牽引變電所綜合無功補償方案

張蜀華 李 冬

（西南交通大學電氣工程學院，四川 成都 610003）

1.引言

從第一條電氣化鐵道建成以來，電氣化鐵路對公用電網能質量影響的問題一致困擾著世界上各國。各國為了提高電能質量，依據國情各自采取了不同的措施。作為發展中國家的我國，改善電氣化鐵道的電能質量更是不容忽視的問題。

鐵路因其具有的負荷特殊性，使得它具有隨機波動大，非線性等特征，從而引發的功率因數、負序和諧波等問題。改善電能質量的有效措施之一就是進行無功補償。所謂的無功補償方案,就是補償基波下的牽引負荷的無功功率，以提高功率因數，濾除指定諧波。

我國幅員廣大、地質情況多樣，各地區發展程度不一，許多欠發達地區普遍具有電網容量小，公用電網負荷中鐵路占比重過大的問題。現有的無功補償方案一般是設置固定電容進行并聯補償，實際運營后發現，在鐵路輕載和空載的條件下，過補償問題嚴重。補償后造成無負荷時電壓抬升，變電所月平均功率因數反而降低，罰款增加等問題。因此研究一種能提高電能質量，又不用大量追加一次性投資的補償方案是非常必要的。

2.無功補償方案介紹

我國現有的可調無功補償裝置大致包括有同步調相機(Synchronous Condenser-SC)、靜止無功補償器（Static Var Compensator-SVC）和靜止無功發生器（Static Var Generator-SVG）幾種。

同步調相機是通過同步電機在勵磁或欠勵磁情況下，發出感性或容性無功功率實現電網的無功功率補償。但由于其損耗與噪聲較大、響應速度較慢及運行維護復雜，因此已逐步被淘汰。早期的靜止無功補償裝置為飽和電抗器(Saturated Reactor-SR)。隨著電力電子技術的不斷發展，目前的靜止無功補償裝置主要為：機械投切電容器 (Mechanically Switched Capacitor-MSC)、晶閘管投切電容器（Thyristor Switched Capacitor-TSC）、晶閘管控制電抗器（Thyristor Controlled Reactor-TCR）以及混合裝置等。靜止無功發生器是利用交流電抗器將全控型開關器件組成的逆變器直接并接至交流電網(牽引變電所等),通過直接控制其逆變器交流側電流，或對交流側輸出電壓的相位、幅值進行適當調整,使該電路吸收或發出滿足要求的無功功率,以達到動態無功補償的目的。

現在對其中技術經濟指標較好的幾種方案進行介紹。

3.無功補償裝置基本原理介紹

3.1 可控飽和電抗器

可控飽和電抗器是主要由電抗器、線圈、可控硅、二極管組成。該方案基于偏磁可調原理，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，達到平滑調節無功的目的。其主要特點是：可實現無功功率連續調整，控制簡單；加裝可控電抗器及相應設備容易實現，適用于既有變電站的改造。但缺點是：電抗器電流波形容易畸變，且含有較大諧波量（3次諧波分量超過12%）；噪聲大，可控電抗器損耗大（噪聲段損耗超過3%）；牽引負荷小或空載時，電抗器為大電流或滿載電流，損耗大，空載率高的線路十分不適合。因此，本方案并未在我國推廣應用，國外也鮮有應用報道。

3.2 晶閘管投切電容器(TSC)

晶閘管投切電容器的單相電路圖如圖1所示,其中2個反并聯晶閘管將電容器接入電網或從電網斷開,串聯的電感主要用于抑制高次諧波。

TSC方案是將電容器分為幾組,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本身不產生諧波，并且可以快速補償牽引負荷產生的無功電流，技術較為成熟,使用壽命長,可實現無暫態或少暫態投切。缺點是技術上比真空開關方式復雜,價格較高，一次投資高,尤其是不能連續調節，只能實現容性無功功率的階躍調節，而其調節的精度取決于電容器的分組數。[2]然而牽引供電系統能夠承受的電壓波動值較高，因此，只要按實際情況適當增加電容器分組數，就可以分級控制電壓，使其變化在限定值以內就可以。因此此種方案適用于行車密度較低，列車為重載的線路。

圖1 晶閘管投切電容器電路圖

圖2 TCR+FC型電路圖

3.3 固定濾波器 (FC)+晶閘管調節電抗器(TCR)

TCR+FC型動態無功補償裝置的結構簡圖，如圖2所示。其中TCR由晶閘管功率閥組、補償電抗器、控制器組成，它通過控制2個反并聯晶閘管的導通角，調節與負荷并聯的電抗器電流，產生可變感性無功，從而實現實時無級調整系統無功功率，提高接觸網電壓水平，穩定功率因數。對于電力機車產生的高次諧波也有很好的遏制作用。

TCR補償裝置采用晶閘管作為開關，由于無觸點不存在電弧及噪聲現象，可以頻繁操作，可靠性強；響應時間快（5～20 ms）；可以實現無功功率連續調整。缺點是設備技術要求高；電抗器損耗大；電流波形畸變嚴重，產生諧波（3次諧波電流為電抗器額定電流40%，5次為23%），因此必須加裝FC濾波器裝置加以濾波以使諧波達標。

該裝置可以實現平滑的動態無功補償，適用于負荷變化頻繁的區間以及諧波干擾要求不很嚴格的區間。世界上首例電氣化鐵路無功自動補償系統采用的就是此方案。現在該補償方案技術已普遍應用于國外的電氣化鐵道。

3.4 靜止無功發生器(SVG)

SVG利用交流電抗器將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),如圖3所示，通過直接控制逆變器交流側電流，或對交流側輸出電壓相位和幅值的適當調整,使該電路吸收或發出滿足要求的無功,以達到動態無功補償的目的。

圖3 靜止無功發生器基本原理圖

圖4 TCR原理圖

當系統相電壓有效值保持恒定時,只要控制逆變器輸出相電壓有效值的大小,即可快速、平滑地調節SVG發出(或吸收)的無功功率，靜止無功功率發生器與靜止型動態無功補償裝置(SVC)相比,其調節速度更快、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[4]。

我國現有的牽引變電站普遍使用固定并聯電容方式補償無功，由于牽引負荷空載率高和隨機波動性大，因此過補償和欠補償情況經常發生。可控飽和電抗器不適合空載率高的線路，并且容易產生諧波；TSC型不能實現連續調速，分級越多調速越精密但同時濾波效果越差；TCR+FC型設備要求高，適用于諧波干擾要求不很嚴格的區間；SVG型具有良好的補償特性，但是由于成本造價較高，以及技術不夠完善，因此還未能大規模應用。

表1 無功補償裝置的性能比較

結論。綜合分析幾種無功補償方式，當前比較適合電氣化鐵路的動態無功補償主要是固定濾波器+晶閘管調節電抗器(FC+TCR)。這種方案可以濾除指定次諧波，治理電壓波動，對負荷頻繁波動的區間尤為適用，是一種切實可行且經濟可靠的無功補償方案。另外隨著技術的進步，相信SVG也將成為無功補償的重要發展方向。

[1]蔣政昊.電氣化鐵路功率因數探討[J].上海鐵道科技,2001(4):26～27.

[2]李群湛,賀建閩.牽引供電系統綜合補償技術及其應用[J].電氣化鐵道,1998(3):25-27.

[3]張麗,李群湛.TSC在牽引變電所無功補償中的應用[J].鐵道學報,2000(4):20-23.

[4]賴惠鴿,朱學軍.電氣化鐵道牽引供電系統動態無功補償研究[J].寧夏工程技術,2002(9):182-185.