mvar。改造過程中，首先對既有輕負(fù)荷方向供電臂B相動補設(shè)備進行拆除更換。在完成B相設(shè)備更換后，考慮對A相補償裝置更換過程中施工時間較長，施工過程中功率因數(shù)在未達到電力公司要求的0.9以上的情況下，勢必造成運營單位的罰款。因此，結(jié)合實際需求，為減少電力公司罰款，對變電所27.5 kV側(cè)僅投入單相（B相）即達到補償全所無功功率，使功率因數(shù)達到合格目標(biāo)值進行嘗試。

3 靜止無功發(fā)生器SVG的應(yīng)用分析

圖2為黔桂線南丹牽引所SVG補償支路主接線，主要由SVG裝置、串聯(lián)電抗器，以及啟動開關(guān)、隔離開關(guān)、避雷器等組成。其中，SVG由3個基本功能模塊構(gòu)成：檢測模塊、控制運算模塊及補償輸出模塊。

SVG的工作原理為由外部的CT檢測系統(tǒng)的電流信息，然后經(jīng)由控制芯片分析出當(dāng)前的電流信息，如PF、S、Q等；由控制器給出補償?shù)尿?qū)動信號，最后由電力電子逆變電路組成的逆變回路發(fā)出補償電流。

在南丹牽引變電所SVG改造過程中，首先對既有B相SVC設(shè)備進行拆除更換，更換后SVG補償裝置僅投入B相，原A相SVC設(shè)備退出運行，此時SVG控制側(cè)CT采樣點僅采集27.5 kV側(cè)B相電流。若僅投入B相SVG設(shè)備后滿足變電所功率因數(shù)要求，再對A相SVC設(shè)備進行更換，則可避免過渡施工過程中功率因數(shù)不達標(biāo)引起的罰款。通過對投入后運行數(shù)據(jù)監(jiān)控，在一天內(nèi)僅投入B相SVG情況下，變電所功率因數(shù)為0.79。通過對比觀察110 kV側(cè)系統(tǒng)有功、無功功率，以及SVG輸出電流如圖3—圖5所示。

對比110 kV側(cè)系統(tǒng)有功、無功功率和SVG輸出電流，可以看出很多時候系統(tǒng)存在無功時，SVG沒有出力，變電所統(tǒng)計有功、無功功率是在110 kV系統(tǒng)高壓側(cè)，而單相SVG控制點為27.5 kV側(cè)，接的是B相，補償無功功率由B相輸出，雖然B相有負(fù)荷時可以補償無功，但是A相沒有接入補償裝置，同時A相為重負(fù)荷臂方向，負(fù)荷較大；而接入SVG補償裝置的B相負(fù)荷相對較小。接在B相SVG裝置檢測模塊未檢測到A相無功，因此，補償輸出模塊無法補償全所無功功率，只有單相SVG接在B相，導(dǎo)致A相的無功沒有補償，最終統(tǒng)計的功率因數(shù)偏低。

為滿足高壓側(cè)補償要求，將已投入B相SVG電流采樣點接在110 kV高壓側(cè)，通過采集110 kV側(cè)電流嘗試對全所進行無功補償，高壓側(cè)三相總有功和無功功率計算公式如下

式中：Ud、Uq為110 kV側(cè)三相電壓經(jīng)過三相dq變換后的值；Id、Iq為110 kV側(cè)三相電流經(jīng)過三相dq變換后的值。牽引所內(nèi)計量電表有功、無功功率計算方式如下

上述計算方法與式（1）等效。

在B相±5 Mvar的SVG投入情況下，按照功率因數(shù)為1進行補償時，通過采集單日內(nèi)不同時間段的無功功率、有功功率，對有功功率和無功功率的時間積分進行計算，系統(tǒng)剩下的總無功估算為15.243 75 Mvar·h，系統(tǒng)總有功為P=0.69×66=45.54 MW·h，可估算出功率因數(shù)PF=0.957?？紤]SVG采集110 kV側(cè)系統(tǒng)電流進行無功補償，SVG設(shè)備按照功率因數(shù)為1進行補償，補償時三相無功計算方法采用瞬時無功方法進行計算，對一天內(nèi)不同時段SVG補償后剩下的系統(tǒng)無功數(shù)據(jù)進行整理估算，可估算出功率因數(shù)為PF=0.95。

根據(jù)上述理論分析，在調(diào)整B相電流采樣位置后使用瞬時功率計算方式，可以補償三相功率因數(shù)滿足要求，由于SVG目前運行在一相，若用于補償三相的功率因數(shù)，存在單相過補償?shù)娘L(fēng)險。為驗證上述方案是否可行，調(diào)整B相SVG的采樣點接線，將SVG的采樣流互接至110 kV側(cè)，然后投入B相±5 MvarSVG試運行，觀察牽引所功率因數(shù)，在投入初期功率因數(shù)有明顯提高，達到8.5左右，隨著投運時間增加，B相動補斷路器最終出現(xiàn)了過電壓跳閘現(xiàn)象，現(xiàn)場記錄27.5 kV母線電壓值超過了31 kV。試運行期間功率因數(shù)為0.85。

通過上述實踐后得出，雖然改變SVG裝置采樣點，通過瞬時功率計算方式可滿足全所補償無功功率，但是B相SVG采樣模塊采樣點采集的110 kV側(cè)無功功率，B相本身又為輕負(fù)荷側(cè)，補償輸出模塊僅在B相輸出，很容易就導(dǎo)致B相出現(xiàn)過補償，最終B相支路因過電壓而跳閘。在變電所輕負(fù)荷側(cè)單相投入SVG就補償全所方案并不可行，要提高全所功率因數(shù)，需A、B兩相SVG設(shè)備均投入運行。

將A、B兩相SVG設(shè)備同時投入運行后，SVG裝置體現(xiàn)了良好的補償特性，全所功率因數(shù)達到0.97，并體現(xiàn)了良好的濾波特性，相對于原SVC設(shè)備，SVG在全所無功補償響應(yīng)速度上更加迅速。

4 結(jié)論

靜止無功發(fā)生器SVG相對于傳統(tǒng)的靜止無功補償裝置SVC優(yōu)點是突出的。本文以黔桂線南丹牽引變電所SVG改造工程為背景，將變電所內(nèi)原SVC設(shè)備更換為SVG設(shè)備，更換后SVG設(shè)備在無功補償方面展現(xiàn)了良好的特性，同時在改造過程中，以減少運行單位罰款為契機，對單相SVG投入補償全所無功功率進行了實踐，實踐得出，在投入單相SVG情況下通過改變采樣點位置實現(xiàn)補償全所無功功率的方法難以實現(xiàn)，尤其是在輕負(fù)荷側(cè)安裝時，容易造成過補償引起支路電壓超過整定值。為實現(xiàn)全所無功補償，需投入兩相SVG設(shè)備。同時，在兩相SVG設(shè)備均投入情況下，SVG設(shè)備也體現(xiàn)出了在動態(tài)無功補償中響應(yīng)速度快、可靠性高、占地面積小等優(yōu)點，為電氣化鐵路的可靠運行提供了有力支撐。

參考文獻：

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