三相SVC在電氣化鐵路電能質量治理中的應用

劉 劍，黃小慶，曹一家，黎燦兵

（湖南大學電氣與信息工程學院，長沙 410082）

2008年國務院批準頒布的《中長期鐵路網規劃》提出，到2020年全國鐵路營業里程規劃目標達到12萬公里，其中高速鐵路1.6萬公里，電氣化程度達到60%。我國電氣化鐵路的高速發展，也給電氣化鐵路供電系統提出了新的要求。由于高速鐵路具有機車牽引功率大、功率因數高、牽引變電站負荷大等特點，由此產生的負序問題在電氣化鐵路電能質量中顯得更為突出。

目前我國治理電氣化鐵路負序問題主要采用以下幾種措施［1～5］：①牽引變電站高壓側采用輪換相序的接入方式；②采用三相／兩相平衡變壓器；③合理安排列車運行方式和牽引變電站供電電源，削弱負序分量對電網的影響；④接入更高一級的電網，從110kV到220kV，增大短路容量。但截止到2007年，向牽引變電站供電的電網系統變電站為423座，其中接入3座以上牽引變電站的電網系統變電站只有20座［6］，存在大量沒有互聯的牽引變電站，因此采用牽引變電站高壓側輪換相序接入方式對負序的改善具有局限性。三相／兩相平衡變壓器只有在兩相負荷平衡的條件下才能完全抑制負序，但是對于時刻變化的牽引負荷，兩相負荷完全平衡是無法保持的，因此，該措施對負序的抑制作用也是有限的［7］。由于我國鐵路運輸總體緊張，臨時增加列車運力的情況時有發生，臨時對牽引供電電源進行調整是不切實際的。隨著電力電子技術的發展，使用SVC進行負序和無功補償在國外已有多年的經驗，且效果顯著。國外如英法海底隧道采用了ABB提供的SVC方案解決負荷平衡和電壓控制問題，該方案共采用4個SVC，其中3個SVC接于負荷側用于無功補償和電壓控制，另外一個SVC接入高一級的系統側，用于動態負荷平衡［8］。而國內大部分的SVC裝置，都是用來進行動態無功補償，以及加裝濾波器進行諧波治理，對負序的改善作用非常有限。目前加裝三相SVC裝置進行負序補償的只有個別線路，如神朔線［9，10］，該三相SVC安裝在110kV供電線側，對接入同一公共節點的多座牽引變電站負荷進行整體負序和無功的補償。但是該方法是基于對接入同一公共節點的數個牽引負荷進行整體補償，而對于接入不同公共節點的多個牽引變電站，該方法不具備整體補償的能力。

針對我國鐵路牽引網中現存的不能進行輪換相序連接、輸電線路短路容量較小、負荷變化大的一些牽引變電站，本文提出了一種接入牽引變電站低壓側的三相SVC電氣化鐵路電能質量綜合治理方案。該三相SVC由晶閘管控制電抗器TCR（thyristor controlled reactor）與固定電容器FC（fixed capacitor）組成，裝在牽引變電站的低壓27.5kV側，就地進行負序、無功補償和諧波治理。

1 系統結構及原理

1.1 結構框圖

圖1 三相SVC綜合補償裝置Fig.1 Three－phase SVC comprehensive compensation device

為充分利用目前牽引變電站已經安裝的3、5、7次諧波濾波器和部分在27.5kV低壓側配備的兩相式SVC裝置，設計了如圖1所示的拓撲結構。該拓撲結構只需在原有基礎上進行部分改造，降低了建設成本。圖示T1為牽引變壓器，為了不失普遍性，這里的牽引變壓器取用目前使用廣泛的YND11型牽引變壓器，其高壓側為110kV，低壓側為27.5kV。低壓側C相接地，AC、BC相接負載。并在AB、BC、CA相間安裝3、5、7次特征次諧波濾波器，同時進行無功補償，配合三角形接線的TCR裝置，組成三相SVC（TCR＋FC）。

1.2 三相不平衡補償原理

根據斯坦門茨補償原理，對于任意三相不平衡負荷采用一個可調無功補償器與其并聯可補償其無功功率，同時可使三相不平衡的有功功率達到平衡和對稱。假定電源電壓是平衡的，負荷采用三角形連接網絡表示，如圖2所示。

