電氣化鐵路單相SVG控制策略仿真研究

張華潤 牟曉春，3 程 謙 王松峰

（1.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 210061；2.國電南瑞南京控制系統有限公司，江蘇 南京 210061；3.東南大學電氣工程學院，江蘇 南京 210000）

0 引言

新建貨運電氣化鐵路線設計之初，存在機車負荷過低，實際開行的列車次對數遠低于預期對數，導致線路占用率低，牽引變壓器長期處于空載運行狀態，引起無功功率占比過高，功率因數很低，牽引變電所力率電費占全所電費的50%以上，運行成本極高等問題。因此，用戶希望采用經濟性設備投資來提升部分功率因數，達到減少電費罰款的目的。

根據現場情況，可通過容量可靈活配置的單相靜止無功發生器[1-4]（Static var Generator，SVG）實現對諧波、無功、電壓波動和閃變等電能質量問題的綜合補償，減少對鐵路和電網造成的影響。本文以某鐵路局牽引變電所為背景，主要驗證在牽引變壓器空載運行時、機車進入時所設計的電氣化鐵路單相SVG治理能力，以解決該鐵路線功率因數過低和功率因數考核電費劇增的問題。

1 現場數據分析

牽引變電所的現場接線情況如圖1所示。

牽引所線路空載運行參數如圖2所示。機車空載時電流分為兩個部分：212段方向，電流值2.11 A；211段方向，電流值9.14 A。因此，這時的無功主要包括兩個部分，一是空載電流經過線路上產生的無功，二是變壓器空載損耗的無功，經計算約為0.309 Mvar。

機車通過時的電流一般在150～250 A，最大可達到300 A。機車通過時電流分為兩個部分：在212段方向線路長度為13.4 km，在211段方向長度為60 km。兩部分通過分相裝置隔開，取最大值線路損耗為線路消耗的最大無功。現場調研繪制出數據，如表1所示。

表1 現場數據

機車以300 A的電流通過時，牽引所的無功主要包括：211段方向線路的無功+牽引變壓器的無功+機車本身消耗的無功=2.78+0.45+2.3=5.53 Mvar。如果考慮全部補償即補充后功率因數接近1，所需要配置的無功補償裝置為5.6 Mvar；考慮到經濟性，由于HXD3B型機車功率因數大于0.97，而供電公司的功率因數罰款標準為0.9，因此，只補償線路消耗無功+變壓器消耗無功亦能滿足補償要求，此時所需配置的無功補償裝置容量約為3.2 Mvar。本文將以此容量為最終SVG的補償容量進行仿真和裝置設計。

2022年2月變電所的電量和功率統計數據如表2所示。

按照空載補償無功0.309 Mvar、有載補償無功3.2 Mvar來做反向推演計算。

根據現場與工作人員的交流，每個月機車通過的列數為10～20次，折中考慮以15次為依據，機車的運行時速為60 km/h，機車在路段內行駛的時間為1.5 h，則每個月的無功電度為：309×24 h×28 d+3 200×1.5 h×15 d=279 648 kvar·h，與表2中無功電度基本吻合。

表2 2022年2月白水井牽引變電所數據統計表

2 電氣化鐵路SVG一次系統及控制方案

本文設計的電氣化鐵路SVG一次系統如圖3所示，整個系統的設計參數如表3所示。

表3 拓撲參數

單相SVG的補償目標主要包括無功電流和諧波電流。補償方法主要是從牽引負載電流中分離出有功電流分量、無功電流分量以及諧波電流分量，綜合補償電流檢測方法的優劣主要從分離出各電流分量的準確性和實時性判別。目前從負載電流中分離出綜合補償電

流的方法比較多，常見的有有功電流分離法、瞬時電流分離法、無鎖相環法等。本文制訂的整體控制方案如圖4所示。

圖4中對應的三個部分分別是：

（1）通過負載電流得到的無功缺口，對負載無功進行補償。

（2）由SVG中電容電壓與設定值的偏差，得到需要從網側吸收或發出的有功大小。

（3）固定發出Iq，補償變壓器空載勵磁損耗。

3 仿真結果

根據以上分析，不同工況下220 kV側投入無功情況如表4所示。

表4 不同工況下220 kV側投入無功情況

無SVG情況下，如圖5所示，在1 s機車進入前，變壓器和線路上的空載無功損耗約306 kvar，這部分無功是導致長期功率因數偏低的重要原因。在1.5 s后機車駛入，此時無功損耗主要包括機車正常運行消耗的無功、變壓器負載損耗消耗的無功以及過長的線路上流過機車運行電流時引起的無功。

在有SVG投入的情況下，如圖6所示，在1 s機車進入前，SVG對變壓器線路上的空載無功損耗進行完全補償，使從220 kV側監控到的無功損耗從306 kvar降低到36 var。在1 s后機車駛入，無功損耗大大增加，達到5.5 Mvar，考慮到經濟性，SVG的設計容量為3.2 Mvar，此時SVG只按照設計容量的最大值進行補償，220 kV網側僅提供剩下的2.3 Mvar無功，主要用于機車無功消耗。在1.5 s時機車離開，總無功消耗和SVG發出的無功重新減小。

在SVG投入使用時，27.5 kV網側電壓諧波含量滿足要求，如圖7所示，27.5 kV側電壓中的THD僅為0.17%。

4 結語

本文以某鐵路局牽引變電所為研究背景，設計了單相SVG的拓撲配置及控制方案，通過對牽引變壓器空載運行時、機車進入時的兩種算例進行仿真，驗證了所設計的電氣化鐵路單相SVG治理能力。仿真結果表明，該設計方案能夠解決該鐵路線功率因數過低和功率因數考核電費劇增的問題。