劉娜

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%;系統(tǒng)諧波頻率明顯降低，3次與5次諧波的含有率均值由最初的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

中圖分類號：U223 文獻標志碼：A 文章編號：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(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計CFC，設定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，以此為基礎達成動態(tài)式無功補償?shù)哪繕恕?/p>

建設隔離型多重化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)存的無功補償設施與SVG容量值，合理設定SVG的并聯(lián)數(shù)量。

本設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（見圖1）。對圖1（左側(cè)圖）進行分析后，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。觀察圖1（右側(cè)圖）后發(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)不均衡度由最初的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)從最初的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最初的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.