牵引变电所无功谐波综合补偿方案探讨

[摘要] 提高牵引变电所功率因数、改善系统电压质量是改善电气化铁路电能质量的有效措施，对电气化铁道的无功、谐波污染进行综合治理具有重要的意义。该文介绍了我国牵引变电所采用的几种无功补偿与谐波治理方案的原理，分析了各种补偿方案的优缺点, 并对无功补偿技术的发展趋势进行了展望。

[关键词] 牵引变电所 无功补偿 谐波

1 引言

我国电气化铁路由于大量使用交—直型电力机车，负荷功率因数低、谐波含量高的问题非常突出。目前解决的常用方法是在牵引变电所27.5（55）kV 侧安装并联电容无功补偿装置并兼滤3次谐波。这种不可调的固定补偿设备，具有功率损耗小，安装简单、维护方便等特点，但改善效果并不理想，仍存在以下问题[1]：由于电力牵引负荷变化剧烈，无功功率和电流随机波动，不可调补偿装置的跟随效果不佳，在运量小、无负荷和轻负荷概率较大的区段过补偿严重；其滤波特性受系统参数的影响大，并可能与系统发生谐振或谐波放大，危及系统安全；只能消除极少数特定次的谐波，其滤波效果远不能满足要求。

由于电气化铁道无功和谐波污染对电力系统产生的不良影响，电力部门采用了新的计量标准对电网无功和谐波进行更加严格的管理。电力部门对电气化铁道供电系统功率因数的要求已由过去的0.85 提高到0.9, 并执行“反送正计”, 即过补偿视为欠补偿,这已经使得部分牵引变电所遭受了每年近百万元甚至更高额的罚款。由于我国在若干年内仍将大量的使用交—直型电力机车，为适应形势的需要，必须对电气化铁道的无功、谐波污染进行综合治理。

2 无功谐波综合补偿方案

2.1 SVC 静止无功补偿

近年来，国内外电气化铁路牵引变电所无功补偿与谐波治理提出过多种方案，其中使用较多的是静止无功补偿器(SVC),采用晶闸管交流开关来改变补偿装置的无功出力, 同时滤出一定量的谐波。SVC 静止无功补偿又有多种方式，均以电力电子器件作为无功器件（电容器、电抗器）的控制或开关器件。下面对几种方案进行介绍。

2.1.1 晶闸管投切电容器方案（TSC）

晶闸管投切电容器的单相电路如图1所示, 其中两个反并联晶闸管可将电容器接入电网或从电网断开, 而串联的电感主要用来抑制高次谐波。将电容器分为几组, 每组由晶闸管阀组控制以实现快速无触点的投切。再根据负荷的实际运行无功量, 按照一定的投切策略跟踪负荷变化进行投切动作。

TSC是SVC的简化方式, 按单调谐设计多组某次或某几次滤波器, 基波下各支路呈容性, 由晶闸管投切电容器组, 分级改变补偿装置的无功出力；某次谐波下偏调谐, 兼滤该次谐波。为了对无功电流尽量做到无级调节，总是希望电容器级数越多越好。TSC可以很好地补偿系统所需无功功率，如果级数足够细化，基本上可以实现无级调节。

TSC技术较为成熟, 可以国产化，使用寿命长, 可实现无暂态或少暂态投切。因其装置寿命与投切次数无关, 且投切的暂态过程很小, 结构简单, 响应速度快, 不产生谐波。所以它是适用于电气化铁道特点和要求，具有应用前景的经济实用装置。TSC的缺点是只能分组投切，不能补偿连续调节无功功率。

2.1.2 固定滤波器+晶闸管调节电抗器方案(FC+TCR)

该方案由FC、TCR两部分组成，如图2所示。其中TCR由控制器、晶闸管功率阀组、补偿电抗器组成,它通过控制晶闸管的导通角来无级调节与负荷并联的电抗器的电流, 使TCR 回路产生可变感性负载, 进而控制其感性无功的变化。它与固定电容器补偿相结合,可以实时补偿负荷变化的感性无功。FC回路由电容器和滤波电抗器组成, 它与晶闸管调节电抗器相结合,向系统提供恒定容性无功功率, 兼有滤除谐波的作用[2]。这也是一种常见的动态无功补偿方案，适应无功冲击大，负荷变化快，是治理系统电压波动和滤除指定谐波的有效措施，但投资较高。

2.1.3 TCR＋TSC方式

TCR＋TSC型SVC是比较全面的方案，可准确控制晶闸管的触发角，得到所需补偿电抗器的电流，使投切电容器满足补偿容性无功电流的需求。TCR+ TSC方式投资较大,结构复杂,且TCR 有损耗, 产生一定量谐波。所以此种方案在一般的牵引变电所进行无功动态补偿难以实现。

2.1.4 LC＋TSC方式

结构如图3所示，由控制器、固定LC滤波装置、高压晶闸管阀组、电力电容器组成。LC 滤波器与TSC并联接入系统中，其中LC可设计为3 、5 、7 、9 次滤波器。LC 滤波器补偿了系统中的基本无功和滤除系统中的特定次数的谐波，TSC实时补偿系统中变化的无功，其中TSC最大可分8级投切，可满足电网对动态补偿的要求[3]。

