哈大客運(yùn)專線10 kV 供電系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償方式探討

陳建明

0 引言

客運(yùn)專線10 kV 供電系統(tǒng)無(wú)功功率補(bǔ)償（下文簡(jiǎn)稱無(wú)功補(bǔ)償）是提高供電系統(tǒng)功率因數(shù)，保證供電系統(tǒng)安全，改善電能質(zhì)量的重要手段。10 kV 供電系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償方式一般可分為分散補(bǔ)償、集中補(bǔ)償和分散與集中相結(jié)合的3 種形式。客運(yùn)專線10 kV供電系統(tǒng)偏向采用分散與集中相結(jié)合方式，而分散與集中相結(jié)合方式中又有多種方式。本文就哈大客運(yùn)專線供電系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償方案進(jìn)行分析、比較，提出筆者的一點(diǎn)拙見(jiàn)。

1 哈大客運(yùn)專線10 kV 供電系統(tǒng)分析

普速10 kV 供電系統(tǒng)一般采用架空線路，困難地段采用電纜線路的組網(wǎng)形式，線路的功率因數(shù)呈感性特征，僅在長(zhǎng)大隧道等大量采用電纜的個(gè)別地段其功率因數(shù)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(shù)補(bǔ)償為弱感性。

普速10 kV 供電系統(tǒng)因車流密度較穩(wěn)定，其負(fù)載一般比較穩(wěn)定，受時(shí)間等因素的影響較小。

哈大客運(yùn)專線10 kV 供電系統(tǒng)的特點(diǎn)： 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(lián)銅芯電力電纜，一級(jí)貫通截面為70 mm2，綜合貫通回路截面95 mm2；哈大客運(yùn)專線10 kV 供電系統(tǒng)采用的YJV62 型單芯電纜，耐壓等級(jí)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(fù)荷主要以通訊、信號(hào)、監(jiān)控、通風(fēng)機(jī)、空調(diào)、電梯、水泵、照明等為主，負(fù)荷相對(duì)較輕，且變化較大，供電線路的功率因數(shù)隨負(fù)荷波動(dòng)變化而變化；造成線路對(duì)地容性電流偏大，負(fù)荷端電壓升高。負(fù)荷端電壓升高可能會(huì)影響通信、信號(hào)、監(jiān)控等系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，危及鐵路的安全運(yùn)營(yíng)，且容易造成運(yùn)營(yíng)區(qū)段內(nèi)的用電設(shè)備老化，嚴(yán)重影響其使用壽命；功率因數(shù)低下，加大了電能損耗，不利于節(jié)能降耗。

客運(yùn)專線受車流密度、檢修天窗等影響，其負(fù)載一般不穩(wěn)定。

由于目前客運(yùn)專線10 kV 供電系統(tǒng)使用的無(wú)功補(bǔ)償方案均存在不同程度的瑕疵，在確定哈大客運(yùn)專線10 kV 供電系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償方案時(shí)，仍以探索、驗(yàn)證為出發(fā)點(diǎn)，采用了集中與分散相結(jié)合形式中的TCR+FC 型SVC、TSC+可控投切電抗器型SVC、SVG 3 種動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置。如果無(wú)功補(bǔ)償裝置參數(shù)匹配不當(dāng)，則將使諧波放大，甚至發(fā)生諧振，影響設(shè)備安全和系統(tǒng)穩(wěn)定。

2 無(wú)功補(bǔ)償方案選擇

為保證客運(yùn)專線10 kV 供電系統(tǒng)的功率因數(shù)（包括諧波治理）符合公共電網(wǎng)的相關(guān)規(guī)定，對(duì)客運(yùn)專線10 kV 供電系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償是目前面臨的一個(gè)課題。

（1）電力供電系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑瓌t。10 kV供電系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償在10 kV 側(cè)完成，380 V 供電系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償在380 V 側(cè)完成，以避免變壓器、調(diào)壓器的無(wú)功穿越。

（2）無(wú)功補(bǔ)償整體方案。業(yè)內(nèi)多傾向于采用固定電抗器沿線分散補(bǔ)償（作為防止母線電壓過(guò)高的基本措施）與10 kV 配電所內(nèi)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置集中補(bǔ)償（動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)無(wú)功功率，使系統(tǒng)電壓穩(wěn)定在10 kV 左右）相結(jié)合的方案。該方案可以達(dá)到改善系統(tǒng)側(cè)功率因數(shù)；防止長(zhǎng)距離線路空載末端電壓超出額定電壓；改善運(yùn)營(yíng)區(qū)段內(nèi)電氣設(shè)備的運(yùn)行電氣環(huán)境，阻止過(guò)高電壓對(duì)設(shè)備安全、使用壽命的影響；提高通信、信號(hào)、照明等系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，提高鐵路運(yùn)營(yíng)的安全性；節(jié)能降耗的效果顯著，防止電壓過(guò)高造成額外損耗，防止容性無(wú)功電流造成的額外損耗；在諧波嚴(yán)重的場(chǎng)合，該動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置還能起到抑制諧波的作用，進(jìn)一步減小諧波造成的安全隱患與諧波損耗，避免長(zhǎng)距離電纜線路電容電流引起諧振過(guò)電壓。

