無功控制的電鐵電能質(zhì)量治理裝置和運用分析

張毅

摘要：電氣化鐵路項目運作階段使電網(wǎng)系統(tǒng)容易滋生低功率因數(shù)、大負序電流，降低電網(wǎng)運行過程的安穩(wěn)性。為應對以上情況，提出在鐵路車站周邊安置無功補償裝置（SVG）的建議，并擬編了 SVG并聯(lián)式運轉(zhuǎn)及聯(lián)合應用高壓電容器組的補償方案，規(guī)劃 SVG的控制思路。工程實踐表明，該裝置投用后，電網(wǎng)系統(tǒng)功率因數(shù)從昀初的 0.78提升至 0.97，不均衡度由昀初的 20.44%降至 1.80%;系統(tǒng)諧波頻率明顯降低，3次與 5次諧波的含有率均值由昀初的23.35%、12.35%依次降至 4.43%、2.47%，這提示 SVC能較明顯的優(yōu)化牽引網(wǎng)的電網(wǎng)品質(zhì)，值得推廣。

關(guān)鍵詞：電氣化鐵路;牽引變電站;諧波;無功控制無功補償;電能質(zhì)量

現(xiàn)如今，電力機車投運數(shù)目持續(xù)增加，電網(wǎng)系統(tǒng)運行階段諧波含量高、電壓不均衡等電能質(zhì)量缺陷也陸續(xù)出現(xiàn)，且日漸嚴重化。過往為有效治理、優(yōu)化鐵路電能質(zhì)量，通常是將三相 SVG安裝在牽引站高壓端，進而實現(xiàn)就地補償，以上治理手段實施階段補償裝置無法直接作用在電鐵負荷端，治理方位和電能質(zhì)量污染始源地相距較遠，故而，在治理以上電能質(zhì)量缺陷方面效果欠佳，且三相 SVG建設(shè)成本偏高、占地面積偏大[1]。筆者提出將無功發(fā)生器三相 SVG與電容組增設(shè)到車站內(nèi)的建議，借此方式實現(xiàn)對電網(wǎng)系統(tǒng)無功功率的動態(tài)式補償，借此方式強化動車周邊供電活動的安穩(wěn)性。

1電鐵 SVC工作原理

諧波濾波支路（CFC）、晶閘管控制電抗器（CTCR）支路是電鐵 SVC的主要構(gòu)成。其中，基于機車牽引負荷形成的 3、5、7等諸多諧波電流特征去設(shè)計CFC，設(shè)定 3次與 5次 CFC。CTCR支路的構(gòu)成以反并聯(lián)晶閘管閥組、相控電抗器為主。

3次與 5次 CFC的功能是提供恒定的容性無功，SVC控制器結(jié)合牽引網(wǎng)電壓（u）、電流（i）指標設(shè)定控制角（α），α的作用是整改相控電抗器內(nèi)流經(jīng)的電流，借此方式確保 TCR能供應出可調(diào)控的感性無功。如果負荷（電力機車）的無功是 Qz，那么可以使用負荷與 SVC無功功率兩者的和測求出系統(tǒng)供給的無功功率（QN）。這也提示當負荷無功 Qz指標改變時，若 TCR供應的感性無功能有效代償 Qz出現(xiàn)的改變，就能維持 QN恒定不變，這樣便能實現(xiàn)對功率因數(shù)的有效控制[2]。

2規(guī)劃設(shè)計主電路

從本質(zhì)上分析，SVG等同于有源逆變器，其應用階段通常把電抗器裝設(shè)到系統(tǒng)內(nèi)，其對應控制系統(tǒng)采用調(diào)控逆變器輸出過程的形成，清晰的呈現(xiàn)出幅值與相位，精確的調(diào)控 SVG傳輸?shù)臒o功功率的指標與方向，以此為基礎(chǔ)達成動態(tài)式無功補償?shù)哪繕恕?/p>

建設(shè)隔離型多重化 SVG，等同于利用隔離變壓器隔離處理 SVG與高壓端的系統(tǒng)母線;而針對低壓端 SVG，并聯(lián)數(shù)個 SVG模塊并將其銜接到變壓器低壓繞組上。依照現(xiàn)存的無功補償設(shè)施與 SVG容量值，合理設(shè)定SVG的并聯(lián)數(shù)量。

本設(shè)計方案的特征主要有[3]：（1）和高壓電容器組聯(lián)合使用，能降低有源補償量，進而減少裝置安裝建設(shè)階段資金的投入量;（2）各種 SVG便于集中式調(diào)控，且在以上過程中不會滋生出相互擾亂補償過程的問題;（3）能夠構(gòu)建出冗余降額運轉(zhuǎn)模式，若一個變流器運轉(zhuǎn)階段出現(xiàn)異常，則不會引起其他裝置整體停運的問題;（4）各種 SVG均采用了獨立運行的變流器單元，和過往協(xié)同使用的直流電容的拓撲結(jié)構(gòu)作比較，各種 SVG變流器間不會形成環(huán)流;（4）對各種 SVG均能采用模塊化設(shè)計方法，為移植過程創(chuàng)造了極大的便利性，且還能結(jié)合容量指標大小對模塊數(shù)目進行擴充處理。

3控制方案

3.1閉環(huán)式控制

本文設(shè)計的全部 SVG逆變器模塊共同使用同一個控制器，控制器的作用是收集牽引供電側(cè)電壓、電流信號，而后在瞬時無功功率相關(guān)理論支撐下測算出應補償?shù)臒o功電流值，科學將其配置給并網(wǎng)運轉(zhuǎn)狀態(tài)下的 SVG逆變器，將其設(shè)為傳輸無功電流的命令。

