哈大客運專線10 kV 供電系統無功補償方式探討

陳建明

0 引言

客運專線10 kV 供電系統無功功率補償（下文簡稱無功補償）是提高供電系統功率因數，保證供電系統安全，改善電能質量的重要手段。10 kV 供電系統無功補償方式一般可分為分散補償、集中補償和分散與集中相結合的3 種形式。客運專線10 kV供電系統偏向采用分散與集中相結合方式，而分散與集中相結合方式中又有多種方式。本文就哈大客運專線供電系統無功補償方案進行分析、比較，提出筆者的一點拙見。

1 哈大客運專線10 kV 供電系統分析

普速10 kV 供電系統一般采用架空線路，困難地段采用電纜線路的組網形式，線路的功率因數呈感性特征，僅在長大隧道等大量采用電纜的個別地段其功率因數呈容性特征，一般在供電回路沿線采用固定電抗器分散式一次性將線路功率因數補償為弱感性。

普速10 kV 供電系統因車流密度較穩定，其負載一般比較穩定，受時間等因素的影響較小。

哈大客運專線10 kV 供電系統的特點： 10 kV配電所饋出的貫通回路，供電距離大約為50～60 km；采用非磁鎧裝單芯交聯銅芯電力電纜，一級貫通截面為70 mm2，綜合貫通回路截面95 mm2；哈大客運專線10 kV 供電系統采用的YJV62 型單芯電纜，耐壓等級8.7/10 kV，截面為70 mm2的單芯電纜電容電流為0.599 8 A/km，95 mm2的單芯電纜電容電流為0.659 1 A/km。

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而變化；造成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，且容易造成運營區段內的用電設備老化，嚴重影響其使用壽命；功率因數低下，加大了電能損耗，不利于節能降耗。

客運專線受車流密度、檢修天窗等影響，其負載一般不穩定。

由于目前客運專線10 kV 供電系統使用的無功補償方案均存在不同程度的瑕疵，在確定哈大客運專線10 kV 供電系統無功補償方案時，仍以探索、驗證為出發點，采用了集中與分散相結合形式中的TCR+FC 型SVC、TSC+可控投切電抗器型SVC、SVG 3 種動態無功補償裝置。如果無功補償裝置參數匹配不當，則將使諧波放大，甚至發生諧振，影響設備安全和系統穩定。

2 無功補償方案選擇

為保證客運專線10 kV 供電系統的功率因數（包括諧波治理）符合公共電網的相關規定，對客運專線10 kV 供電系統進行無功補償是目前面臨的一個課題。

（1）電力供電系統無功補償的原則。10 kV供電系統的無功補償在10 kV 側完成，380 V 供電系統的無功補償在380 V 側完成，以避免變壓器、調壓器的無功穿越。

（2）無功補償整體方案。業內多傾向于采用固定電抗器沿線分散補償（作為防止母線電壓過高的基本措施）與10 kV 配電所內動態補償裝置集中補償（動態實時補償系統無功功率，使系統電壓穩定在10 kV 左右）相結合的方案。該方案可以達到改善系統側功率因數；防止長距離線路空載末端電壓超出額定電壓；改善運營區段內電氣設備的運行電氣環境，阻止過高電壓對設備安全、使用壽命的影響；提高通信、信號、照明等系統的運行穩定性，提高鐵路運營的安全性；節能降耗的效果顯著，防止電壓過高造成額外損耗，防止容性無功電流造成的額外損耗；在諧波嚴重的場合，該動態補償裝置還能起到抑制諧波的作用，進一步減小諧波造成的安全隱患與諧波損耗，避免長距離電纜線路電容電流引起諧振過電壓。

（3）固定電抗器的補償率問題。固定電抗器的補償率問題業內基本有兩種意見：一種認為選用固定電抗器補償75%，剩余無功功率由所內無功動態補償裝置進行補償。另一種提出，100%固定電抗器補償方案，在所內無功動態補償裝置不用投入使用的前提下，功率因數已滿足要求；如果后續負荷增加，造成過補，可再由所內無功動態補償裝置進行小范圍的無功補償。

（4）10 kV 供電系統的無功實時取樣點選擇。哈大客運專線10 kV 供電系統用于控制電流補償相位的取樣點選在配電所10 kV 進線柜處。

無功動態補償裝置以10 kV 母線無功功率以及母線電壓作為控制目標，母線進線點的實時監控功率因數值要求高于0.95。

3 3 種動態無功補償裝置比較

（1）主要結構：a.TSC+可控投切電抗器型SVC 由控制柜，變壓器柜，電抗器柜組成；b.TCR+FC 型SVC 由降壓變壓器，2 個反并聯的晶閘管和電抗器串聯（TCR），5 次濾波電容器組（FC）及控制系統等構成；c.SVG 由基于IGBT高頻開關器件的電壓源型逆變器，啟動裝置，控制、綜合保護及監測單元等構成。

（2）工作原理：a.TSC+可控投切電抗器型SVC 以10 kV 母線無功功率作為控制對象，實現雙向動態補償，無功補償裝置的輸出容量分別為-105～+300 kvar 和-165～ +400 kvar，可實現補償步差不大于 15 kvar 的雙向連續自動調節；b.TCR+FC 型SVC 可根據系統電壓/無功功率的變化情況，自動跟蹤，動態投切補償，TCR+FC 型SVC 采集10 kV 母線的電壓、電流信號，計算處理后發出觸發脈沖，同時監測晶閘管運行狀況，通過TCR 與FC 的組合，實現雙向無功功率的動態補償，自動調節，補償功率因數至要求的范圍內；c.SVG 動態無功補償裝置以三相大功率電壓逆變器為核心，其輸出電壓通過連接電抗器接入系統，與系統側電壓保持同頻、同相，通過調節其輸出電壓幅值與系統電壓幅值的關系來確定輸出功率的性質與容量，當其幅值大于系統側電壓幅值時輸出容性無功功率，反之則輸出感性無功功率。

