无功控制的电铁电能质量治理装置和运用分析

刘娜

摘  要：电气化铁路项目运作阶段使电网系统容易滋生低功率因数、大负序电流，降低电网运行过程的安稳性。为应对以上情况，提出在铁路车站周边安置无功补偿装置（SVG）的建议，并拟编了SVG并联式运转及联合应用高压电容器组的补偿方案，规划SVG的控制思路。工程实践表明，该装置投用后，电网系统功率因数从最初的0.78提升至0.97，不均衡度由最初的20.44%降至1.80%;系统谐波频率明显降低，3次与5次谐波的含有率均值由最初的23.35%、12.35%依次降至4.43%、2.47%，这提示SVC能较明显的优化牵引网的电网品质，值得推广。

关键词：电气化铁路;牵引变电站;谐波;无功控制无功补偿;电能质量

中图分类号：U223 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）18-0185-02

Abstract： In the operation stage of electrified railway project， the power grid system is easy to generate low power factor and large negative sequence current， and reduce the stability of power grid operation process. In order to deal with the above situation， the suggestion of installing Static Var Generator （SVG） around railway station is put forward， the compensation scheme of SVG parallel operation and combined application of high voltage capacitor bank is drawn up， and the control idea of SVG is planned. The engineering practice shows that after the device is put into operation， the power factor of the power grid system is increased from 0.78 to 0.97， the imbalance is reduced from 20.44% to 1.80%， the harmonic frequency of the system is obviously reduced， and the average value of the third and fifth harmonics is increased from the initial 23. 35% and 12.35% dropped to 4.43% and 247% respectively， which suggests that SVC can obviously optimize the quality of traction network and is worth popularizing.

Keywords： electrified railway; traction substation; harmonics; reactive power control reactive power compensation; power quality

現如今，电力机车投运数目持续增加，电网系统运行阶段谐波含量高、电压不均衡等电能质量缺陷也陆续出现，且日渐严重化。过往为有效治理、优化铁路电能质量，通常是将三相SVG安装在牵引站高压端，进而实现就地补偿，以上治理手段实施阶段补偿装置无法直接作用在电铁负荷端，治理方位和电能质量污染始源地相距较远，故而，在治理以上电能质量缺陷方面效果欠佳，且三相SVG建设成本偏高、占地面积偏大[1]。笔者提出将无功发生器三相SVG与电容组增设到车站内的建议，借此方式实现对电网系统无功功率的动态式补偿，借此方式强化动车周边供电活动的安稳性。

1 电铁SVC工作原理

谐波滤波支路（CFC）、晶闸管控制电抗器（CTCR）支路是电铁SVC的主要构成。其中，基于机车牵引负荷形成的3、5、7等诸多谐波电流特征去设计CFC，设定3次与5次CFC。CTCR支路的构成以反并联晶闸管阀组、相控电抗器为主。

3次与5次CFC的功能是提供恒定的容性无功，SVC控制器结合牵引网电压（u）、电流（i）指标设定控制角（α），α的作用是整改相控电抗器内流经的电流，借此方式确保TCR能供应出可调控的感性无功。如果负荷（电力机车）的无功是Qz，那么可以使用负荷与SVC无功功率两者的和测求出系统供给的无功功率（QN）。这也提示当负荷无功Qz指标改变时，若TCR供应的感性无功能有效代偿Qz出现的改变，就能维持QN恒定不变，这样便能实现对功率因数的有效控制[2]。

2 规划设计主电路

从本质上分析，SVG等同于有源逆变器，其应用阶段通常把电抗器装设到系统内，其对应控制系统采用调控逆变器输出过程的形成，清晰的呈现出幅值与相位，精确的调控SVG传输的无功功率的指标与方向，以此为基础达成动态式无功补偿的目标。

建设隔离型多重化SVG，等同于利用隔离变压器隔离处理SVG与高压端的系统母线;而针对低压端SVG，并联数个SVG模块并将其衔接到变压器低压绕组上。依照现存的无功补偿设施与SVG容量值，合理设定SVG的并联数量。

本设计方案的特征主要有[3]：（1）和高压电容器组联合使用，能降低有源补偿量，进而减少装置安装建设阶段资金的投入量;（2）各种SVG便于集中式调控，且在以上过程中不会滋生出相互扰乱补偿过程的问题;（3）能够构建出冗余降额运转模式，若一个变流器运转阶段出现异常，则不会引起其他装置整体停运的问题;（4）各种SVG均采用了独立运行的变流器单元，和过往协同使用的直流电容的拓扑结构作比较，各种SVG变流器间不会形成环流;（4）对各种SVG均能采用模块化设计方法，为移植过程创造了极大的便利性，且还能结合容量指标大小对模块数目进行扩充处理。