（3）固定電抗器的補(bǔ)償率問(wèn)題。固定電抗器的補(bǔ)償率問(wèn)題業(yè)內(nèi)基本有兩種意見(jiàn)：一種認(rèn)為選用固定電抗器補(bǔ)償75%，剩余無(wú)功功率由所內(nèi)無(wú)功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置進(jìn)行補(bǔ)償。另一種提出，100%固定電抗器補(bǔ)償方案，在所內(nèi)無(wú)功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置不用投入使用的前提下，功率因數(shù)已滿足要求；如果后續(xù)負(fù)荷增加，造成過(guò)補(bǔ)，可再由所內(nèi)無(wú)功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置進(jìn)行小范圍的無(wú)功補(bǔ)償。

（4）10 kV 供電系統(tǒng)的無(wú)功實(shí)時(shí)取樣點(diǎn)選擇。哈大客運(yùn)專線10 kV 供電系統(tǒng)用于控制電流補(bǔ)償相位的取樣點(diǎn)選在配電所10 kV 進(jìn)線柜處。

無(wú)功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置以10 kV 母線無(wú)功功率以及母線電壓作為控制目標(biāo)，母線進(jìn)線點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控功率因數(shù)值要求高于0.95。

3 3 種動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置比較

（1）主要結(jié)構(gòu)：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(gè)反并聯(lián)的晶閘管和電抗器串聯(lián)（TCR），5 次濾波電容器組（FC）及控制系統(tǒng)等構(gòu)成；c.SVG 由基于IGBT高頻開(kāi)關(guān)器件的電壓源型逆變器，啟動(dòng)裝置，控制、綜合保護(hù)及監(jiān)測(cè)單元等構(gòu)成。

（2）工作原理：a.TSC+可控投切電抗器型SVC 以10 kV 母線無(wú)功功率作為控制對(duì)象，實(shí)現(xiàn)雙向動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，無(wú)功補(bǔ)償裝置的輸出容量分別為-105～+300 kvar 和-165～ +400 kvar，可實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償步差不大于 15 kvar 的雙向連續(xù)自動(dòng)調(diào)節(jié)；b.TCR+FC 型SVC 可根據(jù)系統(tǒng)電壓/無(wú)功功率的變化情況，自動(dòng)跟蹤，動(dòng)態(tài)投切補(bǔ)償，TCR+FC 型SVC 采集10 kV 母線的電壓、電流信號(hào)，計(jì)算處理后發(fā)出觸發(fā)脈沖，同時(shí)監(jiān)測(cè)晶閘管運(yùn)行狀況，通過(guò)TCR 與FC 的組合，實(shí)現(xiàn)雙向無(wú)功功率的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，自動(dòng)調(diào)節(jié)，補(bǔ)償功率因數(shù)至要求的范圍內(nèi)；c.SVG 動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置以三相大功率電壓逆變器為核心，其輸出電壓通過(guò)連接電抗器接入系統(tǒng)，與系統(tǒng)側(cè)電壓保持同頻、同相，通過(guò)調(diào)節(jié)其輸出電壓幅值與系統(tǒng)電壓幅值的關(guān)系來(lái)確定輸出功率的性質(zhì)與容量，當(dāng)其幅值大于系統(tǒng)側(cè)電壓幅值時(shí)輸出容性無(wú)功功率，反之則輸出感性無(wú)功功率。

SVG 裝置的基本原理就是將自換相橋式電路通過(guò)電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當(dāng)調(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位就可以使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無(wú)功電流，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

（3）補(bǔ)償方式：a.TSC+可控投切電抗器型SVC 控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)晶閘管的開(kāi)斷控制，由低壓電容器組直接發(fā)出無(wú)功功率，補(bǔ)償系統(tǒng)的感性負(fù)荷，如果系統(tǒng)需要補(bǔ)償容性無(wú)功功率，再投入并聯(lián)電抗器補(bǔ)償容性無(wú)功功率，整套裝置能很好滿足補(bǔ)償系統(tǒng)感性、容性無(wú)功功率需要；b.TCR+FC 型SVC 通過(guò)連續(xù)調(diào)節(jié)TCR 回路的感性無(wú)功功率，抵消系統(tǒng)由于并聯(lián)電容器發(fā)出的過(guò)補(bǔ)的容性無(wú)功功率，使裝置輸出功率平滑調(diào)節(jié)，補(bǔ)償系統(tǒng)無(wú)功功率；c.SVG 有4 種可供選擇的補(bǔ)償方式，恒功率因數(shù)（令控制點(diǎn)保持在設(shè)定的功率因數(shù)運(yùn)行），恒無(wú)功功率（令裝置輸出恒定大小的無(wú)功功率，通過(guò)該方式可以測(cè)量裝置跟蹤無(wú)功功率的準(zhǔn)確性和階躍響應(yīng)速度），恒電壓（當(dāng)用戶對(duì)電壓有特殊要求時(shí)可以采用），負(fù)荷補(bǔ)償（可任意選擇補(bǔ)基波無(wú)功功率、補(bǔ)負(fù)序和補(bǔ)諧波，補(bǔ)諧波可選擇2～19 次相應(yīng)諧波次數(shù)的補(bǔ)償功能）。

