浅谈电气化铁道无功补偿1.doc

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目录

引言 -1-

一、我国电气化铁道目前的无功补偿应用状况分析 -1-

（一）我国电气化铁道目前采用的无功补偿 -1-

（二）应用状况分析 -2-

二、静止型动态无功补偿装置SVC -2-

（一）SVC的工作原理 -2-

（二）SVC的应用状况 -3-

（三）SVC的设计内容与方法 -3-

三、电气化铁道无功补偿的前景展望与实现 -4-

结束语 -5-

参考文献 -6-

致谢词 -7-

浅谈电气化铁道无功补偿

内容摘要

摘要：

由电气化铁道牵引负载所引起的牵引网的无功问题是电气化铁道的供电系统中的核心问题；它严重的制约了电气化铁道高速发展的需求。

本文通过对我国电气化铁道供电系统现行应用的静止型无功补偿装置和正在推行应用的SVC静止型动态无功补偿装置进行了分析比对，突出了SVC静止型动态无功补偿装置的应用优势，论证了采用智能控制的SVC静止型动态无功补偿装置替代现有的补偿装置将是发展的必然趋势。

关键词：

电气化铁道无功补偿现行补偿方式SVC静止型动态无功补偿装置

引言

近年来，由于铁路运输列车的提速，车流密度和载重量的增加，使牵引负荷不断增大，而电气化铁道牵引负载所具有的随即波动性和不对称性，给供电网和电气化铁道的供电系统带来了如牵引网电压波动过大，牵引网的谐波污染严重，由于负荷不平衡引起的负序分量增大，功率因数低等等诸多问题。

使现有的电气化铁道的供电系统难以满足高速发展的需求。

其中，电力机车运行中产生的无功问题严重地威胁着电力系统和电气化铁道自身的安全运行。

电气化铁道的供电特点是：

无功功率随时间大幅度的变动。

如果只装设固定的并联电容器组，则经常处于过补偿或欠补偿状态。

既恶化了牵引网的运行电压，又会因cosφ过低或无功倒送导致罚款增加。

为了解决这些问题需要无功补偿装置改善电压质量，提高功率因数。

因此，采用电气化铁道无功补偿装置势在必行，提高电气化铁路功率因数有两种方法：

一是提高负荷（电力机车）的功率因数，这可通过改造原有电力机车或研制高功率因数的电力机车来实现；二是实时监测及调节牵引系统的无功功率，使功率因数始终保持较高值。

前一种方式由于需要大量的资金，短时间内还不能实现。

而目前最成熟也是最经济的做法就是在牵引供电系统中设置无功功率补偿装置。

一、我国电气化铁道目前的无功补偿应用状况分析

（一）我国电气化铁道目前采用的无功补偿

目前，由于固定静止补偿方式简单可靠、造价低、现场运行经验成熟，因此在我国电气化铁道牵引变电所中普遍采用其来提高供电网功率因数。

电气化铁道的静止补偿方式主要有两种方式，分别是并联电容补偿、串联电容补偿。

1、并联电容补偿

并联电容补偿装置主要是用来补偿牵引网的无功功率，降低负序分量，改善电压质量，降低电流和电压的谐波分量，以取得多方面的经济效果。

可安装在变电所和牵引网上任一点，同样也可以安装在机车上作就地补偿。

并联电容补偿装置成套装置由并联电容器、串联电抗器、放电线圈、断路器和围栏等设备组成。

该补偿装置由于可变的接线方式，加强了补偿的灵活性，兼顾了整体的经济效益，有效地解决了供电网中式的普遍问题。

但这种补偿方式的接线方较为复杂，且装置占地面积较大，抗谐波效果不明显,因此会影响无功补偿效果。

2、串联电容补偿

串联电容补偿装置接于27.5kV侧，也可将Ck直接接入牵引网，用以补偿牵引网的电抗。

当牵引网的电压损失较大时，将串补装置Ck接在接触网的分段处，例如接在分区亭，最为简单。

该装置主要针对在牵引网负荷不断变化条件下提高和稳定牵引网电压，随着牵引负荷大小的变化，串补装置Ck能自动保持指定的电压，同时还可使电压对称，部分地补偿无功功率。

的串补装置由串联电容器、限流电抗器、保护间隙、电压互感器等部件组成。

该装置具有运行维护方便，安全可靠，耐用度高，不易损坏等特点；不足之处是投资较大，只针对电网稳压有明显效果，因此，所带来的经济效益不好。

（二）应用状况分析

在应用过程中，这两种补偿方式还存在有几个方面的问题：

补偿方式均为静止型的集中或就地补偿，因此装置灵活性低；其次，补偿装置的占地面积较大，一些在运行时易发出较大的噪音；再次，静止型的补偿装置在调度控制，自适应控制方面不尽如人意，尤其对高速铁路功率急剧变化所出现的瞬无功补偿控制效果较差。