圖2 平衡化補償網絡Fig.2 Balance of compensation network

設負載導納為：

根據式（1），由斯坦門茨補償原理可得到理想的三相平衡化補償公式為

2 三相SVC工作原理和控制策略

在實際應用中，負荷的導納往往是不容易直接得到的，只能通過測得電流、電壓和功率等，通過間接方法求得。本文采用文獻［11］提出的基于瞬時值的三相補償導納算法。與基于向量的補償導納算法相比，該算法更為簡單。它直接利用瞬時無功理論得到有功和無功分量，通過一次低通濾波后，直接代入導納表達式即可，計算量小，縮短延時，增強了補償的實時性。補償器的導納公式可以表示為［11］：

式（3）中的I11cosφ11、I11sinφ11、I21cosφ21和I21sinφ21分別表示基波正序和負序電流的有功和無功分量。利用瞬時無功理論基礎，運用ip－iq運算可以容易得到以上分量。其原理如圖3所示。

圖3 ip，iq運算方式原理Fig.3 Principles of ip ，iqcalculations

其中：

TCR基本結構是兩個反向并聯的晶閘管與一個電抗器相串聯。兩并聯晶閘管在兩端電壓正負半周輪流工作，觸發延遲角α的有效移相范圍為90°～180°。α＝90°時，晶閘管完全導通；當α＝180°時，晶閘管完全截止。當觸發延遲角在90°～180°時，增大觸發角，將減小電流中的基波分量，相當于增大補償器的等效感抗，也即減小其等效電納，因而減少了其吸收的無功功率。導通角δ與觸發角α是線性關系，δ＝π－α。TCR的等效電納可表示為

其中，等效電納最大值為BLmax＝1／XL。本文中的三相TCR采用三角形連接并聯到牽引變電站的27.5kV低壓側，如圖1所示。

對于電氣化鐵路的兩相負載特性，三相中必然有一相沒有負載。例如，通常牽引臂為A相和B相，C相接地，則AC和BC相有負荷，AB相沒有負荷，此時式（2）中的＝0，＝0。將＝0，＝0代入式（2），可得：

3 仿真實驗

本文采用MATLAB中的SimPowerSystems工具箱進行仿真研究。仿真結構圖如圖1所示。系統的仿真參數設定為：

1）系統電壓為110kV，短路容量為1000 Mvar；

2）T1為110／27.5kV，YND11型牽引變壓器；

3）三相SVC，根據前文推導的導納系數，確定感性補償部分為LTCR＝60.21mH，每相40 Mvar，容性補償分別為AB相為20Mvar，BC相為20Mvar，AC相為40Mvar；

4）牽引網阻抗采用PI型參數：50Hz頻率下（0.169 ＋ j0.432） Ω／km，并聯電容0.011 μF／km［12］。

本文參數設計是基于以下假定：每相負荷最多為4輛機車同時運行，每輛機車的功率為6400 kW，機車模型選用MATLAB自帶的直流電機模型（DC Motor）來模擬牽引電機［13，14］。

為了加速仿真，同時保證負荷的不平衡性和實時性，本文設計了分別在AC、BC相距離牽引變電站0km、10km、20km和30km處接入機車，也即每相最多可接入4輛機車；通過分析牽引變壓器YND11，可知當只有一相有負荷的時候，負荷的三相不平衡和負序電流是最嚴重的［15］。所以在機車接入接觸網的分布上，以最大負荷（正常6輛機車，超負荷8輛機車）和最嚴重不平衡負荷（單邊分布4輛機車）分布來模擬。由此設計的接入時間如下：在1s的時候在AC相30km處接入第一輛機車，2 s的時候在AC相20km處接入第二輛機車，3s的時候在AC相10km處接入第三輛機車，在4s的時候在AC相0km處接入第四輛機車。此時AC相以10km為間隔接入四輛機車，不平衡最為嚴重。然后，在5s時在BC相30km處接入第五輛機車，6s時在BC相20km處接入第六輛機車，此時機車數目達到6輛，負荷達到正常最大負荷。此時再在7s時在BC相10km處接入第七輛機車，在第8s時在BC相0km處接入第八輛機車，此時機車數目達到最大超負荷情況。此后再依次以每秒一輛機車遞減的方式讓AC相的四輛機車依次退出運行，在12s后只有BC相有四輛機車運行，不平衡負荷再次達到最大。仿真時間為13s。

表1和圖4分別為SVC投入前后的110kV側電流的數據和波形對比。SVC投入前，在第8.94s時，110kV側三相電流的諧波畸變率分別是A相為7.74%，B相為35.49%，C相為9.56%；在SVC投入后，在第8.94s時，三相諧波分別降低為0.36%，0.62%，0.62%。可以看出SVC的三相濾波裝置可以有效地降低流入電網的諧波電流。

