SVG 裝置在神朔鐵路萬噸列車擴能 改造工程中的應用

周少飛

（神華神朔鐵路分公司，陜西 榆林 719300）

0 引言

神朔鐵路主要采用“韶山”系列直流電力機車作為主流牽引機車，該系列機車通常采用多段式半控橋整流，通過調節晶閘管導通角來實現機車牽引力、制動力的調節。直流機車會導致3、5、7 等低次諧波含量大、功率因數低、無功沖擊大、三相不平衡等電能質量問題。現階段，神朔主要通過在牽引變電所安裝無功補償裝置來改善此類電能質量問題。

近年來隨著國家經濟建設的快速發展，對鐵路運輸提出高速、重載的實際需求，以交流傳動為核心技術的電力機車和動車組已獲得廣泛的應用，神朔公司也于2012 年逐步采用了八軸、十二軸的“神華號”交流機車來作為提升運能的重要舉措，并取得了不錯的成效。由于交流機車采用了PWM 變流技術，機車電流均為正弦波，網側的功率因數一般大于0.96。然而，交流機車帶來新的電能質量問題，主要體現在：

1）諧波總含量小，但是諧波的頻譜分布非常寬，帶來許多不利影響。這帶來許多不利影響，諧波頻譜寬容易使系統參數滿足一定條件下發生并聯諧振，將相應次數的諧波電流成倍放大，導致避雷器爆炸、絕緣子擊穿、變電站交直屏燒損等。其中發生概率較高的典型危害事件是：在交流車和直流車混跑的線路上，高次諧波使直流機車RC 回路的電阻經常燒損。神朔公司近年來在朱蓋塔、神木北等區段出現此類故障的次數較多，已影響到整車運輸組織。

2）導致牽引網電壓低頻振蕩。當多臺交流機車同時運行時，將出現機車與牽引網產生電壓低頻振蕩，使機車保護跳閘。嚴重影響鐵路的正常運輸，給鐵路帶來巨大的經濟損失。

3）加劇三相不平衡。交流機車相比于直流機車的單機功率更大，因此產生大量的負序電流，加劇了電網的三相不平衡。

現有的改善措施有改善牽引負荷（包括電力機車、牽引變壓器和牽引變電站），裝設補償裝置（包括靜態無功補償、可調無功補償、有源濾波和靜止無功補償）[1]。從實際工程應用上來看，采用靜止無功補償裝置（SVG）比較容易實現。

1 SVG 裝置介紹

1.1 拓撲結構

在神朔鐵路萬噸列車擴能改造工程中共需要兩套27.5 kV 的SVG 裝置，采用背靠背的方式連接。每套SVG 額定輸出容量為±2.5 MVA。

在補償系統中分為主站（左側SVG）與從站（右側SVG），分別通過2 個降壓變壓器連接于兩供電臂，再通過1 個共用的直流電容連接在一起，直流電容給兩套SVG 提供直流電壓。通過合適的控制方法，聯合兩套SVG 實現有功功率從一供電臂轉移至另一供電臂，同時能各自進行無功與諧波補償，實現負序和諧波補償功能[2-3]。

SVG 裝置采用兩電平功率單元并聯多重化的方式實現大容量和低開關紋波，系統的主站和從站采用直流母線互聯的形式構成整體結構。系統組成見圖1。

圖1 補償系統組成圖 Fig. 1 Composition diagram of compensation system

1.2 工作原理

SVG 裝置工作原理如圖2 所示，iα、iβ為V/V 牽引變壓器副邊電流，iLα、iLβ分別為α 相與β 相供電臂有機車負載電流，icα、icβ分別為α 相與β 相的SVG 補償電流。

