基于SVG無(wú)功補(bǔ)償?shù)碾娔苜|(zhì)量綜合治理技術(shù)研究

戴麗君，成明華

（1.南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 鐵道供電系，南京 210031；2.中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司 南京供電段，南京210015）

0 引言

隨著鐵路建設(shè)的飛速發(fā)展，長(zhǎng)大電纜在鐵路供電系統(tǒng)中得到大量應(yīng)用，長(zhǎng)距離的電纜敷設(shè)產(chǎn)生了大量的容性負(fù)荷，造成系統(tǒng)在低負(fù)荷情況下呈容性狀態(tài)，功率因數(shù)低，導(dǎo)致供電部門的力率罰款；同時(shí)，隨著站房照明內(nèi)大量的整流器、直流屏、LED 照明燈和變頻扶梯等設(shè)備的接入，系統(tǒng)中的諧波成分復(fù)雜化，對(duì)系統(tǒng)安全性也帶來(lái)很大的隱患，特別是對(duì)信號(hào)和數(shù)據(jù)傳輸帶來(lái)安全隱患。另外，傳統(tǒng)補(bǔ)償方式接入系統(tǒng)后會(huì)改變系統(tǒng)特征阻抗，可能在系統(tǒng)負(fù)載變換，參數(shù)變換時(shí)引起諧振現(xiàn)象，在保護(hù)和監(jiān)控措施不到位的情況下會(huì)帶來(lái)致命故障。因此，研制開(kāi)發(fā)基于DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）和IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）的智能化無(wú)功和諧波治理裝置，不僅能夠?qū)崟r(shí)根據(jù)系統(tǒng)的無(wú)功需求和諧波情況進(jìn)行補(bǔ)償和治理，同時(shí)又能夠與原有的后臺(tái)和監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化控制，實(shí)時(shí)將運(yùn)行數(shù)據(jù)和狀態(tài)上傳，縮短通訊中斷故障時(shí)間。既能節(jié)約人力、物力成本，又能提高設(shè)備巡檢質(zhì)量，提高供電可靠性。

1 高鐵供電SVG無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)的構(gòu)成

1）IGBT 逆變器設(shè)備對(duì)直流電壓進(jìn)行逆變轉(zhuǎn)換為交流電壓，通過(guò)控制逆變后交流電壓的頻率、幅度以及相位，進(jìn)行無(wú)功調(diào)節(jié)和濾波。

2）直流電容器提供直流電壓（相當(dāng)于調(diào)相機(jī)的激勵(lì)裝置），同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)平波功能。

3）控制和保護(hù)監(jiān)控集成系統(tǒng)可以對(duì)系統(tǒng)的電壓和無(wú)功功率變化進(jìn)行快速檢測(cè)，并計(jì)算設(shè)備所需提供的無(wú)功容量，進(jìn)而產(chǎn)生和分配觸發(fā)脈沖，對(duì)于整個(gè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)分級(jí)分類保護(hù)。

4）監(jiān)控單元可監(jiān)控設(shè)備的系統(tǒng)狀態(tài)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，也可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊功能。

5）實(shí)現(xiàn)電氣隔離可通過(guò)連接電抗器實(shí)現(xiàn)，可提高系統(tǒng)安全性，抑制逆變器連接到電網(wǎng)，防止電流突然變化，實(shí)現(xiàn)電流平波[1]。

2 SVG無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

2.1 本成果的主要技術(shù)指標(biāo)

1）額定工作電壓：400V，690V，6kV，10kV，27.5kV，35kV。

2）額定容量：±1Mvar ～±100Mvar。

輸出無(wú)功范圍：感性額定無(wú)功到容性額定無(wú)功范圍內(nèi)連續(xù)變化。

3）響應(yīng)時(shí)間：≤5ms。

4）過(guò)載能力：1.2 倍過(guò)載1min。

5）輸出電壓總諧波畸變率（并網(wǎng)前）：≤5%。6）輸出電流總諧波畸變率THD：≤3%。

7）系統(tǒng)電壓不平衡保護(hù)，整定范圍：4%～10%。8）效率：額定運(yùn)行工況≥99.2%。

2.2 與國(guó)內(nèi)外同類技術(shù)比較，本成果的主要技術(shù)參數(shù)更為優(yōu)異，主要體現(xiàn)在：

1）快速性好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間≤5ms。

2）無(wú)功補(bǔ)償容量很大時(shí)，輸出電流諧波（THD）≤3%。

3）有多種運(yùn)行模式：恒裝置無(wú)功功率模式、恒考核點(diǎn)無(wú)功功率模式、恒考核點(diǎn)功率因數(shù)模式、恒考核點(diǎn)電壓模式、負(fù)載補(bǔ)償模式，可滿足多種系統(tǒng)的需求，同時(shí)對(duì)于目標(biāo)值可以進(jìn)行實(shí)時(shí)更改。

