磁控電抗器式動態無功補償裝置在牽引變電所無功補償中的工程應用

郭云飛

（河南城際鐵路有限公司，河南 鄭州 450000）

1 概述

功率因數一直是電氣化鐵路電能質量領域的最重要的問題之一。當功率因數較低時，一方面會嚴重影響牽引供電系統的供電質量，另一方面電力部門會根據牽引變電所功率因數的高低進行獎懲，因此，有必要在牽引變電所安裝無功補償治理裝置來提高功率因數[1-2]。

目前國內有多種無功補償裝置在電氣化鐵路中得以應用，但在實際應用中各有優劣。本文分析了不同類型的無功補償裝置，重點介紹了磁控電抗器式動態無功補償裝置的原理和特點，并結合具體工程，研究了該裝置在電氣化鐵路中的應用效果，為無功補償裝置在電氣化鐵路電能質量治理中的實際應用提供一定的參考。

2 電氣化鐵路常用的無功補償方式

2.1 幾種無功補償方式的比較

目前多種動態無功補償方式在我國電氣化鐵路領域已有運營經驗，最常用的有SVG 和SVC 型動態無功補償裝置[3-4]。

SVG 型動態無功補償裝置，采用電力電子器件逆變器構成。由于需要采用大功率電力電子元件實現無功輸出容量的變換，其優點是響應時間短、速度快，缺點是電力電子元件對電壓電流劇烈波動十分敏感，其冷卻和保護電路比較復雜，一次性投入及運營維護成本較高，且實際運行中故障發生率較高。

SVC 型動態無功補償裝裝置根據調節方式的不同主要有兩類：一類是以晶閘管控制電抗器的TCR 型SVC為代表，利用晶閘管相控技術控制電抗器的輸入從而對輸出無功進行調節；另一類是以磁控式電抗器MCR 型SVC 為代表，通過改變可控硅的觸發角來改變直流勵磁的大小，進而改變鐵心的飽和度，達到調節無功的目的。

相較于TCR 型動態無功補償裝裝置，MCR 型動態無功補償裝裝置由于不需要晶閘管等大功率設備，具有占地面積小、功耗低、價格低廉等諸多優點。

2.2 MCR 型動態補償裝置

MCR 型動態無功補償成套裝置將電容器連接在電力系統中，通過調整與其并聯的可控電抗器來實現調節無功功率的目的，是一種新型的靜止無功補償裝置（SVC）[5-6]。當電力機車進入牽引變電所所轄范圍時，固定電容器充分補充機車感性無功，磁控電抗器的容量調到最小；當電力機車駛出所轄范圍后，電容器向系統倒送無功。在電力機車負荷變化過程中，磁控電抗器快速跟蹤補償剩余容性無功，從而保證功率因數穩定。其系統框圖如圖1。

圖1 MCR 無功補償裝置系統框圖

3 無功補償裝置相關參數計算

3.1 平均有功功率計算

式中，PL：平均有功功率（kW）；

Ip：供電臂平均電流（A）；

UM：牽引變電所母線額定電壓（kV）；

cosφ1：補償前-牽引變電所平均功率因數；

cosφ2：補償后-牽引變電所平均功率因數；

3.2 無功補償容量計算[1]

3.3 電容器安裝容量計算

式中，Uch：電容器組額定電壓（kV）；

3.4 經濟效益計算

①根據電費收取政策，則增加補償裝置后從電費中得到的經濟效益計算公式為[1]：

式中，P：用電量（103kwh）；

f1：補償前所增收的電費系數；

f2：補償后所減收的電費系數；

w：有功電度單價（元/103kwh）；

②無功電度的成本計算式為：

式中，S：補償裝置投資綜合造價（元）；

h1：補償裝置折舊費以及維護費（元/年）；

h2：補償裝置自耗電費（元/年）。

4 工程實例

本文以某既有單線電氣化鐵路項目為例，對MCR型補償裝置的應用效果進行研究分析。該單線鐵路每日開行8 對客貨列車，機車機型為HXD 型，設計最高運行速度為160km/h。

