三相SVC在电气化铁路电能质量治理中的应用

刘 剑，黄小庆，曹一家，黎灿兵

（湖南大学电气与信息工程学院，长沙 410082）

2008年国务院批准颁布的《中长期铁路网规划》提出，到2020年全国铁路营业里程规划目标达到12万公里，其中高速铁路1.6万公里，电气化程度达到60%。我国电气化铁路的高速发展，也给电气化铁路供电系统提出了新的要求。由于高速铁路具有机车牵引功率大、功率因数高、牵引变电站负荷大等特点，由此产生的负序问题在电气化铁路电能质量中显得更为突出。

目前我国治理电气化铁路负序问题主要采用以下几种措施［1～5］：①牵引变电站高压侧采用轮换相序的接入方式；②采用三相／两相平衡变压器；③合理安排列车运行方式和牵引变电站供电电源，削弱负序分量对电网的影响；④接入更高一级的电网，从110kV到220kV，增大短路容量。但截止到2007年，向牵引变电站供电的电网系统变电站为423座，其中接入3座以上牵引变电站的电网系统变电站只有20座［6］，存在大量没有互联的牵引变电站，因此采用牵引变电站高压侧轮换相序接入方式对负序的改善具有局限性。三相／两相平衡变压器只有在两相负荷平衡的条件下才能完全抑制负序，但是对于时刻变化的牵引负荷，两相负荷完全平衡是无法保持的，因此，该措施对负序的抑制作用也是有限的［7］。由于我国铁路运输总体紧张，临时增加列车运力的情况时有发生，临时对牵引供电电源进行调整是不切实际的。随着电力电子技术的发展，使用SVC进行负序和无功补偿在国外已有多年的经验，且效果显著。国外如英法海底隧道采用了ABB提供的SVC方案解决负荷平衡和电压控制问题，该方案共采用4个SVC，其中3个SVC接于负荷侧用于无功补偿和电压控制，另外一个SVC接入高一级的系统侧，用于动态负荷平衡［8］。而国内大部分的SVC装置，都是用来进行动态无功补偿，以及加装滤波器进行谐波治理，对负序的改善作用非常有限。目前加装三相SVC装置进行负序补偿的只有个别线路，如神朔线［9，10］，该三相SVC安装在110kV供电线侧，对接入同一公共节点的多座牵引变电站负荷进行整体负序和无功的补偿。但是该方法是基于对接入同一公共节点的数个牵引负荷进行整体补偿，而对于接入不同公共节点的多个牵引变电站，该方法不具备整体补偿的能力。

针对我国铁路牵引网中现存的不能进行轮换相序连接、输电线路短路容量较小、负荷变化大的一些牵引变电站，本文提出了一种接入牵引变电站低压侧的三相SVC电气化铁路电能质量综合治理方案。该三相SVC由晶闸管控制电抗器TCR（thyristor controlled reactor）与固定电容器FC（fixed capacitor）组成，装在牵引变电站的低压27.5kV侧，就地进行负序、无功补偿和谐波治理。

1 系统结构及原理

1.1 结构框图

图1 三相SVC综合补偿装置Fig.1 Three－phase SVC comprehensive compensation device

为充分利用目前牵引变电站已经安装的3、5、7次谐波滤波器和部分在27.5kV低压侧配备的两相式SVC装置，设计了如图1所示的拓扑结构。该拓扑结构只需在原有基础上进行部分改造，降低了建设成本。图示T1为牵引变压器，为了不失普遍性，这里的牵引变压器取用目前使用广泛的YND11型牵引变压器，其高压侧为110kV，低压侧为27.5kV。低压侧C相接地，AC、BC相接负载。并在AB、BC、CA相间安装3、5、7次特征次谐波滤波器，同时进行无功补偿，配合三角形接线的TCR装置，组成三相SVC（TCR＋FC）。

1.2 三相不平衡补偿原理

根据斯坦门茨补偿原理，对于任意三相不平衡负荷采用一个可调无功补偿器与其并联可补偿其无功功率，同时可使三相不平衡的有功功率达到平衡和对称。假定电源电压是平衡的，负荷采用三角形连接网络表示，如图2所示。