SVG 裝置的基本原理就是將自換相橋式電路通過電抗器并聯在電網上，適當調節橋式電路交流側輸出電壓的幅值和相位就可以使該電路吸收或者發出滿足要求的無功電流，實現動態無功補償的目的。

（3）補償方式：a.TSC+可控投切電抗器型SVC 控制系統通過對晶閘管的開斷控制，由低壓電容器組直接發出無功功率，補償系統的感性負荷，如果系統需要補償容性無功功率，再投入并聯電抗器補償容性無功功率，整套裝置能很好滿足補償系統感性、容性無功功率需要；b.TCR+FC 型SVC 通過連續調節TCR 回路的感性無功功率，抵消系統由于并聯電容器發出的過補的容性無功功率，使裝置輸出功率平滑調節，補償系統無功功率；c.SVG 有4 種可供選擇的補償方式，恒功率因數（令控制點保持在設定的功率因數運行），恒無功功率（令裝置輸出恒定大小的無功功率，通過該方式可以測量裝置跟蹤無功功率的準確性和階躍響應速度），恒電壓（當用戶對電壓有特殊要求時可以采用），負荷補償（可任意選擇補基波無功功率、補負序和補諧波，補諧波可選擇2～19 次相應諧波次數的補償功能）。

（4）功率損耗。無功功率是一種會在電網中引起損耗的無用功率，但又是不能缺少的一種功率。SVG 運行損耗低，主要是連接電抗器或變壓器損耗和IGBT 損耗，成套裝置的運行損耗不超過0.8%，而SVC 中僅相控電抗器的損耗就達0.9%～1%，加上晶閘管損耗、濾波支路損耗，總損耗達到1.2%左右。

（5）諧波特性。SVG 在補償諧波的同時，只需在補償電流的指令信號中增加與負載電流的基波無功分量反極性的成分，就可以實現補償負載無功功率的目的；其補償電流與負載電流中的諧波和無功功率成分相抵消，電源電流等于負載電流的基波有功功率分量；SVG 在不需要增加濾波支路情況下，對背景諧波具備治理能力。SVC 自身產生較大諧波，必須配備各次濾波支路。

4 SVG 優缺點分析

（1）SVG 是第三代動態無功補償裝置，相對于第二代的SVC 優勢明顯，SVG 能夠提供從感性到容性連續、平滑、動態、快速的無功功率補償；能夠解決負荷不平衡問題；不僅不產生諧波，而且能在補償無功功率的同時動態補償諧波；對系統參數不敏感，安全性與穩定性好，能有效地避免并且抑制諧波電壓放大及諧振。SVG 是電流源特性，輸出無功電流不受母線電壓影響，而SVC 是阻抗型特性，輸出電流隨母線電壓線性降低。SVG 是今后無功補償與諧波抑制綜合技術的發展方向。

（2）SVG 產品廣泛運用遇到的障礙：a.SVG的發熱量問題需要大量的散熱能耗，散熱風機需要長期不間斷運轉，調試難度大，維護成本高；b.在鐵路運行業績少，其可靠性有待驗證。

SVG 的發熱量與多個參數有關，如容量、主電路拓撲結構、選用的開關器件、開關頻率等，但由于選用的SVG 容量不同，所選器件也不同，在開關頻率相同的情況下，發熱量并不與裝置容量成正比。以350 kvar SVG 產品為例：根據器件參數的計算，總損耗控制在7 kW 左右，所選用的熱管散熱器能夠滿足散熱面溫升小于30 K，遠低于IGBT 開關器件的溫度上限，其他行業采用的SVG產品實測結果在20 K 左右。實際產品的運行經驗也表明，采用合適的熱管散熱加強制風冷，在溫升方面可以絕對保證器件的安全。

5 結束語

綜上所述，客運專線10 kV 供電系統無功功率動態補償方式宜采用固定電抗器沿線分散補償加配電所內動態補償裝置集中補償相結合的方式。

（1）要充分考慮客運專線10 kV 電力系統，由于線路大量采用電纜產生的容性電流和正常情況下負荷電流較小的工況；以及單相接地保護靈敏度的前提下而選擇的接地方式。固定電抗器補償量應按貫通線路電容量進行100%補償。如后續負載功率因數變化，可通過投切分散設置的固定電抗器數量進行較大范圍的無功補償調節，或由所內的SVG 進行小范圍的無功補償調節。

（2）SVG 與SVC 對比，是一種較為先進的靜止型自換相變流電路的無功補償裝置。SVG 型動態補償可以實現雙向補償，而且補償精度高，且不發生諧振，在既有技術條件下，采用SVG 是一種較為理想的無功動態補償方案。如哈大客運專線采用的SVG 運行效果良好，輔以其他行業的SVG運行業績，可證明其可靠性滿足客運專線的要求。

（3）在關注SVC 和SVG 無功補償的同時，還應關注電力系統及其他行業對其他各種形式的動態無功補償的研究（如靜止變流器，包括堵流型自換相橋式電路，交-交變頻電路以及交流斬波電路，統一潮流控制器等），以便進一步增強對客運專線10 kV 供電系統的控制能力，提高客運專線10 kV 供電系統的輸電能力。