電氣化鐵道用智能投切型地面無功補償裝置分析

劉郭輝

（中鐵電氣化局集團有限公司國際工程公司，北京 100000）

1 裝置概述

動態無功補償設備與有源諧波治理設備的靜止無功發生器（SVG）系統均以絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）為關鍵點，設備使用鏈式換流器，鏈式SVG的出現預示我國電力系統無功補償技術迎來新的發展方向。智能化投切無功補償裝置可以高效控制電壓及功率，確保電力系統穩定運行。

配電網系統中，將鏈式換流器安裝在變電站或電壓負荷附近，能夠優化電壓負荷與公共電網連接部位的電能質量，優化效果較顯著，可以大幅度提升電壓功率，均衡三相電的電流分布，消除諧波及穩定電壓波動等。

2 原理及結構分析

2.1 裝置原理

SVG原理如圖1所示。

圖1 SVG原理

鏈式換流器利用變壓器或電抗器將電路以并聯形式連接在電網中，調整交流側的輸出電壓的幅值與電壓相位，直接或間接性地接受、發出滿足工作需求的無功電流，實現動態化的無功補償。

2.2 結構分析

（1）控制柜。

控制柜主要由控制器、繼電器、空氣開關、電源組成。控制電源附帶兩種不同的電源系統，分別為DC24V類型、DC5V類型。控制電源可以為控制器與繼電器提供充足的電流。顯示面板由信號燈與顯示屏構成。控制器由模板、屏幕、控制器與計算機構成。

（2）功率柜。

功率柜中最重要的組件為功率構件，單個功率柜細分為三層。功率單元中的直流電選擇薄膜電容，需要兼顧串聯功率中電容器電壓均衡問題，在實際設計時，將電阻與控制開關以串聯方式連接，能夠確保電壓的均衡性，在控制開關斷開后，釋放多余電流，確保消除安全隱患。

功率單元正面如圖2所示。

圖2 功率單元正面

功率模塊部位的控制器使用保護回路，輸出驅動回路，使用現場可編程邏輯門陣列（FPGA）芯片，智能化設計可以有效簡化硬件結構，軟件方面的設計可以突顯靈活性，為后續功能拓展提供接口，具備較強的可靠性，對結構組件的干擾性較小[1]。

（3）啟動柜。

啟動柜由控制開關、電阻、接地刀閘、隔離刀閘構成。鏈式換流器使用自勵啟動模式。控制開關關閉后，配電系統自動對功率單元進行充電，系統充電至額定值最大值的80%時，控制系統自動啟動開關。對鏈式換流器進行檢修的過程中，隔離刀閘與接地刀閘可以為換流器提供良好的安全保障。

（4）連接電抗器。

灌流器的電流輸出利用電抗器實現，電抗器需要與電力系統并聯。

（5）冷卻系統。

本研究控制系統的散熱方式設計為密閉性的水冷方式，水冷系統由水泵、散熱器、傳感器構成。

3 電氣化鐵道應用分析

3.1 案例概況

結合某客運站供電系統可知，站內供電系統電壓為10 kV，配電采用貫通性回路，供電覆蓋的有效范圍達50～60 km；系統配備單芯銅芯電力電纜，電纜的一級貫通截面面積為70 mm2，對應電流為0.599 8 A/km；電纜的綜合貫通截面面積為95 mm2，對應的電流為0.659 1 A/km。

3.2 故障分析

供電負荷主要以通訊、信號、監控、通風機、空調、電梯、水泵、照明等為主，負荷相對較輕且變化較大，供電線路的功率因數隨負荷波動變化，使線路對地容性電流偏大，負荷端電壓升高。負荷端電壓升高可能會影響通信、信號、監控等系統的運行穩定性，危及鐵路的安全運營，容易造成運營區段內的用電設備老化，影響設備使用壽命；功率因數低下可能加大電能損耗，不利于節能降耗。

3.3 應用說明

補償諧波過程中，換流器自動向補償電流中增加基波無功分量，實現補償無功功率。換流器補償的電流可以與負載電流內的諧波相抵消，控制電源部位的電流與負載電流中的基波功率相同；換流器可以在不擴大濾波支路數量的前提下，強化自身的治理能力。

（1）裝置的運行狀態。

①待機狀態。換流器通電自動轉變為待機狀態，對自身進行檢測。檢測結果未發現故障時，各組件運行正常，指示燈會自動點亮。換流器處于就緒情況時若收到操作人員的啟動命令，斷路器會自動閉合，進入充電狀態。

②充電狀態。換流器的電容需要充電，自勵啟動模式下，斷路器閉合后換流器的電容自動充電。斷路器的電流電壓充電至設置數值，經過短暫時間轉化為運行狀態。

③運行狀態。運行狀態下換流器以并網形式運行，能夠在多種不同控制方式下輸出電流，補償無功功率或諧波。運行狀態情況下出現報警，警示燈亮起，但不會對換流器造成影響；運行過程中出現電流過量現象會導致換流器閉鎖，通過人工手動消除故障解鎖設備重新運行；換流器運行的過程中受到停機命令時，自動發出跳閘命令，轉換為跳閘狀態。