圖2 工作原理圖 Fig. 2 Working principle diagram

UA、UB、UC為牽引變壓器原邊電壓，Uα、Uβ為牽引變壓器副邊電壓，其相角相差π/3。電壓矢量關系如下圖3 所示。

以α 相為例，iα、icα 與iLα 這三種電流關系如下：

iLα=iα+icα

圖3 電壓矢量關系圖 Fig. 3 Voltage vector diagram

電氣化鐵路牽引負荷一般為交直交電力機車，采取四象限脈寬調制(pulse width modulation， PWM)脈沖整流控制方式，功率因數接近1。負載電流iLα 可以分解為有功電流idα、無功電流iqα 與諧波電流ihα 等電流分量，如下式所示：

iLα=idα+iqα+ihα

而此時α、β 兩相中需要轉移的電流計算公式如下：

iL=|iLα-iLβ|/2

當電流從重載側轉移到輕載側后，此時兩橋臂電流的幅值分別為Iα'和Iβ'，其幅值相等，相角相差π/3，電流不平衡度為50%。再通過在α 橋臂補償一定的容性無功電流iqα，使α 相電流相位超前該相橋臂電壓相位π/6，而在β 橋臂補償一定的感性無功電流iqβ，使電流相位滯后該橋臂電壓相位π/6，如圖4 所示[4]。

圖4 補償原理圖 Fig. 4 Compensation principle diagram

這樣補償之后得到的兩橋臂電流iα、iβ 分別與原邊A、B 兩相電流重合，此時兩相相角相差2π/ 3。補償后的原邊三相電流完全對稱，負序電流為0，并且可推知原邊三相功率因數都為1，此時就到達了綜合補償的目的[4]。

從以上結論可以看出，只要能實時地檢測出負載電流中各電流分量，通過SVG 設備輸出相應的補償電流，就可以實現無功、負序以及諧波電流補償。

下面以α 相為例，對各種工況下的電流補償原理進行具體分析。

當icα=iqα 時，SVG 實現無功補償功能，此時電網電流：

iα=idα+ihα

當icα=ihα 時，SVG 實現諧波補償功能，此時電網電流：

iα=idα+iqα

而補償負序電流時，UPQC 的主站和從站通過互聯的直流母線構成一個有機整體，通過公共直流母線實現兩供電橋臂的有功功率融通，實現兩供電橋臂電流基本平衡，從而完成負序電流補償功能。

最后以一種極端工況舉例說明。當α 相供電臂有列車通過，而β 相供電臂無列車，在無SVG 設備補償時理論上可以認為：

iLβ=iβ=0

但是

iLα≠0

此時兩相電流差距很大，兩個供電臂的電流嚴重不平衡，110kV 側電網電流就會出現三相不對稱，系統中又因為含有較大負序電流，會造成電網電壓不平衡，嚴重影響到電網的電能質量[5]。如果增加SVG 補償設備，則通過控制可以實現：

icα=12iLα=-icβ=iβ

那么

iα=iβ=12iLα

可見在使用SVG 設備補償后，在這種極端情況下，也可以實現使110kV 電網側的三相電流達到平衡。

1.3 控制策略

SVG 裝置的控制框架如圖5 所示，其中，負載電流iL又可分解為有功電流id、無功電流iq以及諧波電流ih等電流分量。

由于系統為單相，將系統負載電流分別移相120°和240°構造出三相負載電流，如圖6 所示。

應用三相系統瞬時功率理論對負載電流的有功、無功和諧波分量分別進行檢測；根據檢測的負載電流的有功、無功和諧波分量及系統的補償要求生成系統電流控制的參考信號[6]。

在無功和諧波電流補償方面，系統的主站和從站分別檢測各自的電網電壓、電網電流，通過控制器計算得出補償點的無功電流和諧波電流分量，再 通過控制系統控制使補償系統輸出相應的補償電流，從而實現無功和諧波電流補償。

圖6 虛擬三相電流構造方法 Fig. 6 Virtual three-phase current construction method

在負序電流補償方面，系統的主站和從站分別檢測各自的電網電壓、電網電流和對方的電網電壓、電網電流，控制系統通過計算和控制使補償設備通過公共直流母線在主站和從站之間實現有功功率轉移，實現負序電流補償[7-8]。