4）對(duì)輸出負(fù)荷進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤檢測(cè)，從而能夠?qū)ο到y(tǒng)無(wú)功功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，既能增加系統(tǒng)功率因數(shù)也對(duì)諧波濾波，改善了整個(gè)電網(wǎng)的供電質(zhì)量[2]。

5）能夠提高電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性，減少母線電壓閃變情況。

6） 系統(tǒng)主電路是利用由IGBT 構(gòu)成的H 橋鏈?zhǔn)酱?lián)形式，每相是多個(gè)相同功率單元組成，波形是PWM（脈沖寬度調(diào)制）脈沖疊加產(chǎn)生的階梯波，濾波后波形接近正弦波。

7）系統(tǒng)基于冗余性設(shè)計(jì)和模塊化設(shè)計(jì)，運(yùn)行靈活方便，且可靠性高。

8）系統(tǒng)的功率電路采用模塊化設(shè)計(jì)的思想，可拓展性和可維護(hù)性高。

9）具有功能完善的保護(hù)系統(tǒng)，例如欠電壓、過(guò)電壓、單元模塊過(guò)熱、過(guò)電流、電壓不均等保護(hù)，故障錄波功能更能便于故障點(diǎn)的確定，減少了維護(hù)時(shí)間，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。

10）具有良好的人機(jī)界面，數(shù)據(jù)通訊方面有串口RS485 標(biāo)準(zhǔn)，以太網(wǎng)接口協(xié)議，Modbus（串行通信協(xié)議）。界面能夠?qū)?shù)字量和模擬量進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)還具有對(duì)運(yùn)行歷史事件記錄和查詢、系統(tǒng)信息查詢、歷史故障查詢、單元狀態(tài)監(jiān)控等功能，一鍵開(kāi)關(guān)機(jī)、分時(shí)控制、送電系統(tǒng)自檢、示波器（AD 通道強(qiáng)制錄波）、記錄故障電壓波形等額外功能也是一應(yīng)俱全。

11）避免了合閘涌流、電弧重燃的問(wèn)題，在投切前不需要進(jìn)行放電，操作簡(jiǎn)便。

12）與電網(wǎng)連接十分方便，系統(tǒng)的相序問(wèn)題不會(huì)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生影響。

13）裝置采用并聯(lián)安裝，外部拓展性好，光纖通訊保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性從而能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償。

在目前國(guó)內(nèi)檢索范圍內(nèi)，同時(shí)具有上述特點(diǎn)的供電網(wǎng)電能質(zhì)量綜合治理技術(shù)，未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。

通過(guò)以上對(duì)比，可見(jiàn)本成果無(wú)功輸出容量可根據(jù)運(yùn)營(yíng)需求配置，響應(yīng)時(shí)間優(yōu)于其它設(shè)備廠家，并且在同等容量輸出條件下，損耗也較低，大大節(jié)約了運(yùn)行成本。在設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上更為緊湊，同等容量下占地面積更小，能夠適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境空間要求，節(jié)約了土建成本。

3 高鐵供電SVG無(wú)功補(bǔ)償工作原理

IFTANGLE（靜止無(wú)功發(fā)生器）——是當(dāng)今無(wú)功補(bǔ)償領(lǐng)域最新技術(shù)的代表，屬于靈活柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）的重要組成部分。IFTANGLE(G)并聯(lián)于電網(wǎng)中，相當(dāng)于一個(gè)可控的無(wú)功電流源，其無(wú)功電流可以快速地跟隨負(fù)荷無(wú)功電流的變化而變化，自動(dòng)補(bǔ)償電網(wǎng)系統(tǒng)所需無(wú)功功率，對(duì)電網(wǎng)無(wú)功功率實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償。

IFTANGLE(G)則是改變電抗器兩端的電壓降，其工作原理如圖1 所示。

圖1 高鐵供電SVG無(wú)功補(bǔ)償工作原理Fig.1 Principles of working for reactive compensation for high-speed rail power supply SVG

表1 與相應(yīng)系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)對(duì)比及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力Table 1 Comparison of competitive advantage and market competitiveness with the corresponding system

4 關(guān)鍵技術(shù)

1）基于MMC 的供電網(wǎng)電能質(zhì)量綜合治理裝置使用高頻的電力電子開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率的補(bǔ)償，裝置同時(shí)采用模塊均壓控制技術(shù)和反饋加前饋的控制策略，保證控制方面安全可靠。