本次研究選擇其中的1 座牽引變電所作為研究對象（牽引變電所A），該牽引變電所主要技術指標如表1所示。

表1 典型牽引變電所主要技術指標

4.1 現場測試結果

通過對牽引變電所A 電度表數據的采集，得到了該所在2018 年3 月-6 月未投入動態無功補償時的有功功率和無功功率，并計算出牽引變電所A 的月功率因數分別為0.47、0.44、0.40、0.43，具體詳見表2。

表2 牽引變電所A 典型月份的功率因數

4.2 解決方案

根據現場運行情況得知，目前該線路所在地區相鄰路網尚未建成，且該線路為單線，每日僅開行8 對HXD電力機車，牽引供電系統的負荷波動較大，當供電臂過車時無功為感性，無車時系統又呈容性，長時間空載給系統返送的無功量較大。因此，實際運行中系統功率因數較低，影響供電質量并造成罰款。

經研究，可以通過在牽引變電所內加裝償裝置來改善電能質量，提高功率因數，降低運營成本。現場采用MCR 型動態無功補償裝置。根據公式（2）（3），對該牽引所所需無功量進行計算，得出補償容量Q 為2234 kvar，取整為2300 kvar，電容器組安裝容量為2640 kvar，取整為2800kvar。

本次設計在牽引變電所A 的27.5kV 側兩相母線分別增設兩套動態無功補償裝置，主接線圖如圖2 所示[1，7]。

圖2 無功補償裝置主接線圖

4.3 應用效益分析

4.3.1 供電可靠性

牽引變電所A 在未投入動態無功補償前，空載時由于牽引線路長，對地電容大，功率因數較小，在0.40～0.47 之間波動，從而導致電壓損失增大；另一方面變壓器的供電能力未得到有效利用，容量利用率較低。動態無功補償的投入使得無功達到就地平衡，改進后功率因數提高到0.97 左右，且牽引變電所A 的動態無功補償裝置運行期間，無功功率調節可靠，系統運行穩定，使整個供電系統的有功損耗減小；電壓波動減小，設備利用率增大，從而提高了供電的可靠性。

4.3.2 經濟效益

功率因數的改善也帶來了可觀的經濟效益，依據國家電網公司下達文件《功率因數調整電費辦法》，牽引變電所A 適用于以0.90 為標準值的功率因數調整電費表，如圖3 所示。

圖3 功率因數調整電費標準

根據該辦法，本工程改進前后功率因數及功率因數調整電費比較見表3。

表3 牽引變電所A 補償前后電費情況一覽表

由上表數據可得，未安裝動態補償裝置前，月平均功率因數為0.45，罰款系數為0.55，補償后，功率因數大于0.95 時，獎勵系數為0.0075。牽引變電所A 未安裝動態補償裝置前，月平均罰款約33 萬元，一年的罰款金額為396 萬。安裝動態補償裝置后因功率因數提高到0.95以上，每月可獲得獎勵電費約4800 元，全年約5.8 萬元。因投入動態補償裝置，每月消耗的（取10kW）電費約3522 元，全年約4.2 萬元。每年直接經濟效益約為398 萬元。

該線路所在省電網110-220kV 大工業用電平段電度電價為0.587 元/kWh；無功補償裝置按300 萬元/所（兩套），使用壽命按20 年計，則無功補償裝置每年折舊費15 萬元，每年維護費用和損耗支出共計5 萬元，則折合無功補償裝置每年成本為20 萬元。根據公式（4）（5）可得，本次工程無功補償設備運行1.3 年即可收回投資，如表4 所示。

表4 項目經濟效益參數計算

5 結論

本文將MCR 型動態無功補償裝置應用到某具體工程，合理確定了變電所無功補償容量、補償結構等重要參數，研究表明，牽引變電所動態無功補償裝置投入運行后有效提高了功率因數，改善了牽引供電系統電能質量，節省了運營成本，可見，該動態無功補償裝置在電氣化鐵路牽引變電所的無功補償中具有廣闊的應用前景。