2 補償效果分析

下面根據神朔鐵路現場的工況對SVG 投運前后的電流進行分析對比，驗證SVG 裝置的補償效果。

2.1 無功與負序電流治理

在第一種工況下，負載中只存在無功與負序電流，α 相供電臂與β 相供電臂的電流有效值分別為2291A、1145A。變壓器二次側電流波形如下圖7所示。

此時，網側（變壓器一次側）電流波形如下圖8 所示，A、B、C 三相電流有效值分別為573A、286A、757A。

圖7 補償前變壓器二次側電流波形 Fig. 7 Transformer current waveform on secondary side before compensation

圖8 補償前網側電流波形 Fig. 8 Current waveform on network side before compensation

可以看到，在SVG 裝置沒投入運行前，變壓器一次側與二次側都存在不平衡電流。

當SVG 裝置投入運行后，這種情況會得到有效改善，此時變壓器二次側電流波形如下圖9 所示，α 相與β 相的電流有效值都為198A。

補償后的網側（變壓器一次側）電流波形如下圖10 所示，A、B、C 三相電流有效值都為496A。

α 相與β 相的兩套SVG 裝置的輸出波形如下圖11 所示， 電流有效值都為114A。

圖9 補償后變壓器二次側電流波形 Fig. 9 Transformer current waveform on secondary side after compensation

圖10 補償后網側電流波形 Fig. 10 Current waveform on network side after compensation

圖11 SVG 輸出電流波形 Fig. 11 SVG output current waveform

從實驗結果來看，SVG 裝置可以有效補償符合中的無功與不平衡電流。

2.2 諧波電流治理

在第二種工況下，負載中除了無功與負序電流，α 相還存在7 次諧波電流,諧波有效值為353A，波形如下圖12、13 所示。

圖12 補償前變壓器二次側電流波形 Fig. 12 Transformer current waveform on secondary side before compensation

圖13 補償前變壓器二次側電流FFT 變換 Fig. 13 Transformer current FFT transformation on secondary side before compensation

此時網側（變壓器一次側）電流波形如下圖14、 15 所示，A、C 兩相電流含有7 次諧波，諧波有效值為88A。

圖14 補償前網側電流波形 Fig. 14 Current waveform on network side before compensation

圖15 補償前網側電流FFT 變換 Fig. 15 Current FFT transformation on network side before compensation

可以看到，在SVG 裝置沒投入運行前，變壓器一次側與二次側都存在不平衡與諧波電流。

在SVG 裝置投入運行后，再來觀察變壓器二次側電流波形如下圖16、17 所示，α 相電流基本上沒有諧波分量，FFT 運算后分析，補償后的變壓器二次側電流中7 次諧波分量有效值從336A 變成17A。

圖16 補償后變壓器二次側電流波形 Fig. 16 Transformer current waveform on secondary side after compensation

圖17 補償后變壓器二次側電流FFT 變換 Fig. 17 Transformer current FFT transformation on secondary side after compensation

補償后的網側（變壓器一次側）電流波形如下圖18 19 所示，A、B、C 三相電流達到平衡，并且沒有諧波分量。

圖18 補償后網側電流波形 Fig. 18 Current waveform on network side after compensation

圖19 補償后網側電流波形FFT 變換 Fig. 19 FFT transform of current waveform on network side after compensation

α 相與β 相的兩套SVG 裝置的輸出波形如下圖20、21 所示，電流有效值都為114A。

圖20 SVG 輸出電流波形 Fig. 20 SVG output current waveform

從實驗數據分析可以看到，SVG 裝置對負載中的諧波電流也有補償效果，從而實現對鐵路負荷的電能質量綜合治理。

圖21 SVG 輸出電流波形FFT 變換 Fig. 21 FFT transform of SVG output current waveform

3 結論

電氣化鐵路是當前我國重點發展的交通方式，它已顯示出無比的優越性。但是電氣化鐵路的牽引負荷會產生大量干擾，嚴重降低電網的電能質量。在神朔鐵路萬噸列車擴能改造工程中通過接入SVG 裝置，對負載側的無功、負序與諧波電流進行補償后能夠有效的解決這一問題。