圖2 功率柜的模塊化單元排布Fig.2 Modular unit arrangement of power cabinets

2）通過(guò)PWM 脈寬調(diào)制技術(shù)改變輸出電壓的大小與相位，來(lái)提供系統(tǒng)所需的無(wú)功。

3）系統(tǒng)適用范圍廣，400V ～35kV 電壓等級(jí)，在同行業(yè)首先實(shí)現(xiàn)了柜式功率單元的設(shè)計(jì)，即殼體不帶有高電壓。此設(shè)計(jì)更有利于設(shè)備的安裝與運(yùn)行，方便檢修與維護(hù)，保證了人身安全。

4）根據(jù)負(fù)載的變化，實(shí)時(shí)跟蹤檢測(cè)系統(tǒng)無(wú)功和諧波變化，實(shí)現(xiàn)容性無(wú)功和感性無(wú)功的自動(dòng)補(bǔ)償，對(duì)系統(tǒng)中任何擾動(dòng)的響應(yīng)時(shí)間小于5ms。

5）具有一定的濾波功能，能夠有效地濾除19 次以下的諧波電流。

6）是基于以太網(wǎng)的智能設(shè)備，可以通過(guò)公共以太網(wǎng)或是專用光纜進(jìn)行組網(wǎng)，利用近場(chǎng)紅外感應(yīng)技術(shù)、wifi 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使得設(shè)備終端實(shí)時(shí)獲取裝置的信息并加以控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制與監(jiān)測(cè)；也能夠上傳接入既有的后臺(tái)控制和監(jiān)測(cè)，真正實(shí)現(xiàn)信息化、自動(dòng)化和智能化的控制。

7）鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的MMC 補(bǔ)償裝置減小了設(shè)備占地面積，降低了設(shè)備成本，同時(shí)由于不需要連接多重化逆變變壓器，所以完全可以避免變壓器勵(lì)磁電路帶來(lái)的由剩磁和飽和非線性產(chǎn)生的過(guò)電壓和過(guò)電流問(wèn)題。當(dāng)前，分相控制鏈?zhǔn)诫娐房梢詫?shí)現(xiàn)更可靠的電壓支持，能有效地降低系統(tǒng)受到擾動(dòng)時(shí)帶來(lái)的影響。

8）補(bǔ)償裝置是獨(dú)立的部件，不影響其他的設(shè)備運(yùn)行，也不會(huì)受到其他設(shè)備的影響，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)十分不敏感，沒(méi)有諧振的風(fēng)險(xiǎn)，與既有的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備可以組網(wǎng)運(yùn)行，具有自動(dòng)旁路功能。

5 實(shí)際應(yīng)用案例

鐵路泰州變電所于2016 年投入基于MMC 動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償，目前使用良好，利用數(shù)字信號(hào)處理器作為主要控制核心，采用基于瞬時(shí)無(wú)功理論的控制策略，實(shí)時(shí)采集模擬量，通過(guò)高速計(jì)算和分析能力，將無(wú)功成分和諧波成分分離出來(lái)，然后通過(guò)控制基于大容量IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）的電力電子變流器，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)無(wú)功的補(bǔ)償與諧波治理。變流器采用級(jí)聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)，通過(guò)基于標(biāo)準(zhǔn)載波移相技術(shù)的SPWM(正弦波脈寬調(diào)制技術(shù))進(jìn)行調(diào)制發(fā)波，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)整體響應(yīng)速度的快速性和波形的高質(zhì)量可控性，其對(duì)系統(tǒng)擾動(dòng)的響應(yīng)時(shí)間小于5ms，擾動(dòng)發(fā)生的初期，快速的無(wú)功響應(yīng)能夠?qū)⑾到y(tǒng)發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)控制在可控范圍。

以該成果掛網(wǎng)運(yùn)營(yíng)的泰州變電所數(shù)據(jù)為例：

1）成果掛網(wǎng)前，泰州變電所罰款情況

泰州變電所2015 年10 月份開(kāi)始，由于力率不達(dá)標(biāo)被供電局罰款，從2015 年10 月份至2016 年9 月份，泰州變電所12 個(gè)月共計(jì)罰款33650 元；2016 年10 月份泰州-揚(yáng)州貫通線轉(zhuǎn)揚(yáng)州所主供，期間泰州所罰款4800 元，揚(yáng)州所罰款27600 元。累計(jì)罰款66050 元，共計(jì)13 個(gè)月，平均每月罰款5080 元。

2）成果掛網(wǎng)后，泰州變電所返獎(jiǎng)情況

2016 年12 月份至2017 年12 月份，本成果在泰州變電所投入運(yùn)用，受供電局獎(jiǎng)勵(lì)56846 元，共計(jì)13 個(gè)月，平均每月返獎(jiǎng)4373 元。

3）節(jié)約成本情況

若泰州變電所從2016 年12 月到2018 年12 月沒(méi)投入動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，25 個(gè)月共計(jì)罰款約為127000 元，而投入動(dòng)態(tài)補(bǔ)償后返獎(jiǎng)金額約109325 元。

