哈大客运专线10 kV 供电系统无功补偿方式探讨

陈建明

0 引言

客运专线10 kV 供电系统无功功率补偿（下文简称无功补偿）是提高供电系统功率因数，保证供电系统安全，改善电能质量的重要手段。10 kV 供电系统无功补偿方式一般可分为分散补偿、集中补偿和分散与集中相结合的3 种形式。客运专线10 kV供电系统偏向采用分散与集中相结合方式，而分散与集中相结合方式中又有多种方式。本文就哈大客运专线供电系统无功补偿方案进行分析、比较，提出笔者的一点拙见。

1 哈大客运专线10 kV 供电系统分析

普速10 kV 供电系统一般采用架空线路，困难地段采用电缆线路的组网形式，线路的功率因数呈感性特征，仅在长大隧道等大量采用电缆的个别地段其功率因数呈容性特征，一般在供电回路沿线采用固定电抗器分散式一次性将线路功率因数补偿为弱感性。

普速10 kV 供电系统因车流密度较稳定，其负载一般比较稳定，受时间等因素的影响较小。

哈大客运专线10 kV 供电系统的特点： 10 kV配电所馈出的贯通回路，供电距离大约为50～60 km；采用非磁铠装单芯交联铜芯电力电缆，一级贯通截面为70 mm2，综合贯通回路截面95 mm2；哈大客运专线10 kV 供电系统采用的YJV62 型单芯电缆，耐压等级8.7/10 kV，截面为70 mm2的单芯电缆电容电流为0.599 8 A/km，95 mm2的单芯电缆电容电流为0.659 1 A/km。

供电负荷主要以通讯、信号、监控、通风机、空调、电梯、水泵、照明等为主，负荷相对较轻，且变化较大，供电线路的功率因数随负荷波动变化而变化；造成线路对地容性电流偏大，负荷端电压升高。负荷端电压升高可能会影响通信、信号、监控等系统的运行稳定性，危及铁路的安全运营，且容易造成运营区段内的用电设备老化，严重影响其使用寿命；功率因数低下，加大了电能损耗，不利于节能降耗。

客运专线受车流密度、检修天窗等影响，其负载一般不稳定。

由于目前客运专线10 kV 供电系统使用的无功补偿方案均存在不同程度的瑕疵，在确定哈大客运专线10 kV 供电系统无功补偿方案时，仍以探索、验证为出发点，采用了集中与分散相结合形式中的TCR+FC 型SVC、TSC+可控投切电抗器型SVC、SVG 3 种动态无功补偿装置。如果无功补偿装置参数匹配不当，则将使谐波放大，甚至发生谐振，影响设备安全和系统稳定。

2 无功补偿方案选择

为保证客运专线10 kV 供电系统的功率因数（包括谐波治理）符合公共电网的相关规定，对客运专线10 kV 供电系统进行无功补偿是目前面临的一个课题。

（1）电力供电系统无功补偿的原则。10 kV供电系统的无功补偿在10 kV 侧完成，380 V 供电系统的无功补偿在380 V 侧完成，以避免变压器、调压器的无功穿越。

（2）无功补偿整体方案。业内多倾向于采用固定电抗器沿线分散补偿（作为防止母线电压过高的基本措施）与10 kV 配电所内动态补偿装置集中补偿（动态实时补偿系统无功功率，使系统电压稳定在10 kV 左右）相结合的方案。该方案可以达到改善系统侧功率因数；防止长距离线路空载末端电压超出额定电压；改善运营区段内电气设备的运行电气环境，阻止过高电压对设备安全、使用寿命的影响；提高通信、信号、照明等系统的运行稳定性，提高铁路运营的安全性；节能降耗的效果显著，防止电压过高造成额外损耗，防止容性无功电流造成的额外损耗；在谐波严重的场合，该动态补偿装置还能起到抑制谐波的作用，进一步减小谐波造成的安全隐患与谐波损耗，避免长距离电缆线路电容电流引起谐振过电压。

（3）固定电抗器的补偿率问题。固定电抗器的补偿率问题业内基本有两种意见：一种认为选用固定电抗器补偿75%，剩余无功功率由所内无功动态补偿装置进行补偿。另一种提出，100%固定电抗器补偿方案，在所内无功动态补偿装置不用投入使用的前提下，功率因数已满足要求；如果后续负荷增加，造成过补，可再由所内无功动态补偿装置进行小范围的无功补偿。

（4）10 kV 供电系统的无功实时取样点选择。哈大客运专线10 kV 供电系统用于控制电流补偿相位的取样点选在配电所10 kV 进线柜处。

无功动态补偿装置以10 kV 母线无功功率以及母线电压作为控制目标，母线进线点的实时监控功率因数值要求高于0.95。

3 3 种动态无功补偿装置比较

（1）主要结构：a.TSC+可控投切电抗器型SVC 由控制柜，变压器柜，电抗器柜组成；b.TCR+FC 型SVC 由降压变压器，2 个反并联的晶闸管和电抗器串联（TCR），5 次滤波电容器组（FC）及控制系统等构成；c.SVG 由基于IGBT高频开关器件的电压源型逆变器，启动装置，控制、综合保护及监测单元等构成。

