無功控制的電鐵電能質量治理裝置和運用分析

劉娜

摘? 要：電氣化鐵路項目運作階段使電網系統容易滋生低功率因數、大負序電流，降低電網運行過程的安穩性。為應對以上情況，提出在鐵路車站周邊安置無功補償裝置（SVG）的建議，并擬編了SVG并聯式運轉及聯合應用高壓電容器組的補償方案，規劃SVG的控制思路。工程實踐表明，該裝置投用后，電網系統功率因數從最初的0.78提升至0.97，不均衡度由最初的20.44%降至1.80%;系統諧波頻率明顯降低，3次與5次諧波的含有率均值由最初的23.35%、12.35%依次降至4.43%、2.47%，這提示SVC能較明顯的優化牽引網的電網品質，值得推廣。

關鍵詞：電氣化鐵路;牽引變電站;諧波;無功控制無功補償;電能質量

中圖分類號：U223 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）18-0185-02

Abstract： In the operation stage of electrified railway project， the power grid system is easy to generate low power factor and large negative sequence current， and reduce the stability of power grid operation process. In order to deal with the above situation， the suggestion of installing Static Var Generator （SVG） around railway station is put forward， the compensation scheme of SVG parallel operation and combined application of high voltage capacitor bank is drawn up， and the control idea of SVG is planned. The engineering practice shows that after the device is put into operation， the power factor of the power grid system is increased from 0.78 to 0.97， the imbalance is reduced from 20.44% to 1.80%， the harmonic frequency of the system is obviously reduced， and the average value of the third and fifth harmonics is increased from the initial 23. 35% and 12.35% dropped to 4.43% and 247% respectively， which suggests that SVC can obviously optimize the quality of traction network and is worth popularizing.

Keywords： electrified railway; traction substation; harmonics; reactive power control reactive power compensation; power quality

現如今，電力機車投運數目持續增加，電網系統運行階段諧波含量高、電壓不均衡等電能質量缺陷也陸續出現，且日漸嚴重化。過往為有效治理、優化鐵路電能質量，通常是將三相SVG安裝在牽引站高壓端，進而實現就地補償，以上治理手段實施階段補償裝置無法直接作用在電鐵負荷端，治理方位和電能質量污染始源地相距較遠，故而，在治理以上電能質量缺陷方面效果欠佳，且三相SVG建設成本偏高、占地面積偏大[1]。筆者提出將無功發生器三相SVG與電容組增設到車站內的建議，借此方式實現對電網系統無功功率的動態式補償，借此方式強化動車周邊供電活動的安穩性。

1 電鐵SVC工作原理

諧波濾波支路（CFC）、晶閘管控制電抗器（CTCR）支路是電鐵SVC的主要構成。其中，基于機車牽引負荷形成的3、5、7等諸多諧波電流特征去設計CFC，設定3次與5次CFC。CTCR支路的構成以反并聯晶閘管閥組、相控電抗器為主。

3次與5次CFC的功能是提供恒定的容性無功，SVC控制器結合牽引網電壓（u）、電流（i）指標設定控制角（α），α的作用是整改相控電抗器內流經的電流，借此方式確保TCR能供應出可調控的感性無功。如果負荷（電力機車）的無功是Qz，那么可以使用負荷與SVC無功功率兩者的和測求出系統供給的無功功率（QN）。這也提示當負荷無功Qz指標改變時，若TCR供應的感性無功能有效代償Qz出現的改變，就能維持QN恒定不變，這樣便能實現對功率因數的有效控制[2]。

2 規劃設計主電路

從本質上分析，SVG等同于有源逆變器，其應用階段通常把電抗器裝設到系統內，其對應控制系統采用調控逆變器輸出過程的形成，清晰的呈現出幅值與相位，精確的調控SVG傳輸的無功功率的指標與方向，以此為基礎達成動態式無功補償的目標。

建設隔離型多重化SVG，等同于利用隔離變壓器隔離處理SVG與高壓端的系統母線;而針對低壓端SVG，并聯數個SVG模塊并將其銜接到變壓器低壓繞組上。依照現存的無功補償設施與SVG容量值，合理設定SVG的并聯數量。

本設計方案的特征主要有[3]：（1）和高壓電容器組聯合使用，能降低有源補償量，進而減少裝置安裝建設階段資金的投入量;（2）各種SVG便于集中式調控，且在以上過程中不會滋生出相互擾亂補償過程的問題;（3）能夠構建出冗余降額運轉模式，若一個變流器運轉階段出現異常，則不會引起其他裝置整體停運的問題;（4）各種SVG均采用了獨立運行的變流器單元，和過往協同使用的直流電容的拓撲結構作比較，各種SVG變流器間不會形成環流;（4）對各種SVG均能采用模塊化設計方法，為移植過程創造了極大的便利性，且還能結合容量指標大小對模塊數目進行擴充處理。