此外，静止型无功补偿装置通过“反送正计”的计量方式，很容易造成欠补偿或过补偿，影响补偿效果。

综上所述，静止型无功补偿装置还尚待改进。

二、静止型动态无功补偿装置SVC

静止型动态无功补偿装置SVC是一种先进的高压电网动态功率因数补偿装置。

它通过提高功率因数来节约大量的电能，同时又起到减少电网谐波、稳定电压、改善电网质量的作用。

20世纪70年代以来，以晶闸管控制的电抗器TCR、晶闸管投切的电容器TSC以及二者的混合装置TCR+TSC等主要形式组成的静止无功补偿器SVC得到快速发展。

SVC可以看成是电纳值能调节的无功元件，它依靠电力电子器件开关来实现无功调节。

SVC作为系统补偿时可以连续调节并与系统进行无功功率交换，同时还具有较快的响应速度，它能够维持端电压恒定。

（一）SVC的工作原理

它由1台TCR、2台TSC以及2个无源滤波器组成。

在实际系统中，TSC及无源滤波的组数可根据需要设置。

1、TCR的工作原理

通过控制与相控电抗器连接的反并联晶闸管对的移相触发脉冲来改变电抗器等效电纳的大小，从而输出连续可变的无功功率。

由于单独的TCR只能吸收感性的无功功率，因此常与并联电容器配合使用。

并联电容器后，使得总的无功功率为TCR与并联电容器无功功率抵消后的净无功功率，因此可将补偿器的总体无功电流偏置到可吸收容性无功功率的范围内。

2、TSC的工作原理

根据负载感性无功功率的变化通过反并联晶闸管对来切除或者投入电容器。

这里，晶闸管只是作为投切开关，而不像TCR中的晶闸管起相控作用。

在实际系统中，每个电容器组都要串联一个阻尼电抗器，以降低非正常运行状态下产生的对晶闸管的冲击电流值，同时避免与系统产生谐振。

用晶闸管投切电容器组时，通常选取系统电压峰值时或者过零点时作为投切动作的必要条件。

由于TSC中的电容器只是在两个极端的电流值之间切换，因此它不会产生谐波，但它对无功功率的补偿是阶跃的。

3、TCR和TSC组合后的运行原理

当系统电压低于设定的运行电压时，根据需要补偿的无功量投入适当组数的电容器组，并略有一点正偏差（过补偿），此时再利用TCR调节输出的感性无功功率来抵消这部分过补偿容性无功；当系统电压高于设定电压时，则切除所有电容器组，只留有TCR运行。

（二）SVC的应用状况

1、国外的应用状况

日本东海道新干线西相模牵引变，根据牵引变接入电网点检出的无功电流和负序电流，由负荷特性计算补偿电路SVC所需无功电流的数值，对TCR中的晶闸管触发信号加以控制，从而对有功功率的不平衡进行补偿。

澳大利亚昆士兰铁路将总容量为600MVA的套SVC根据需要分别装设在沿途各牵引变的低压侧，无功补偿效果明显。

英法海底隧道采用了ABB提供的SVC以解决功率因数过低问题，通过SVC补偿后，功率因数由0.75上升至0.92。

2、我国的应用状况

在我国，神朔电气化铁路段，由于电气化铁路是典型的单相非线性冲击负荷,产生很大的负序电流和高次谐波，危及当地电网和发电机组的安全运行。

经过充分的调研论证，确定了加装静止型动态无功补偿装置（SVC）是消除神朔电气化铁路污染电网的最佳方案。

SVC装置双“T”接在110kV神新双回线路上，通过110kV变压器和配电装置接入系统，对2条线路同时进行分相实时无功补偿。

SVC装置的核心部分是SVC本体，由35kV配电装置、晶闸管相控电抗器（TCR）、滤波器（Fc）和全数字控制系统等构成。

可控硅阀和全数字控制系统通过检测供电线路和TCR的电流、电压,经全数字控制系统分析计算，控制可控硅的触发角,改变电抗器支路的电流，从而得到不同的无功功率，达到神朔电气化铁路线路无功补偿、降低负序电流和高次谐波、提高功率因数的目的。