图2 平衡化补偿网络Fig.2 Balance of compensation network

设负载导纳为：

根据式（1），由斯坦门茨补偿原理可得到理想的三相平衡化补偿公式为

2 三相SVC工作原理和控制策略

在实际应用中，负荷的导纳往往是不容易直接得到的，只能通过测得电流、电压和功率等，通过间接方法求得。本文采用文献［11］提出的基于瞬时值的三相补偿导纳算法。与基于向量的补偿导纳算法相比，该算法更为简单。它直接利用瞬时无功理论得到有功和无功分量，通过一次低通滤波后，直接代入导纳表达式即可，计算量小，缩短延时，增强了补偿的实时性。补偿器的导纳公式可以表示为［11］：

式（3）中的I11cosφ11、I11sinφ11、I21cosφ21和I21sinφ21分别表示基波正序和负序电流的有功和无功分量。利用瞬时无功理论基础，运用ip－iq运算可以容易得到以上分量。其原理如图3所示。

图3 ip，iq运算方式原理Fig.3 Principles of ip ，iqcalculations

其中：

TCR基本结构是两个反向并联的晶闸管与一个电抗器相串联。两并联晶闸管在两端电压正负半周轮流工作，触发延迟角α的有效移相范围为90°～180°。α＝90°时，晶闸管完全导通；当α＝180°时，晶闸管完全截止。当触发延迟角在90°～180°时，增大触发角，将减小电流中的基波分量，相当于增大补偿器的等效感抗，也即减小其等效电纳，因而减少了其吸收的无功功率。导通角δ与触发角α是线性关系，δ＝π－α。TCR的等效电纳可表示为

其中，等效电纳最大值为BLmax＝1／XL。本文中的三相TCR采用三角形连接并联到牵引变电站的27.5kV低压侧，如图1所示。

对于电气化铁路的两相负载特性，三相中必然有一相没有负载。例如，通常牵引臂为A相和B相，C相接地，则AC和BC相有负荷，AB相没有负荷，此时式（2）中的＝0，＝0。将＝0，＝0代入式（2），可得：

3 仿真实验

本文采用MATLAB中的SimPowerSystems工具箱进行仿真研究。仿真结构图如图1所示。系统的仿真参数设定为：

1）系统电压为110kV，短路容量为1000 Mvar；

2）T1为110／27.5kV，YND11型牵引变压器；

3）三相SVC，根据前文推导的导纳系数，确定感性补偿部分为LTCR＝60.21mH，每相40 Mvar，容性补偿分别为AB相为20Mvar，BC相为20Mvar，AC相为40Mvar；

4）牵引网阻抗采用PI型参数：50Hz频率下（0.169 ＋ j0.432） Ω／km，并联电容0.011 μF／km［12］。

本文参数设计是基于以下假定：每相负荷最多为4辆机车同时运行，每辆机车的功率为6400 kW，机车模型选用MATLAB自带的直流电机模型（DC Motor）来模拟牵引电机［13，14］。

为了加速仿真，同时保证负荷的不平衡性和实时性，本文设计了分别在AC、BC相距离牵引变电站0km、10km、20km和30km处接入机车，也即每相最多可接入4辆机车；通过分析牵引变压器YND11，可知当只有一相有负荷的时候，负荷的三相不平衡和负序电流是最严重的［15］。所以在机车接入接触网的分布上，以最大负荷（正常6辆机车，超负荷8辆机车）和最严重不平衡负荷（单边分布4辆机车）分布来模拟。由此设计的接入时间如下：在1s的时候在AC相30km处接入第一辆机车，2 s的时候在AC相20km处接入第二辆机车，3s的时候在AC相10km处接入第三辆机车，在4s的时候在AC相0km处接入第四辆机车。此时AC相以10km为间隔接入四辆机车，不平衡最为严重。然后，在5s时在BC相30km处接入第五辆机车，6s时在BC相20km处接入第六辆机车，此时机车数目达到6辆，负荷达到正常最大负荷。此时再在7s时在BC相10km处接入第七辆机车，在第8s时在BC相0km处接入第八辆机车，此时机车数目达到最大超负荷情况。此后再依次以每秒一辆机车递减的方式让AC相的四辆机车依次退出运行，在12s后只有BC相有四辆机车运行，不平衡负荷再次达到最大。仿真时间为13s。