（4）功率損耗。無(wú)功功率是一種會(huì)在電網(wǎng)中引起損耗的無(wú)用功率，但又是不能缺少的一種功率。SVG 運(yùn)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(yùn)行損耗不超過(guò)0.8%，而SVC 中僅相控電抗器的損耗就達(dá)0.9%～1%，加上晶閘管損耗、濾波支路損耗，總損耗達(dá)到1.2%左右。

（5）諧波特性。SVG 在補(bǔ)償諧波的同時(shí)，只需在補(bǔ)償電流的指令信號(hào)中增加與負(fù)載電流的基波無(wú)功分量反極性的成分，就可以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償負(fù)載無(wú)功功率的目的；其補(bǔ)償電流與負(fù)載電流中的諧波和無(wú)功功率成分相抵消，電源電流等于負(fù)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(duì)背景諧波具備治理能力。SVC 自身產(chǎn)生較大諧波，必須配備各次濾波支路。

4 SVG 優(yōu)缺點(diǎn)分析

（1）SVG 是第三代動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，相對(duì)于第二代的SVC 優(yōu)勢(shì)明顯，SVG 能夠提供從感性到容性連續(xù)、平滑、動(dòng)態(tài)、快速的無(wú)功功率補(bǔ)償；能夠解決負(fù)荷不平衡問(wèn)題；不僅不產(chǎn)生諧波，而且能在補(bǔ)償無(wú)功功率的同時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償諧波；對(duì)系統(tǒng)參數(shù)不敏感，安全性與穩(wěn)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(wú)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(wú)功補(bǔ)償與諧波抑制綜合技術(shù)的發(fā)展方向。

（2）SVG 產(chǎn)品廣泛運(yùn)用遇到的障礙：a.SVG的發(fā)熱量問(wèn)題需要大量的散熱能耗，散熱風(fēng)機(jī)需要長(zhǎng)期不間斷運(yùn)轉(zhuǎn)，調(diào)試難度大，維護(hù)成本高；b.在鐵路運(yùn)行業(yè)績(jī)少，其可靠性有待驗(yàn)證。

SVG 的發(fā)熱量與多個(gè)參數(shù)有關(guān)，如容量、主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、選用的開(kāi)關(guān)器件、開(kāi)關(guān)頻率等，但由于選用的SVG 容量不同，所選器件也不同，在開(kāi)關(guān)頻率相同的情況下，發(fā)熱量并不與裝置容量成正比。以350 kvar SVG 產(chǎn)品為例：根據(jù)器件參數(shù)的計(jì)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(yuǎn)低于IGBT 開(kāi)關(guān)器件的溫度上限，其他行業(yè)采用的SVG產(chǎn)品實(shí)測(cè)結(jié)果在20 K 左右。實(shí)際產(chǎn)品的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)也表明，采用合適的熱管散熱加強(qiáng)制風(fēng)冷，在溫升方面可以絕對(duì)保證器件的安全。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，客運(yùn)專線10 kV 供電系統(tǒng)無(wú)功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方式宜采用固定電抗器沿線分散補(bǔ)償加配電所內(nèi)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置集中補(bǔ)償相結(jié)合的方式。

（1）要充分考慮客運(yùn)專線10 kV 電力系統(tǒng)，由于線路大量采用電纜產(chǎn)生的容性電流和正常情況下負(fù)荷電流較小的工況；以及單相接地保護(hù)靈敏度的前提下而選擇的接地方式。固定電抗器補(bǔ)償量應(yīng)按貫通線路電容量進(jìn)行100%補(bǔ)償。如后續(xù)負(fù)載功率因數(shù)變化，可通過(guò)投切分散設(shè)置的固定電抗器數(shù)量進(jìn)行較大范圍的無(wú)功補(bǔ)償調(diào)節(jié)，或由所內(nèi)的SVG 進(jìn)行小范圍的無(wú)功補(bǔ)償調(diào)節(jié)。

（2）SVG 與SVC 對(duì)比，是一種較為先進(jìn)的靜止型自換相變流電路的無(wú)功補(bǔ)償裝置。SVG 型動(dòng)態(tài)補(bǔ)償可以實(shí)現(xiàn)雙向補(bǔ)償，而且補(bǔ)償精度高，且不發(fā)生諧振，在既有技術(shù)條件下，采用SVG 是一種較為理想的無(wú)功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方案。如哈大客運(yùn)專線采用的SVG 運(yùn)行效果良好，輔以其他行業(yè)的SVG運(yùn)行業(yè)績(jī)，可證明其可靠性滿足客運(yùn)專線的要求。

（3）在關(guān)注SVC 和SVG 無(wú)功補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)，還應(yīng)關(guān)注電力系統(tǒng)及其他行業(yè)對(duì)其他各種形式的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)难芯浚ㄈ珈o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(tǒng)一潮流控制器等），以便進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)客運(yùn)專線10 kV 供電系統(tǒng)的控制能力，提高客運(yùn)專線10 kV 供電系統(tǒng)的輸電能力。