这种方案的工作原理是控制器间接采集牵引变电所母线电压、电流（经过一级互感器变换后的电流、电压），计算出实时的电压、功率因数，对电网电压进行实时监测，当线路电压低于设定电压，经过一定延时后控制投入一组电容器；当线路电压高于设定电压，经过一定延时后切除一组电容器。

LC＋TSC 方式的主要特点是:实时补偿系统中的无功和滤除特定次数的谐波；由于LC补偿了系统中所需的大量基本无功，TSC 只是补偿动态无功，节约了投资；设备占地面积小、成本低，且更换电力电子器件后对系统无突变过程。

2.1.5 FIX+TC+TL方案

文献[5]提出了一种新型动态无功补偿设计方案——FIX+TC+TL方案，是根据具体变电所的实际负荷和谐波情况进行组合的方案。

对于谐波较严重的变电所，从滤波的安全性和有效性出发，采用固定的多次单调谐滤波器(FIX)，滤波支路可根据需要采用3 次，3 次、5 次，或3 次、5 次、7 次滤波器; 可调电容器组支路(TC) 和可调电抗器支路(TL) 用于调节无功，由变电所无功负荷状况决定采用TC、或TL或两者同时采用，通过晶闸管开关的有载分合和控制加在电容器组支路(TC)和电抗器支路(TL)上的电压来控制其补偿电流；降压变压器采用多抽头的调压变压器，通过改变调压变压器的低压侧抽头的位置（改变分接开关的级数），改变电容器组支路和电抗器支路的外施电压，使无功补偿装置的补偿容量能随负荷动态变化。

对于谐波不是非常严重而以提高功率因数为主的变电所，还可以在此方案基础上进一步简化，省掉固定滤波支路。原理如图4所示。

静止型动态无功补偿装置SVC 能够快速、平滑地调节无功功率, 以实现动态补偿和快速电压调整, 是较为实用的、基本符合电气化铁道牵引供电系统特点和要求的无功补偿装置, 但是SVC不可能做到瞬时无功控制[3-4]。

2.2 静止无功功率发生器方案(SVG)

SVG 利用交流电抗器把全控型开关器件组成的逆变器并接至交流电网(如牵引变电所等),通过对逆变器交流侧输出电压相位和幅值的适当调整, 或者直接控制其交流侧电流, 使该电路吸收或发出满足要求的无功电流, 以达到动态无功补偿的目的，如图5所示。

与静止型动态无功补偿装置(SVC)相比, SVG是基于瞬时无功功率的概念和补偿原理，调节速度更快、运行范围更宽、性能更优, 所用电抗器和电容器的容量也大为降低。

静止无功功率发生器(SVG)目前尚未大规模应用, 一方面是由于该类无功补偿装置的工程造价比SVC高；另外,此类无功补偿装置还有许多技术问题有待解决[6]。

2.3 串联可调变比变压器的无功补偿方案

该方案是一种通过晶闸管开关装置直接调节电容两端电压来调节电容无功的方法。其接线原理如图6所示，图中TB为辅助变压器，一次绕组直接接于装置的工作母线，而此绕组通过晶闸管开关装置VT和电容器组C串联后再接于同一工作母线。装置可通过断路器QF进行投切操作和故障切除，但QF不作为调级使用。VT装置的晶闸管开关由两个反向并联的晶闸管构成，其作用是改变TB二次绕组的等效匝数以改变TB的变比K。改变K的同时, 也改变了TB二次绕组附加电势的大小，从而改变电容电压和无功[7]。该方法可显著降低晶闸管的工作电压和工作容量，控制简单。但它只能分级调节容性无功功率。

3 展望

为提高牵引变电所功率因数，改善系统电压质量，必须对电气化铁道的无功、谐波污染进行综合治理，可采用性能优良的动态无功补偿装置。静止型动态无功补偿装置SVC 能够快速、平滑地调节无功功率, 是较为实用的、基本符合电气化铁道牵引供电系统特点和要求的无功补偿装置。静止无功功率发生器(SVG)是基于瞬时无功功率的概念和补偿原理,但由于工程造价比SVC高，且还有许多技术问题有待解决，目前尚未大规模应用。鉴于SVG 所具有的良好的补偿特性, 以及瞬时无功补偿理论的不断完善, 对SVG 的研究与应用将成为动态无功补偿装置发展的重要方向。串联可调变比变压器的无功补偿方案原理可靠、造价低廉, 所以对该装置的研究与应用也将成为无功补偿领域的重要发展方向之一。

参考文献

[1] 唐敏，李群湛，贺建闽. 牵引变电所无功谐波综合补偿方案研究[J]. 电网技术，2004（2）: 47-52.

[2] 温建民. 宜万线牵引变电所无功补偿方案研究[J]. 铁道工程学报，2006，（1）: 74-78.

[3] 吴孔松. 牵引变电所动态无功谐波综合补偿装置设计与应用[J]. 铁道运输与经济，2006（12）: 84-86.

[4] 张晓东. SVC在电铁谐波抑制中的研究[D]. 成都: 四川大学，2006.

[5] 智慧, 李群湛, 周福林. 新型动态无功补偿装置在牵引变电所应用[J]. 电力自动化设备，2006（11）：71-78.

[6] 焦剑扬，刘明光. 牵引变电所无功补偿方式综述 [J]. 电气开关，2006，（6）:1-4.

[7] 李民族, 唐晓玲, 李颖等. 新型电容无功补偿方法及其接线[J]. 电网技术，2004(16):64～68.

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