所以累計(jì)共節(jié)約成本：

127000+109325=236325 元。

可見(jiàn)該成果應(yīng)用成效非常顯著，若廣泛采用，則經(jīng)濟(jì)效益巨大。

4）主要表現(xiàn)在：

①進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償后，便可提高用電承載率，變壓器可滿負(fù)荷運(yùn)行。例如一臺(tái)315kVA、功率因素cosφ=0.6 的變壓器只能提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)189kW 的有功功率；將功率因數(shù)由0.6 提高到0.98，相當(dāng)于擴(kuò)大了63%，既有功由189kW 提高到309kW，基本滿足300kW 左右的容量需要，可節(jié)省約34 萬(wàn)元的擴(kuò)容成本。

②改善電能質(zhì)量，延長(zhǎng)電器壽命，提高設(shè)備質(zhì)量。

③本成果的技術(shù)是靈活柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）技術(shù)和定制電力（CP）技術(shù)的關(guān)鍵一步，在電網(wǎng)和電力用戶處方面都得到廣泛應(yīng)用，可以提高電能質(zhì)量，節(jié)約能源，同時(shí)更能穩(wěn)定電網(wǎng)電壓。

④裝置能夠接入400V ～35kV 電壓等級(jí)母線，解決了傳統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償裝置的缺點(diǎn)，可以提供快速又連續(xù)的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償和對(duì)諧波進(jìn)行濾波。能夠穩(wěn)定電網(wǎng)電壓的突然波動(dòng)，并抑制母線電壓的突然變化，有效地增加負(fù)載功率因數(shù)。

⑤該裝置實(shí)用價(jià)值高，如能推廣到各鐵路局的每個(gè)變電所和城市軌道交通運(yùn)營(yíng)單位的每個(gè)變電所，則具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。

5.1 經(jīng)濟(jì)效益

1）提高用電效率

IFTANGLE(G)系列高壓動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)，使功率因數(shù)始終保持較高值。

2）節(jié)約電費(fèi)成本

IFTANGLE(G)系列高壓動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置可以減少電網(wǎng)的視在功率而不降低電網(wǎng)有功功率，有效地提高了電網(wǎng)效率，減少了無(wú)功電流在線路上的損耗。簡(jiǎn)而言之：無(wú)功補(bǔ)償可以減少無(wú)功功率，提高供電質(zhì)量，減少供電損失，供電企業(yè)鼓勵(lì)這種做法就會(huì)采取措施給予獎(jiǎng)勵(lì)．相反就會(huì)增加供電損耗，給予懲罰。因此，節(jié)約的用電成本十分可觀。

5.2 社會(huì)效益

1）實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需無(wú)功的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，可以隨時(shí)隨地補(bǔ)償電網(wǎng)電壓的波動(dòng)，功率因數(shù)低等問(wèn)題。

2）提高系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性，確保系統(tǒng)運(yùn)行安全。

6 結(jié)論

本文成果是運(yùn)用電力電子大功率開(kāi)關(guān)器技術(shù)而研制的“有源無(wú)功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置”，其特點(diǎn)有投切速度快，可過(guò)零觸發(fā)，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成過(guò)沖擊等優(yōu)點(diǎn)被市場(chǎng)認(rèn)可；同時(shí)，在響應(yīng)速度、穩(wěn)定電網(wǎng)電壓、降低系統(tǒng)損耗、增加傳輸能力、提高瞬變電壓極限，降低諧波和減小占地面積具有更優(yōu)越的性能，是未來(lái)無(wú)功補(bǔ)償?shù)陌l(fā)展方向，是未來(lái)無(wú)功補(bǔ)償行業(yè)更新?lián)Q代的產(chǎn)品。近年來(lái)新能源產(chǎn)業(yè)的超速發(fā)展，而有源補(bǔ)償裝置因可以容性補(bǔ)償也可感性補(bǔ)償，可以防止光伏發(fā)電系統(tǒng)夜晚產(chǎn)生的孤島效應(yīng)，有源補(bǔ)償裝置在光伏發(fā)電行業(yè)近幾年得到了迅速的發(fā)展，將新技術(shù)、新材料用于有源無(wú)功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置以改善其性能的研究一直沒(méi)有中斷過(guò)，并且已經(jīng)取得較大突破。隨著鐵路行車設(shè)備的不斷升級(jí)換代，時(shí)序與信號(hào)的控制越來(lái)越嚴(yán)格，對(duì)牽引變電所、電力變配電所的供電質(zhì)量提出了空前的要求，為保證優(yōu)質(zhì)的供電質(zhì)量，采用高性能的無(wú)功與諧波治理裝置前景非常好，市場(chǎng)潛力巨大。