3 控制方案

3.1 闭环式控制

本文设计的全部SVG逆变器模块共同使用同一个控制器，控制器的作用是收集牵引供电侧电压、电流信号，而后在瞬时无功功率相关理论支撑下测算出应补偿的无功电流值，科学将其配置给并网运转状态下的SVG逆变器，将其设为传输无功电流的命令。

针对牵引网内的无功电流，经加法器处理后将会转变为系统运行所需补偿的无功电流，而后和SVG输出电流信号做比较分析，这样便能测求出系统所需补偿的无功电流参照值，对比分析直流侧电压与目标电压，能够测求出直流端對应的电压补偿值，而后经由电压调节器获得有功电流补偿指标，再与SVG输送出的电流有功分量比较分析，便能获得所需补偿的有功电流瞬时指标。综合以上各项指标进行dp-αβ转换，便能测求出SVG持有的控制电流（iα），实质上对应的就是PWM模块的调制波，将调制波与三角载波做比较分析后，能形成逆变器模块正常运作阶段所需的触发脉冲，其作用是调控SVG的输出电流值大小[4]。

系统运行阶段应采用了双闭环控制措施，并以dp-αβ正逆转换过程为支撑，能更为快速、准确的梳理直流端电压和控制电流两者的相关性——解耦关系，能为项目建设阶段调整PI过程创造便利条件。

3.2 多重化载波移相

将重化载波移相（CPS-SPWM）是一种能在全控型器件开关调制过程中表现出较高适用性的手段，将其整合至控制系统内，伴随SVG并联数目的增多，开关装置对应的等效频次也会做出相应增长，进而实现对SVG输出电流内次谐波率指标的有效调控，在这样的工况下SVG输出波形与正弦波更为相像。

CPS-SPWM的基本思想可以做出如下阐释：假定并联多重化的SVG个数是N，SVG所有H桥变流模块共同使用相同一个调制波信号US（wst），角频率用Kcws表示，Kcws也用于表示每种逆变桥内的三角波载波频，针对逆变器模块三角波的相位，要求其与三角周波1/N相错位，则此时第X（1≤X≤N）逆变器对应的三角波初相角ψL=ψC=2πX/N，此时多重化SVG逆变器整体输出的电流等效开关频率就可以采用NKcws表示。

4 工程应用

本位设计的方法目前在国内部分地区变电站的无功补偿中均有应用。SVG依照实时测得的各供电臂需补偿的无功率，推测出对应的控制角，在此基础上调整相控电抗器内的电流，进而达成平稳输送无功功率的目标。因牵引网内3、5次谐波电流所占比重相对较大，故而设计阶段拟定把FC支路规划成兼做3、5次单频CFC。并为减少或规避谐波放大的情况，一定要在3次CFC支路的投入后在投用5次CFC支路。比较某时刻补偿装置投用前后瞬间电压电流波形（见图1）。对图1（左侧图）进行分析后，能较快速的察觉到系统电压畸变相对较大，谐波含量处于较高水平上，存留着负序电流。观察图1（右侧图）后发现投入SVC以后，电网系统电压畸变、谐波电流、负序电流指标均有较明显改善。

对装置投用前后相关数据进行统计后，发现电网系统不均衡度由最初的20.44%降至1.80%，负序电流明显降低无功补偿体现出时效性特征，功率因数从最初的0.78提升至0.97，有效应对了过往由于功率因数不足而形成的罚款问题;系统谐波频率明显降低，3次与5次谐波的含有率均值由最初的23.35%、12.35%依次降至4.43%、2.47%。

5 结束语

本文通过分析电气化铁路运行现状，认识某个时间段牵引网车站周边可能存在电能质量偏差的问题，故而做出将无功补偿装置安置在车站周边的建议。本文设计方案用于工程实践中，有补偿快速、调控准确度高、能实现模块化设计及成本偏低等诸多优势，有效治理了谐波及抑制了负序电流，将SVG的功能淋漓尽致的发挥出来，为电网系统安全供电过程提供可靠支撑。

参考文献：

[1]江宇，杨文群，王治玲，等.电铁牵引负荷对县级电网电能质量影响的测量与治理仿真[J].电气自动化，2016，38（03）：116-118.

[2]王慧慧，金维刚，李陈程.电气化铁路电能质量的综合评估及治理[J].电力电容器与无功补偿，2014，35（03）：58-64+78.

[3]赵祎婷，张悦，雷达.基于单相背靠背SVG的电铁电能质量优化治理研究[J].山西电力，2013，41（03）：18-20.

[4]高亚莉，秦昌龙.电铁系统影响下的煤矿电网负序电流治理方案研究[J].变频器世界，2013（02）：100-102+68.