3 控制方案

3.1 閉環式控制

本文設計的全部SVG逆變器模塊共同使用同一個控制器，控制器的作用是收集牽引供電側電壓、電流信號，而后在瞬時無功功率相關理論支撐下測算出應補償的無功電流值，科學將其配置給并網運轉狀態下的SVG逆變器，將其設為傳輸無功電流的命令。

針對牽引網內的無功電流，經加法器處理后將會轉變為系統運行所需補償的無功電流，而后和SVG輸出電流信號做比較分析，這樣便能測求出系統所需補償的無功電流參照值，對比分析直流側電壓與目標電壓，能夠測求出直流端對應的電壓補償值，而后經由電壓調節器獲得有功電流補償指標，再與SVG輸送出的電流有功分量比較分析，便能獲得所需補償的有功電流瞬時指標。綜合以上各項指標進行dp-αβ轉換，便能測求出SVG持有的控制電流（iα），實質上對應的就是PWM模塊的調制波，將調制波與三角載波做比較分析后，能形成逆變器模塊正常運作階段所需的觸發脈沖，其作用是調控SVG的輸出電流值大小[4]。

系統運行階段應采用了雙閉環控制措施，并以dp-αβ正逆轉換過程為支撐，能更為快速、準確的梳理直流端電壓和控制電流兩者的相關性——解耦關系，能為項目建設階段調整PI過程創造便利條件。

3.2 多重化載波移相

將重化載波移相（CPS-SPWM）是一種能在全控型器件開關調制過程中表現出較高適用性的手段，將其整合至控制系統內，伴隨SVG并聯數目的增多，開關裝置對應的等效頻次也會做出相應增長，進而實現對SVG輸出電流內次諧波率指標的有效調控，在這樣的工況下SVG輸出波形與正弦波更為相像。

CPS-SPWM的基本思想可以做出如下闡釋：假定并聯多重化的SVG個數是N，SVG所有H橋變流模塊共同使用相同一個調制波信號US（wst），角頻率用Kcws表示，Kcws也用于表示每種逆變橋內的三角波載波頻，針對逆變器模塊三角波的相位，要求其與三角周波1/N相錯位，則此時第X（1≤X≤N）逆變器對應的三角波初相角ψL=ψC=2πX/N，此時多重化SVG逆變器整體輸出的電流等效開關頻率就可以采用NKcws表示。

4 工程應用

本位設計的方法目前在國內部分地區變電站的無功補償中均有應用。SVG依照實時測得的各供電臂需補償的無功率，推測出對應的控制角，在此基礎上調整相控電抗器內的電流，進而達成平穩輸送無功功率的目標。因牽引網內3、5次諧波電流所占比重相對較大，故而設計階段擬定把FC支路規劃成兼做3、5次單頻CFC。并為減少或規避諧波放大的情況，一定要在3次CFC支路的投入后在投用5次CFC支路。比較某時刻補償裝置投用前后瞬間電壓電流波形（見圖1）。對圖1（左側圖）進行分析后，能較快速的察覺到系統電壓畸變相對較大，諧波含量處于較高水平上，存留著負序電流。觀察圖1（右側圖）后發現投入SVC以后，電網系統電壓畸變、諧波電流、負序電流指標均有較明顯改善。

對裝置投用前后相關數據進行統計后，發現電網系統不均衡度由最初的20.44%降至1.80%，負序電流明顯降低無功補償體現出時效性特征，功率因數從最初的0.78提升至0.97，有效應對了過往由于功率因數不足而形成的罰款問題;系統諧波頻率明顯降低，3次與5次諧波的含有率均值由最初的23.35%、12.35%依次降至4.43%、2.47%。

5 結束語

本文通過分析電氣化鐵路運行現狀，認識某個時間段牽引網車站周邊可能存在電能質量偏差的問題，故而做出將無功補償裝置安置在車站周邊的建議。本文設計方案用于工程實踐中，有補償快速、調控準確度高、能實現模塊化設計及成本偏低等諸多優勢，有效治理了諧波及抑制了負序電流，將SVG的功能淋漓盡致的發揮出來，為電網系統安全供電過程提供可靠支撐。

參考文獻：

[1]江宇，楊文群，王治玲，等.電鐵牽引負荷對縣級電網電能質量影響的測量與治理仿真[J].電氣自動化，2016，38（03）：116-118.

[2]王慧慧，金維剛，李陳程.電氣化鐵路電能質量的綜合評估及治理[J].電力電容器與無功補償，2014，35（03）：58-64+78.

[3]趙祎婷，張悅，雷達.基于單相背靠背SVG的電鐵電能質量優化治理研究[J].山西電力，2013，41（03）：18-20.

[4]高亞莉，秦昌龍.電鐵系統影響下的煤礦電網負序電流治理方案研究[J].變頻器世界，2013（02）：100-102+68.