SVG技術在電氣化鐵道應用探討

摘 要:對靜止無功發生器(SVG)綜合補償原理進行分析，研究SVG在牽引供電系統中的綜合補償作用。分析適用于SVG的動態無功補償計算方法，并給出計算流程。針對電氣化鐵路中存在的無功、諧波和負序等嚴重影響電能質量的問題，探討SVG技術在電氣化鐵道中的應用。

關鍵詞:SVG;電能質量;無功補償

中圖分類號:U224文獻標識碼:A文章編號:16723198(2010)01029002

0 前言

至2008年底，我國鐵路運營里程達7.96萬公里，電氣化鐵路運營里程為2.81萬公里。按國家最新規劃是到2012年建成鐵路運營里程11萬公里，電氣化率達到50%。在電氣化鐵道帶來優勢的同時，也產生了一些問題。

由于電氣化鐵道使用單相供電方式為列車提供電能如圖1所示，使電力系統不可避免的產生了三相不平衡，并且我國目前運營的大部分機車采用交-直單相晶閘管半控整流制式，典型如SS4、SS8以及SS9型機車，本身就是一個諧波源，此外，電力機車在啟動終止時對于電網來說屬于大的沖擊性負載，對于電網電能質量，無功功率的平衡都有很大的影響。

由于牽引變電所供電技術指標和經濟性能均與無功、諧波和負序有關，建立有綜合補償作用的補償裝置就十分重要。其綜合補償作用應主要體現在:

(1) 補償無功，提高功率因數;

(2) 降低負序;

(3) 降低母線電壓損失，提高網壓水平;

(4) 降低牽引變壓器功率損失和網損(降損)，提高牽引變壓器的容量利用率(增容)，并由此提高運輸供電能力

等。

目前我國電氣化鐵路牽引變電所無功補償裝置絕大部分采用并聯電容器固定補償模式。但是，這種固定補償

裝置由于采用分級補償， 由于牽引負荷的劇烈變化， 便造成輕載無功的過補償和重載無功的欠補償，無法達到

月平均功率因數0.90的國家標準，因而造成罰款，有的變電所罰款甚至達到百萬之巨，增加運營成本。而且，這

種補償裝置一般采用機械開關投切電容器，響應速度慢，無法滿足對牽引負荷進行動態無功補償的需要。

為解決上述問題人們進行了多方面的研究。目前天津地鐵供電系統、石太高速客運專線供電系統、包蘭鐵路

萬噸改造工程都采用了動態無功補償的方法。本文對靜態無功發生器(SVG)的原理進行了探討，分析了

SVG系統引入電氣化鐵道的可能性。

1 SVG原理簡介

1.1 SVG系統構成

SVG的基本原理就是將自換相橋式電路通過電抗器或者直接并聯在電網上，適當地調節橋式電路交流側輸出電壓的幅值和相位，或者直接控制其交流側電流就可以使該電路吸收或者發出滿足要求的無功電流，實現動態無功補償的目的。其系統構成如圖2所示。

1.2 SVG工作原理

SVG工作原理如圖3所示。

設系統電壓時Us，輸出的電壓為Ui，電抗器的電流為IL，連接電抗器上的電壓為Us和Ui之差，而電抗器上的電

流IL是可以通過改變其上的電壓而控制的，因此，改變SVG交流側輸出電壓Ui的幅值及其相對于Us的相位， 就

可以改變連接電抗器上的電壓，從而控制SVG從電網吸收電流的相位和幅值，也就控制了SVG吸收無功功率的

性質和大小。在空載運行時SVG不吸收或者不發出無功功率，這時Us=Ui;當系統運行在容性負載情況下，

Ui>Us時，SVG調節電抗器上的電流IL使其產生一個超前的電流，從而吸收多余的無功;當系統運行在容性

負載情況下，Ui

2 補償容量的計算

2.1 按提高功率因數計算方法

本方法以補償功率因數到一個基準值為標準，首先確定電網最大負荷日的平均有功功率pav，補償前的功率因數cosφ1，補償后的功率因數cosφ2，則補償容量可由式(1)確定:

Qc=pav1cos2φ1-1-1cos2φ2-1(1)

式中:Qc為所需補償容量;

2.2 按降低線路損耗確定計算方法

線路損耗是電網經濟運行的一項重要指標，在網絡參數一定的條件下，與通過導線的電流平方成正比。設補償前的線路損耗為Δp1，補償后的線路損耗為Δp2，則補償后線路損耗降低的百分值為Δps:

Δps=Δp1-Δp2Δp1=[1-cosφ1cosφ2]×100%

根據線路損耗降低的百分值為Δps反算出補償后的功率因數cosφ2，補償容量可由式(2)確定:

Qc=pav(tanφ1-tanφ2)=Qac1-tanφ2tanφ1(2)

2.3 按提高網壓確定計算方法

在裝設補償電容前，網絡電壓可用式(3):

U1=U2+PR+QXU2(3)

裝設補償電容后，電源電壓u1不變，變電所母線電壓U2升到U′2，且

U1=U′2+PR+(Q-Qc)XU′2，

ΔU=U′2-U2=QcXU′2，

即需要補償無功容量為:

Qc=ΔUU′2X

由于牽引負荷屬于非線性負荷，采用方法一中根據全日平均有功功率推算出的補償容量，很難滿足時刻變化

的牽引負荷的補償要求，會出現過補償或者欠補償現象的發生。第二種方法中線路損耗是一個很難實時監測

的物理量，采用這種方法計算補償容量，難以達到實時監測的效果。方法三中所選取的電源電壓、母線電壓

等都是實時監測的數據且容易獲得，在工程實踐中有良好的應用，所以本文對第三種計算補償方法進行了研

究，其計算流程如圖4所示:

3 SVG在電氣化鐵道應用的探討

山西中南部鐵路北韓牽引變電所安澤方向上供電臂，經過供電計算全日平均需要補償無功量為6400kvar，

在母線側介入兩組補償電容，分別為3200kvar和6400kvar，這樣就有了四種補償容量:補償容量為0kvar、

補償容量為3200 kvar、補償容量為6400 kvar、補償容量為9600 kvar。補償裝置采用定時檢測法每隔30分

鐘檢測一次母線上的無功量，然后確定補償容量，切投相應的電容器。這種補償方式存在明顯缺點:補償容

量不能動態調節，采用定時檢測，不能對牽引網情況實時處理，這樣都會出現過補償和欠補償的情況。

引入SVG系統能夠實時監測牽引網運行情況，對實時數據進行分析，能夠發出連續的補償電流補償無功，可

以明顯彌補上述不足，改善電能質量。對北韓牽引變電所進行了仿真。牽引變電所原理接線圖如圖5所示。

試驗條件:由于牽引供電系統的兩供電臂的相互獨立性，為了簡化牽引供電模型， 我們可以假設僅在一條供電

臂上有牽引負荷，另外一條供電臂的負荷為零， 負荷電流由落后系統電壓0度切換到落后90度，SVG隨即發

出1000A補償電流，動態響應時間15ms左右。仿真結果如圖6所示。

4 結論

隨著電氣化鐵道技術的進步，如高速鐵路、城際軌道交通、重載鐵路的工程應用中，對于動態控制要求越來越高。通過上面的分析可以看到，SVG可以較好的解決因系統無功功率波動問題帶來的過補償和欠補償的問題，改善了電能質量。從經濟角度講，避免了牽引變電所每個月的巨額罰款，同時SVG本身具有濾除諧波的功能，節省了諧波治理裝置的用地，減少牽引變電所占用土地面積。

本文對SVG原理進行分析，并分析了適合電氣化鐵道無功補償的計算方法，對北韓牽引變電所引入SVG技術做了探討，結果表明SVG是一種很有發展無功補償技術，很適合電氣化鐵路負荷波動大等特點，但工程實際中遇到的情況千變萬化，靠仿真難以模擬出實際運行情況，SVG技術在電氣化鐵路中應用還需要實踐來檢驗，需要做很多更深入工作。

參考文獻

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