牽引變電所無功諧波綜合補償方案探討

[摘要] 提高牽引變電所功率因數、改善系統電壓質量是改善電氣化鐵路電能質量的有效措施，對電氣化鐵道的無功、諧波污染進行綜合治理具有重要的意義。該文介紹了我國牽引變電所采用的幾種無功補償與諧波治理方案的原理，分析了各種補償方案的優缺點， 并對無功補償技術的發展趨勢進行了展望。

[關鍵詞] 牽引變電所 無功補償 諧波

1 引言

我國電氣化鐵路由于大量使用交—直型電力機車，負荷功率因數低、諧波含量高的問題非常突出。目前解決的常用方法是在牽引變電所27.5（55）kV 側安裝并聯電容無功補償裝置并兼濾3次諧波。這種不可調的固定補償設備，具有功率損耗小，安裝簡單、維護方便等特點，但改善效果并不理想，仍存在以下問題[1]：由于電力牽引負荷變化劇烈，無功功率和電流隨機波動，不可調補償裝置的跟隨效果不佳，在運量小、無負荷和輕負荷概率較大的區段過補償嚴重；其濾波特性受系統參數的影響大，并可能與系統發生諧振或諧波放大，危及系統安全；只能消除極少數特定次的諧波，其濾波效果遠不能滿足要求。

由于電氣化鐵道無功和諧波污染對電力系統產生的不良影響，電力部門采用了新的計量標準對電網無功和諧波進行更加嚴格的管理。電力部門對電氣化鐵道供電系統功率因數的要求已由過去的0.85 提高到0.9， 并執行“反送正計”， 即過補償視為欠補償，這已經使得部分牽引變電所遭受了每年近百萬元甚至更高額的罰款。由于我國在若干年內仍將大量的使用交—直型電力機車，為適應形勢的需要，必須對電氣化鐵道的無功、諧波污染進行綜合治理。

2 無功諧波綜合補償方案

2.1 SVC 靜止無功補償

近年來，國內外電氣化鐵路牽引變電所無功補償與諧波治理提出過多種方案，其中使用較多的是靜止無功補償器(SVC)，采用晶閘管交流開關來改變補償裝置的無功出力， 同時濾出一定量的諧波。SVC 靜止無功補償又有多種方式，均以電力電子器件作為無功器件（電容器、電抗器）的控制或開關器件。下面對幾種方案進行介紹。

2.1.1 晶閘管投切電容器方案（TSC）

晶閘管投切電容器的單相電路如圖1所示， 其中兩個反并聯晶閘管可將電容器接入電網或從電網斷開， 而串聯的電感主要用來抑制高次諧波。將電容器分為幾組， 每組由晶閘管閥組控制以實現快速無觸點的投切。再根據負荷的實際運行無功量， 按照一定的投切策略跟蹤負荷變化進行投切動作。

TSC是SVC的簡化方式， 按單調諧設計多組某次或某幾次濾波器， 基波下各支路呈容性， 由晶閘管投切電容器組， 分級改變補償裝置的無功出力；某次諧波下偏調諧， 兼濾該次諧波。為了對無功電流盡量做到無級調節，總是希望電容器級數越多越好。TSC可以很好地補償系統所需無功功率，如果級數足夠細化，基本上可以實現無級調節。

TSC技術較為成熟， 可以國產化，使用壽命長， 可實現無暫態或少暫態投切。因其裝置壽命與投切次數無關， 且投切的暫態過程很小， 結構簡單， 響應速度快， 不產生諧波。所以它是適用于電氣化鐵道特點和要求，具有應用前景的經濟實用裝置。TSC的缺點是只能分組投切，不能補償連續調節無功功率。

2.1.2 固定濾波器+晶閘管調節電抗器方案(FC+TCR)

該方案由FC、TCR兩部分組成，如圖2所示。其中TCR由控制器、晶閘管功率閥組、補償電抗器組成，它通過控制晶閘管的導通角來無級調節與負荷并聯的電抗器的電流， 使TCR 回路產生可變感性負載， 進而控制其感性無功的變化。它與固定電容器補償相結合，可以實時補償負荷變化的感性無功。FC回路由電容器和濾波電抗器組成， 它與晶閘管調節電抗器相結合，向系統提供恒定容性無功功率， 兼有濾除諧波的作用[2]。這也是一種常見的動態無功補償方案，適應無功沖擊大，負荷變化快，是治理系統電壓波動和濾除指定諧波的有效措施，但投資較高。

2.1.3 TCR＋TSC方式

TCR＋TSC型SVC是比較全面的方案，可準確控制晶閘管的觸發角，得到所需補償電抗器的電流，使投切電容器滿足補償容性無功電流的需求。TCR+ TSC方式投資較大，結構復雜，且TCR 有損耗， 產生一定量諧波。所以此種方案在一般的牽引變電所進行無功動態補償難以實現。

2.1.4 LC＋TSC方式

結構如圖3所示，由控制器、固定LC濾波裝置、高壓晶閘管閥組、電力電容器組成。LC 濾波器與TSC并聯接入系統中，其中LC可設計為3 、5 、7 、9 次濾波器。LC 濾波器補償了系統中的基本無功和濾除系統中的特定次數的諧波，TSC實時補償系統中變化的無功，其中TSC最大可分8級投切，可滿足電網對動態補償的要求[3]。