SVC装置应用在电力系统中在中国正在起步阶段，但已达到国际先进水平。

它的投运标志着中国对电气化铁路电能质量的治理提高到一个新的阶段，为电气化铁路对电网的污染治理工作进行了有益的探索，积累了宝贵经验，有着极高的应用、推广价值。

（三）SVC的设计内容与方法

由于电气化铁道供电系统存在无功和谐波两大问题，因此SVC在牵引变电所中的设计内容主要包含2个方面：

SVC最大无功补偿量的确定和滤波器支路的设计。

1、最大动态无功补偿容量的确定

最大动态无功补偿容量的确定在牵引变电所动态无功补偿方案设计中非常重要，必须根据设计线路牵引负荷的大小合理确定动态无功补偿装置的最大无功补偿容量。

如果最大无功补偿容量选择过大，一方面会引起设备投资的增加；另一方面会导致电抗器损耗进一步增大。

最大无功补偿容量选择过小，又不能根据牵引负荷的变化提供所需的无功补偿容量，达不到提高功率因数，抬高牵引网网压的目的。

SVC最大无功补偿量Qsvc应该和设计线路牵引负荷的大小相适应,设计方法应该按电气化铁道牵引负荷的最大有功需求以及补偿后对装设地点功率因数或在最大无功冲击时的最大电压损耗的要求来确定，具体可以按照式下面两个公式来计算：

式中：

φ1、φ2分别为补偿前后110kV电源测功率因数角；

Pmax为电铁负荷最大有功需求；

Qfmax为装设地点最大无功冲击；

ΔU%为装设地点最大电压损耗要求；

Xs为系统阻抗。

2、FC滤波支路的设计

FC滤波支路的设计，则既要保证装置的安全运行，又要达到预想的技术效果，特别是要保证滤波回路不能发生过负荷。

在实际设计中，首先需要根据供电臂中所含的谐波分量来确定FC滤波支路的组成。

三、电气化铁道无功补偿的前景展望与实现

随着现代控制与先进控制的完善发展，自适应控制、模糊控制、调度控制、智能控制等的应用深入，对功率急剧变化所出现的瞬变无功补偿控制也是这一领域的应用，其基本思路是建立供电系统网络方程，通过对供电系统的网络方程进行比较分析，考察其间的关系，确立一种计算方法，来适应这些瞬变的表示，以期达到对无功的动态补偿控制。

而补偿装置的无功补偿效果都通过响应时间，控制方式，补偿精确度以及因数来体现。

下面就这三个方面把静止型无功补偿装置与SVC静止型动态无功补偿装置做一个详细比较。

表3-1

补偿类型

比较方式

静止型无功补偿装置

SVC静止型动态无功补偿装置

响应时间

小于20ms

小于10ms

控制方式

自动

智能投切

补偿精确度

低（采用“反送正计”算法，精确度低）

高（连续阶跃补偿）

由表3-1列出的SVC静止型动态无功补偿装置与以往的静止无功补偿装置参数对比来看，在补偿的响应时间上，SVC明显小于静止型无功补偿装置，这有效的阻止了谐波对补偿系统所带来的冲击，维持端电压恒定。

在控制方式上，静止型无功补偿装置虽然只自动补偿，但由于采用“反送正计”的计量方式，易造成欠补偿或过补偿，从而降低补偿效果；而SVC利用TCR与TSC相互配合，采用智能投切的控制方式，能够实现连续阶跃补偿，补偿精度较高。

此外，在补偿效果上，静止型动态无功补偿装置虽然可以根据无功功率需求量自动进行补偿，但本身却会产生大量谐波，从而大大影响了补偿效果。

SVC则在结构形式中充分考虑到了这一点，利用TSC的跃阶原理阻止谐波的产生；其次，静止型动态无功补偿装置，在无功“反送正计”计量方式下，采用固定并联电容补偿难以满足变电所功率因数指标要求，甚至出现负面影响，导致功率因数进一步严重恶化。

而SVC则通过无源滤波部分承担滤除谐波及固定电容补偿的作用，通过调整TCR的触发角大小改变补偿器所吸收的无功分量，从而达到动态调整无功功率的目的。

由上述内容和表3-1我们不难看出，比