牵引变电所无功补偿研究

胡亮

摘要：电气化铁道牵引负荷具有非线性、不对称和波动性的特点，产生的三相不平衡的谐波电流和基波负序电流注入系统，将使电力系统的电压发生较大波动。因此解决好牵引供电的无功功率补偿和谐波滤波问题，对于提高电能质量、安全运行、降低损耗、节能、充分利用电气设备的出力等具有重要的意义。

关键词：电气化铁道；谐波电流；电力系统；无功功率；电能质量

一、引言

由于固定并联电容器补偿方式简单可靠、造价低、现场运行经验成熟，最初大准线牵引变电所均采用该方案，但由于该装置不能随牵引负荷的变化做相应调整带来一些问题，如轻载时过补偿（无功返送），重载时欠补。随着大准线运量逐年增长，加之供电局对电能质量要求越来越高，采用固定并联电容器补偿难以满足变电所功率因素指标要求，且返送无功亦被供电局考核。

静止无功补偿装置（SVC）能够很好地解决上述问题。在《铁路电力牵引供电设计规范》中规定：并联电容器补偿装置，宜设在牵引变电所二次侧母线上。当采用固定并联电容补偿装置不能满足功率因素要求时，宜设静止无功补偿装置。在实际供电设计中，常常采用晶闸管调节电抗器（TCR）和单调谐滤波器的SVC方式。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的触发脚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。

二、SVC无功补偿和谐波抑制的原理

TCR+单调谐滤波器的SVC补偿装置原理接线图见图1。TCR的工作原理是通过控制与相控电抗器连接的反并联晶闸管对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。图1中的2个晶闸管分别按照单相半波交流开关运行，通过改变控制角α可以改变电感中通过的电流。α的计量以电压过零点为基准，α在90°～180°之间可部分导通，导通角增大则电流基波分量减小，等价于用增大电抗器的电抗来减小基波无功功率。导通角在90°～180°之间连续调节时电流也从额定到零连续变化。TCR提供的补偿电流中含有谐波分量。

母线电压不变时，FC提供固定的容性无功功率QF，TCR产生的无功功率QT随着负载的无功功率QL 的变化而变化，且两者之和为感性无功功率，在一定的范围内维持恒定，与FC提供的容性无功功率相抵消，使系统供给的无功功率QS维持不变，电网功率因数保持在较高水平，同时使接触网电压保持在规定的范围内，即

（1）

TCR由两个反并联的晶闸管与一个电抗器相串联。当触发角 =90°时，晶闸管全导通，此时电抗器吸收的无功功率最大；当触发角 =180°时，导通角σ=0°，此时电抗器无功电流为零，根据触发角与补偿器等纳之间的关系

（2）

以及触发角与导通角之间的关系

（3）

可知，增大触发角σ可减小导通角 ，从而减小补偿器的等效电纳，这样就会减小补偿电流中的基波分量。TCR的控制系统检测系统的有关变量，并根据检测量的大小以及给定（参考）输入量的大小，产生相应的晶闸管触发延时角，通过调整触发角的大小就可以改变补偿器所吸收的无功分量，达到调整无功功率的效果。

三、最大无功补偿容量的计算

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。

3.1最大动态无功补偿的计算

最大无功补偿容量按式（4）计算

（4）

式中，φ1和φ2分别为补偿前后110kV电源侧功率因数角；Pmax为设计线路牵引负荷的最大有功需求；

（5）

3.2馈线最大电流的选取

牵引供电专业计算的馈线最大电流分别为最大有效电流Ixmax，馈线瞬时最大工作电流Ismax，馈线短时最大工作电流Icmax。为确定合理的最大无功补偿容量，需要理解三种馈线最大电流的计算方法及实用范围。

（1）最大有效电流Ixmax

（6）

式中，Ip为馈线平均电流，Kx为供电臂有效电流系数。计算最大有效电流时，是按照非平均运行图区间通过能力的列车数计算的。牵引供电计算中引入有效电流的概念是因为电气设备的温升是由有效电流决定的。

（2）瞬时最大工作电流Ismax

牵引供电设计中，通常按一列列车在供电臂远端起动，而在其余区间都同时有车用电运行计算。

（7）

式中，Iqd为列车起动电流峰值；md为供电臂中可能运行的最大列车数，对于单线电气化铁路通常等于供电臂的区间数。

从计算原理上看，牵引供电设计中的瞬时最大工作流是供电臂正常运行方式下持续几秒左右的最大负荷电流，利用其计算出的无功功率补偿安装总容量往往很大，必然存在资源的浪费。

（3）短时最大工作电流

供电臂短时最大电流一般持续3—5min，可以从供电臂的最大瞬时负荷图获得。目前主要采用概率统计法，即按照供电臂用电运行列车数概率积分曲线的95%概率积分对应的最大列车数ng与每列列车平均电流求得：

（8）

在几分钟之内，供电臂内的机车运行状况，甚至供电臂内的列车数量都可能发生较大的变化。动态无功补偿装置需要根据负荷的变化及时提供所需的无功功率。因此采用短时最大工作电流计算最大动态无功补偿容量的计算是合理的。

四、FC滤波支路的优化设计

FC滤波支路的优化设计，应按以下设计原则进行

（1）不改变总基波容性补偿功率的情况下，使补偿滤波装置的总容量最小；

（2）根据牵引负荷的谐波特点，合理设置FC滤波支路的组成，有条件时，应根据对供电臂的实际测量分析结果决定滤波支路的租场；

（3）需设置合适的调谐系数，避免因电网频率下滑或装置参数误差使滤波支路合成阻抗滑到容性区产生谐波放大，乃至发生并联谐振，危及装置的安全运行；

（4）避免某次滤波支路补偿功率偏小而发生过负荷，以免对设备的安全运行造成影响。

参考文献：

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[5]贺建闽，黄治清，李群湛.牵引供电所固定并联电容补偿有效性评价.

[6]王兆安，杨君，刘进军等.谐波抑制和无功功率补偿第二版[M].北京：机械工业出版社，2006.