④跳閘狀態。換流器執行跳閘指令時轉換為跳閘狀態。系統檢測到斷路器處于斷開連接狀態時，換流器進入放電狀態。

⑤放電狀態。放電狀態時由換流器釋放電流。斷路器斷開連接后，設備電流電容會降低至0。放電狀態持續10 s后轉變為待機狀態[2]。

（2）控制柜屏面說明。

控制柜的控制方式包括液晶控制面板、遠程后臺控制、控制按鈕。液晶控制面板與控制按鈕均設置在控制柜上，操作人員可以直接在現場進行操作控制，遠程后臺控制距離操作現場較遠，控制人員不需要在操作現場完成對設備的控制。控制柜中設置的控制按鈕在任何時間節點均具有功效，遠程后臺控制與液晶控制面板同時發出指令的情況下，僅有一個指令發揮效能。

（3）液晶面板使用說明。

①主界面。操作人員獲取調試權限后，可以使用液晶面板中的按鈕對系統進行調試。用戶管理頁面中，用戶的賬戶與登錄密碼可以細分為三種類型，分別為用戶賬戶設置、高級設置、用戶管理。

主界面（權限提高）如圖3所示。

圖3 主界面（權限提高）

系統所有功能頁面必須從主頁面中點擊進入，“主控操作”“技術參數設置”必須由操作人員正確操作。主界面的下方顯示日期與時間，且系統日期與時間會自動更新。

②模擬量顯示。主頁面顯示內容有限，部分畫面無法顯示，操作人員可以點擊“首頁”“下一頁”“上一頁”“返回”按鈕完成頁面跳轉。頁面下方顯示的數字為系統當前的頁面編號，分子指當前頁碼，分母指總頁面數量。

液晶操作頁面跳轉條如圖4所示。

圖4 液晶操作頁面跳轉條

③主控操作。利用主控頁面的按鈕可以實現換流器操控，點擊“上一頁”或“下一頁”可以實現系統主頁面的畫面轉換，點擊“返回”按鈕，系統自動跳轉至主頁面。

④用戶管理。用戶管理主要包括用戶等級管理與用戶賬號管理。修改用戶的賬號與登錄密碼時，必須在獲取權限后修改。

（4）遠程監控后臺說明。

遠程后臺、本地觸摸屏均可以作為交互界面，操作控制與技術參數設置無法同時操作，但監測功能可以同時與操作控制和技術參數設置使用。遠程后臺的操控人員為用戶群體，遠程后臺設計的功能主要包括顯示設備的剩余電量、啟動換流器、關閉換流器、技術參數復位、顯示換流器的運行狀態、修改技術參數、顯示設備運行過程中的故障等。

需要使用遠程后臺控制與技術參數設置功能時，先確認當前的工作狀態，若當前不處于遠程控制狀態，應該在主界面將狀態更換為遠程控制方式[3]。

3.4 應用效果

（1）功率損耗。

換流器運行過程中的功率損耗非常低，SVG運行過程中的損壞主要源自變壓器與電抗器，其他設備的功率消耗不會超出總損耗的0.8%。

（2）諧波特性。

換流器在補償諧波的過程中，自動向補償電流中增加基波無功分量，高效實現補償無功功率。換流器補償點電流可以與負載電流內的諧波相抵消，控制電源部位的電流與負載電流中的基波功率相同；換流器可以在不擴大濾波支路數量的前提下，強化治理能力。

（3）補償方式。

換流器的補償方式主要分為4種。恒功率因素下，功率控制點在合理的范圍內運行；恒無功功率下，換流器輸出無功功率，測量無功功率的精準性與響應速度；恒電壓條件下，主要針對用戶提出特殊要求補償；負荷補償條件下，可以隨意選擇補償的對象，補償諧波的次數控制為2～19次。

換流器投產使用后，具有一定的濾波功能，可以有效地降低電動機諧波對電路網路的污染，降低對信號的干擾，小幅度增長電容器的使用壽命，具備良好的經濟效益。

4 結語

客運站10 kV電力系統大規模使用電纜，電纜在電流正常傳輸的情況下，選擇電流負荷較小的工況；以單相電接地具備較高的靈活度為前提選擇接地方式。恒定式電抗器的電流補償具體數值應該按照貫通線路電容量的100%計算。負載功率因素發生波動時，通過投切分散的方式控制電抗器的數量，對無功補償的范圍進行合理調整，保證電氣鐵道供電系統的無功補償控制能力得到顯著提升，確保整個供電系統的供電水平得到優化。