針對牽引網(wǎng)內(nèi)的無功電流，經(jīng)加法器處理后將會轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)運行所需補償?shù)臒o功電流，而后和 SVG輸出電流信號做比較分析，這樣便能測求出系統(tǒng)所需補償?shù)臒o功電流參照值，對比分析直流側(cè)電壓與目標電壓，能夠測求出直流端對應的電壓補償值，而后經(jīng)由電壓調(diào)節(jié)器獲得有功電流補償指標，再與 SVG輸送出的電流有功分量比較分析，便能獲得所需補償?shù)挠泄﹄娏魉矔r指標。綜合以上各項指標進行dp-αβ轉(zhuǎn)換，便能測求出 SVG持有的控制電流（iα），實質(zhì)上對應的就是 PWM模塊的調(diào)制波，將調(diào)制波與三角載波做比較分析后，能形成逆變器模塊正常運作階段所需的觸發(fā)脈沖，其作用是調(diào)控 SVG的輸出電流值大小[4]。

系統(tǒng)運行階段應采用了雙閉環(huán)控制措施，并以dp-αβ正逆轉(zhuǎn)換過程為支撐，能更為快速、準確的梳理直流端電壓和控制電流兩者的相關(guān)性——解耦關(guān)系，能為項目建設(shè)階段調(diào)整 PI過程創(chuàng)造便利條件。

3.2多重化載波移相

將重化載波移相（CPS-SPWM）是一種能在全控型器件開關(guān)調(diào)制過程中表現(xiàn)出較高適用性的手段，將其整合至控制系統(tǒng)內(nèi)，伴隨 SVG并聯(lián)數(shù)目的增多，開關(guān)裝置對應的等效頻次也會做出相應增長，進而實現(xiàn)對 SVG輸出電流內(nèi)次諧波率指標的有效調(diào)控，在這樣的工況下 SVG輸出波形與正弦波更為相像。

CPS-SPWM的基本思想可以做出如下闡釋：假定并聯(lián)多重化的 SVG個數(shù)是 N，SVG所有 H橋變流模塊共同使用相同一個調(diào)制波信號 US（wst），角頻率用 Kcws表示，Kcws也用于表示每種逆變橋內(nèi)的三角波載波頻，針對逆變器模塊三角波的相位，要求其與三角周波 1/N相錯位，則此時第 X（1≤X≤N）逆變器對應的三角波初相角ψL=ψC=2πX/N，此時多重化SVG逆變器整體輸出的電流等效開關(guān)頻率就可以采用 NKcws表示。

4工程應用

本位設(shè)計的方法目前在國內(nèi)部分地區(qū)變電站的無功補償中均有應用。SVG依照實時測得的各供電臂需補償?shù)臒o功率，推測出對應的控制角，在此基礎(chǔ)上調(diào)整相控電抗器內(nèi)的電流，進而達成平穩(wěn)輸送無功功率的目標。因牽引網(wǎng)內(nèi)3、5次諧波電流所占比重相對較大，故而設(shè)計階段擬定把 FC支路規(guī)劃成兼做 3、5次單頻CFC。并為減少或規(guī)避諧波放大的情況，一定要在 3次 CFC支路的投入后在投用 5次 CFC支路。比較某時刻補償裝置投用前后瞬間電壓電流波形，能較快速的察覺到系統(tǒng)電壓畸變相對較大，諧波含量處于較高水平上，存留著負序電流。發(fā)現(xiàn)投入 SVC以后，電網(wǎng)系統(tǒng)電壓畸變、諧波電流、負序電流指標均有較明顯改善。

對裝置投用前后相關(guān)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計后，發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)系統(tǒng)不均衡度由昀初的 20.44%降至 1.80%，負序電流明顯降低無功補償體現(xiàn)出時效性特征，功率因數(shù)從昀初的 0.78提升至 0.97，有效應對了過往由于功率因數(shù)不足而形成的罰款問題;系統(tǒng)諧波頻率明顯降低，3次與 5次諧波的含有率均值由昀初的 23.35%、12.35%依次降至 4.43%、2.47%。

5結(jié)束語

本文通過分析電氣化鐵路運行現(xiàn)狀，認識某個時間段牽引網(wǎng)車站周邊可能存在電能質(zhì)量偏差的問題，故而做出將無功補償裝置安置在車站周邊的建議。本文設(shè)計方案用于工程實踐中，有補償快速、調(diào)控準確度高、能實現(xiàn)模塊化設(shè)計及成本偏低等諸多優(yōu)勢，有效治理了諧波及抑制了負序電流，將 SVG的功能淋漓盡致的發(fā)揮出來，為電網(wǎng)系統(tǒng)安全供電過程提供可靠支撐。

參考文獻

[1]江宇，楊文群，王治玲，等.電鐵牽引負荷對縣級電網(wǎng)電能質(zhì)量影響的測量與治理仿真[J].電氣自動化，2016，38（03）：116-118.

[2]王慧慧，金維剛，李陳程.電氣化鐵路電能質(zhì)量的綜合評估及治理[J].電力電容器與無功補償，2014，35（03）：58-64+78.

[3]趙祎婷，張悅，雷達.基于單相背靠背 SVG的電鐵電能質(zhì)量優(yōu)化治理研究[J].山西電力，2013，41（03）：18-20.

[4]高亞莉，秦昌龍.電鐵系統(tǒng)影響下的煤礦電網(wǎng)負序電流治理方案研究[J].變頻器世界，2013（02）：100-102+68.