這種方案的工作原理是控制器間接采集牽引變電所母線電壓、電流（經過一級互感器變換后的電流、電壓），計算出實時的電壓、功率因數，對電網電壓進行實時監測，當線路電壓低于設定電壓，經過一定延時后控制投入一組電容器；當線路電壓高于設定電壓，經過一定延時后切除一組電容器。

LC＋TSC 方式的主要特點是:實時補償系統中的無功和濾除特定次數的諧波；由于LC補償了系統中所需的大量基本無功，TSC 只是補償動態無功，節約了投資；設備占地面積小、成本低，且更換電力電子器件后對系統無突變過程。

2.1.5 FIX+TC+TL方案

文獻[5]提出了一種新型動態無功補償設計方案——FIX+TC+TL方案，是根據具體變電所的實際負荷和諧波情況進行組合的方案。

對于諧波較嚴重的變電所，從濾波的安全性和有效性出發，采用固定的多次單調諧濾波器(FIX)，濾波支路可根據需要采用3 次，3 次、5 次，或3 次、5 次、7 次濾波器; 可調電容器組支路(TC) 和可調電抗器支路(TL) 用于調節無功，由變電所無功負荷狀況決定采用TC、或TL或兩者同時采用，通過晶閘管開關的有載分合和控制加在電容器組支路(TC)和電抗器支路(TL)上的電壓來控制其補償電流；降壓變壓器采用多抽頭的調壓變壓器，通過改變調壓變壓器的低壓側抽頭的位置（改變分接開關的級數），改變電容器組支路和電抗器支路的外施電壓，使無功補償裝置的補償容量能隨負荷動態變化。

對于諧波不是非常嚴重而以提高功率因數為主的變電所，還可以在此方案基礎上進一步簡化，省掉固定濾波支路。原理如圖4所示。

靜止型動態無功補償裝置SVC 能夠快速、平滑地調節無功功率， 以實現動態補償和快速電壓調整， 是較為實用的、基本符合電氣化鐵道牽引供電系統特點和要求的無功補償裝置， 但是SVC不可能做到瞬時無功控制[3-4]。

2.2 靜止無功功率發生器方案(SVG)

SVG 利用交流電抗器把全控型開關器件組成的逆變器并接至交流電網(如牽引變電所等)，通過對逆變器交流側輸出電壓相位和幅值的適當調整， 或者直接控制其交流側電流， 使該電路吸收或發出滿足要求的無功電流， 以達到動態無功補償的目的，如圖5所示。

與靜止型動態無功補償裝置(SVC)相比， SVG是基于瞬時無功功率的概念和補償原理，調節速度更快、運行范圍更寬、性能更優， 所用電抗器和電容器的容量也大為降低。

靜止無功功率發生器(SVG)目前尚未大規模應用， 一方面是由于該類無功補償裝置的工程造價比SVC高；另外，此類無功補償裝置還有許多技術問題有待解決[6]。

2.3 串聯可調變比變壓器的無功補償方案

該方案是一種通過晶閘管開關裝置直接調節電容兩端電壓來調節電容無功的方法。其接線原理如圖6所示，圖中TB為輔助變壓器，一次繞組直接接于裝置的工作母線，而此繞組通過晶閘管開關裝置VT和電容器組C串聯后再接于同一工作母線。裝置可通過斷路器QF進行投切操作和故障切除，但QF不作為調級使用。VT裝置的晶閘管開關由兩個反向并聯的晶閘管構成，其作用是改變TB二次繞組的等效匝數以改變TB的變比K。改變K的同時， 也改變了TB二次繞組附加電勢的大小，從而改變電容電壓和無功[7]。該方法可顯著降低晶閘管的工作電壓和工作容量，控制簡單。但它只能分級調節容性無功功率。

3 展望

為提高牽引變電所功率因數，改善系統電壓質量，必須對電氣化鐵道的無功、諧波污染進行綜合治理，可采用性能優良的動態無功補償裝置。靜止型動態無功補償裝置SVC 能夠快速、平滑地調節無功功率， 是較為實用的、基本符合電氣化鐵道牽引供電系統特點和要求的無功補償裝置。靜止無功功率發生器(SVG)是基于瞬時無功功率的概念和補償原理，但由于工程造價比SVC高，且還有許多技術問題有待解決，目前尚未大規模應用。鑒于SVG 所具有的良好的補償特性， 以及瞬時無功補償理論的不斷完善， 對SVG 的研究與應用將成為動態無功補償裝置發展的重要方向。串聯可調變比變壓器的無功補償方案原理可靠、造價低廉， 所以對該裝置的研究與應用也將成為無功補償領域的重要發展方向之一。

參考文獻

[1] 唐敏，李群湛，賀建閩. 牽引變電所無功諧波綜合補償方案研究[J]. 電網技術，2004（2）: 47-52.

[2] 溫建民. 宜萬線牽引變電所無功補償方案研究[J]. 鐵道工程學報，2006，（1）: 74-78.

[3] 吳孔松. 牽引變電所動態無功諧波綜合補償裝置設計與應用[J]. 鐵道運輸與經濟，2006（12）: 84-86.

[4] 張曉東. SVC在電鐵諧波抑制中的研究[D]. 成都: 四川大學，2006.

[5] 智慧， 李群湛， 周福林. 新型動態無功補償裝置在牽引變電所應用[J]. 電力自動化設備，2006（11）：71-78.

[6] 焦劍揚，劉明光. 牽引變電所無功補償方式綜述 [J]. 電氣開關，2006，（6）:1-4.

[7] 李民族， 唐曉玲， 李穎等. 新型電容無功補償方法及其接線[J]. 電網技術，2004(16):64～68.