表1 SVC投入前后110kV側電流諧波畸變率Tab.1 Current harmonic distortion of 110kV side between before and after putting into SVC

圖4 SVC投入前后110kV側電流波形對比Fig.4 Current waveforms of 110kV side between before and after putting into SVC

電氣化鐵路牽引負荷帶來的負序問題，由圖5的110kV側負序電流不平衡度可以看出。

SVC投入治理前，1s到5s間AC相單邊帶機車負荷，負序電流等于正序電流，負序電流不平衡度達到100%。在5s后，BC相開始增加機車負荷，到第8s后兩相負荷基本相等（各帶4輛機車），負序電流不平衡度接近50%。從第9s起，AC相負荷開始減少；到第12s時，只有BC相帶負荷，負序電流不平衡度又回到100%，如圖5（a）所示。

仿真結果和文獻［15］的計算結果相符，證明了仿真結果的正確性。在SVC投入治理后，負序電流的不平衡度95%概率值降低到20%以下，見圖5（b）。

國家標準 GB／T15543－1995《電能質量，三相電壓允許不平衡度》規定：電力系統公共連接點正常電壓不平衡度的95%概率值不得超過2%，極短時值不得超過4%。

由負序電流導致的電壓三相不平衡由圖5（c）、（d）分析可得，SVC投入前，最高不平衡度達到3%，當單邊帶超過3輛機車負荷時，不平衡度就達到2.0%以上，已經超過國家標準。SVC投入使用后，三相電壓不平衡度基本保持在0.5%以下。

仿真結果表明，靜止無功補償器SVC的投入使用，基本消除了負序分量，獲得了平衡的三相電壓，補償效果顯著。

牽引網長距離輸電，當無功不足時，將導致牽引網電壓低，以致機車不能正常運行。由圖6的低壓側AC相牽引網電壓分布可以看出，SVC投入治理前離牽引變電站距離較遠的牽引網電壓降非常嚴重。仿真試驗中，AC相在每10km一輛機車的條件下，機車恒功率運行。在第4s后，AC相4輛機車運行時，在30km處電壓接近機車運行的臨界電壓19kV。從第5s開始，BC相增加負荷，AC相電壓繼續下降，最低至15kV，機車已經無法運行，AC相無功不足非常嚴重。牽引網BC相電壓最低也接近19kV左右。從圖形也可以看出，作為滯后相的AC相電壓損失大于超前相的BC相電壓，如圖6（a）、（b）所示。SVC投入治理后，兩相牽引網電壓有顯著提高。在超負荷運行的情況下（8輛機車同時運行），末端最低電壓保持在23kV以上，如圖6（c）、（d）所示，而且整條線路沒有出現無功過補償的現象，電壓波動小。

再比較三相SVC接入在牽引變電站的高壓側和低壓側對牽引網電壓的補償效果。三相SVC安裝在牽引變壓器的高壓側時，牽引網的電壓仿真結果如圖7（a）、（b）所示。通過對比圖6的（c）、（d）和圖7（a）、（b）的仿真結果可知，在低壓側安裝三相SVC因為避免了牽引變壓器引起的電壓損失，所以牽引網電壓明顯高于在高壓側安裝三相SVC時的牽引網電壓。

圖7 SVC接入在牽引變壓器高壓側時牽引網電壓分布Fig.7 Traction network voltage distribution at SVC access to high－voltage side of the traction transformer

4 結語

本文提出的在牽引變電站低壓側安裝三相SVC的電氣化鐵路電能質量綜合治理方案可以有效地解決電氣化鐵路因負序電流導致的三相電壓不平衡問題，同時綜合治理無功和諧波等其他電能質量問題。由于濾波裝置接入電壓等級低，絕緣要求降低，比接在高壓側節省一個變壓器，其工程費用比安裝在高壓側低。在牽引變電站低壓27.5kV側安裝三相SVC，因為避免了牽引變壓器導致的電壓損失，所以比在牽引變電站高壓側安裝更利于補償牽引網的電壓損失。對于高速鐵路牽引網以及我國現存的不能進行輪換相序連接、輸電線路短路容量較小、負荷變化大的一些牽引變電站，使用本文提出的三相SVC可以起到較好的負序、無功補償和諧波治理作用。仿真分析表明，該方案治理效果顯著，正確可行。

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