表1和图4分别为SVC投入前后的110kV侧电流的数据和波形对比。SVC投入前，在第8.94s时，110kV侧三相电流的谐波畸变率分别是A相为7.74%，B相为35.49%，C相为9.56%；在SVC投入后，在第8.94s时，三相谐波分别降低为0.36%，0.62%，0.62%。可以看出SVC的三相滤波装置可以有效地降低流入电网的谐波电流。

表1 SVC投入前后110kV侧电流谐波畸变率Tab.1 Current harmonic distortion of 110kV side between before and after putting into SVC

图4 SVC投入前后110kV侧电流波形对比Fig.4 Current waveforms of 110kV side between before and after putting into SVC

电气化铁路牵引负荷带来的负序问题，由图5的110kV侧负序电流不平衡度可以看出。

SVC投入治理前，1s到5s间AC相单边带机车负荷，负序电流等于正序电流，负序电流不平衡度达到100%。在5s后，BC相开始增加机车负荷，到第8s后两相负荷基本相等（各带4辆机车），负序电流不平衡度接近50%。从第9s起，AC相负荷开始减少；到第12s时，只有BC相带负荷，负序电流不平衡度又回到100%，如图5（a）所示。

仿真结果和文献［15］的计算结果相符，证明了仿真结果的正确性。在SVC投入治理后，负序电流的不平衡度95%概率值降低到20%以下，见图5（b）。

国家标准 GB／T15543－1995《电能质量，三相电压允许不平衡度》规定：电力系统公共连接点正常电压不平衡度的95%概率值不得超过2%，极短时值不得超过4%。

由负序电流导致的电压三相不平衡由图5（c）、（d）分析可得，SVC投入前，最高不平衡度达到3%，当单边带超过3辆机车负荷时，不平衡度就达到2.0%以上，已经超过国家标准。SVC投入使用后，三相电压不平衡度基本保持在0.5%以下。

仿真结果表明，静止无功补偿器SVC的投入使用，基本消除了负序分量，获得了平衡的三相电压，补偿效果显著。

牵引网长距离输电，当无功不足时，将导致牵引网电压低，以致机车不能正常运行。由图6的低压侧AC相牵引网电压分布可以看出，SVC投入治理前离牵引变电站距离较远的牵引网电压降非常严重。仿真试验中，AC相在每10km一辆机车的条件下，机车恒功率运行。在第4s后，AC相4辆机车运行时，在30km处电压接近机车运行的临界电压19kV。从第5s开始，BC相增加负荷，AC相电压继续下降，最低至15kV，机车已经无法运行，AC相无功不足非常严重。牵引网BC相电压最低也接近19kV左右。从图形也可以看出，作为滞后相的AC相电压损失大于超前相的BC相电压，如图6（a）、（b）所示。SVC投入治理后，两相牵引网电压有显著提高。在超负荷运行的情况下（8辆机车同时运行），末端最低电压保持在23kV以上，如图6（c）、（d）所示，而且整条线路没有出现无功过补偿的现象，电压波动小。

再比较三相SVC接入在牵引变电站的高压侧和低压侧对牵引网电压的补偿效果。三相SVC安装在牵引变压器的高压侧时，牵引网的电压仿真结果如图7（a）、（b）所示。通过对比图6的（c）、（d）和图7（a）、（b）的仿真结果可知，在低压侧安装三相SVC因为避免了牵引变压器引起的电压损失，所以牵引网电压明显高于在高压侧安装三相SVC时的牵引网电压。

图7 SVC接入在牵引变压器高压侧时牵引网电压分布Fig.7 Traction network voltage distribution at SVC access to high－voltage side of the traction transformer

4 结语

本文提出的在牵引变电站低压侧安装三相SVC的电气化铁路电能质量综合治理方案可以有效地解决电气化铁路因负序电流导致的三相电压不平衡问题，同时综合治理无功和谐波等其他电能质量问题。由于滤波装置接入电压等级低，绝缘要求降低，比接在高压侧节省一个变压器，其工程费用比安装在高压侧低。在牵引变电站低压27.5kV侧安装三相SVC，因为避免了牵引变压器导致的电压损失，所以比在牵引变电站高压侧安装更利于补偿牵引网的电压损失。对于高速铁路牵引网以及我国现存的不能进行轮换相序连接、输电线路短路容量较小、负荷变化大的一些牵引变电站，使用本文提出的三相SVC可以起到较好的负序、无功补偿和谐波治理作用。仿真分析表明，该方案治理效果显著，正确可行。

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