（2）工作原理：a.TSC+可控投切电抗器型SVC 以10 kV 母线无功功率作为控制对象，实现双向动态补偿，无功补偿装置的输出容量分别为-105～+300 kvar 和-165～ +400 kvar，可实现补偿步差不大于 15 kvar 的双向连续自动调节；b.TCR+FC 型SVC 可根据系统电压/无功功率的变化情况，自动跟踪，动态投切补偿，TCR+FC 型SVC 采集10 kV 母线的电压、电流信号，计算处理后发出触发脉冲，同时监测晶闸管运行状况，通过TCR 与FC 的组合，实现双向无功功率的动态补偿，自动调节，补偿功率因数至要求的范围内；c.SVG 动态无功补偿装置以三相大功率电压逆变器为核心，其输出电压通过连接电抗器接入系统，与系统侧电压保持同频、同相，通过调节其输出电压幅值与系统电压幅值的关系来确定输出功率的性质与容量，当其幅值大于系统侧电压幅值时输出容性无功功率，反之则输出感性无功功率。

SVG 装置的基本原理就是将自换相桥式电路通过电抗器并联在电网上，适当调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。

（3）补偿方式：a.TSC+可控投切电抗器型SVC 控制系统通过对晶闸管的开断控制，由低压电容器组直接发出无功功率，补偿系统的感性负荷，如果系统需要补偿容性无功功率，再投入并联电抗器补偿容性无功功率，整套装置能很好满足补偿系统感性、容性无功功率需要；b.TCR+FC 型SVC 通过连续调节TCR 回路的感性无功功率，抵消系统由于并联电容器发出的过补的容性无功功率，使装置输出功率平滑调节，补偿系统无功功率；c.SVG 有4 种可供选择的补偿方式，恒功率因数（令控制点保持在设定的功率因数运行），恒无功功率（令装置输出恒定大小的无功功率，通过该方式可以测量装置跟踪无功功率的准确性和阶跃响应速度），恒电压（当用户对电压有特殊要求时可以采用），负荷补偿（可任意选择补基波无功功率、补负序和补谐波，补谐波可选择2～19 次相应谐波次数的补偿功能）。

（4）功率损耗。无功功率是一种会在电网中引起损耗的无用功率，但又是不能缺少的一种功率。SVG 运行损耗低，主要是连接电抗器或变压器损耗和IGBT 损耗，成套装置的运行损耗不超过0.8%，而SVC 中仅相控电抗器的损耗就达0.9%～1%，加上晶闸管损耗、滤波支路损耗，总损耗达到1.2%左右。

（5）谐波特性。SVG 在补偿谐波的同时，只需在补偿电流的指令信号中增加与负载电流的基波无功分量反极性的成分，就可以实现补偿负载无功功率的目的；其补偿电流与负载电流中的谐波和无功功率成分相抵消，电源电流等于负载电流的基波有功功率分量；SVG 在不需要增加滤波支路情况下，对背景谐波具备治理能力。SVC 自身产生较大谐波，必须配备各次滤波支路。

4 SVG 优缺点分析

（1）SVG 是第三代动态无功补偿装置，相对于第二代的SVC 优势明显，SVG 能够提供从感性到容性连续、平滑、动态、快速的无功功率补偿；能够解决负荷不平衡问题；不仅不产生谐波，而且能在补偿无功功率的同时动态补偿谐波；对系统参数不敏感，安全性与稳定性好，能有效地避免并且抑制谐波电压放大及谐振。SVG 是电流源特性，输出无功电流不受母线电压影响，而SVC 是阻抗型特性，输出电流随母线电压线性降低。SVG 是今后无功补偿与谐波抑制综合技术的发展方向。

（2）SVG 产品广泛运用遇到的障碍：a.SVG的发热量问题需要大量的散热能耗，散热风机需要长期不间断运转，调试难度大，维护成本高；b.在铁路运行业绩少，其可靠性有待验证。

SVG 的发热量与多个参数有关，如容量、主电路拓扑结构、选用的开关器件、开关频率等，但由于选用的SVG 容量不同，所选器件也不同，在开关频率相同的情况下，发热量并不与装置容量成正比。以350 kvar SVG 产品为例：根据器件参数的计算，总损耗控制在7 kW 左右，所选用的热管散热器能够满足散热面温升小于30 K，远低于IGBT 开关器件的温度上限，其他行业采用的SVG产品实测结果在20 K 左右。实际产品的运行经验也表明，采用合适的热管散热加强制风冷，在温升方面可以绝对保证器件的安全。

5 结束语

综上所述，客运专线10 kV 供电系统无功功率动态补偿方式宜采用固定电抗器沿线分散补偿加配电所内动态补偿装置集中补偿相结合的方式。

（1）要充分考虑客运专线10 kV 电力系统，由于线路大量采用电缆产生的容性电流和正常情况下负荷电流较小的工况；以及单相接地保护灵敏度的前提下而选择的接地方式。固定电抗器补偿量应按贯通线路电容量进行100%补偿。如后续负载功率因数变化，可通过投切分散设置的固定电抗器数量进行较大范围的无功补偿调节，或由所内的SVG 进行小范围的无功补偿调节。

（2）SVG 与SVC 对比，是一种较为先进的静止型自换相变流电路的无功补偿装置。SVG 型动态补偿可以实现双向补偿，而且补偿精度高，且不发生谐振，在既有技术条件下，采用SVG 是一种较为理想的无功动态补偿方案。如哈大客运专线采用的SVG 运行效果良好，辅以其他行业的SVG运行业绩，可证明其可靠性满足客运专线的要求。

（3）在关注SVC 和SVG 无功补偿的同时，还应关注电力系统及其他行业对其他各种形式的动态无功补偿的研究（如静止变流器，包括堵流型自换相桥式电路，交-交变频电路以及交流斩波电路，统一潮流控制器等），以便进一步增强对客运专线10 kV 供电系统的控制能力，提高客运专线10 kV 供电系统的输电能力。