基于SVG无功补偿的电能质量综合治理技术研究

戴丽君，成明华

（1.南京铁道职业技术学院 铁道供电系，南京 210031；2.中国铁路上海局集团有限公司 南京供电段，南京210015）

0 引言

随着铁路建设的飞速发展，长大电缆在铁路供电系统中得到大量应用，长距离的电缆敷设产生了大量的容性负荷，造成系统在低负荷情况下呈容性状态，功率因数低，导致供电部门的力率罚款；同时，随着站房照明内大量的整流器、直流屏、LED 照明灯和变频扶梯等设备的接入，系统中的谐波成分复杂化，对系统安全性也带来很大的隐患，特别是对信号和数据传输带来安全隐患。另外，传统补偿方式接入系统后会改变系统特征阻抗，可能在系统负载变换，参数变换时引起谐振现象，在保护和监控措施不到位的情况下会带来致命故障。因此，研制开发基于DSP（数字信号处理器）和IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的智能化无功和谐波治理装置，不仅能够实时根据系统的无功需求和谐波情况进行补偿和治理，同时又能够与原有的后台和监控系统组网，实现设备自动化、智能化、网络化控制，实时将运行数据和状态上传，缩短通讯中断故障时间。既能节约人力、物力成本，又能提高设备巡检质量，提高供电可靠性。

1 高铁供电SVG无功补偿系统的构成

1）IGBT 逆变器设备对直流电压进行逆变转换为交流电压，通过控制逆变后交流电压的频率、幅度以及相位，进行无功调节和滤波。

2）直流电容器提供直流电压（相当于调相机的激励装置），同时可以实现平波功能。

3）控制和保护监控集成系统可以对系统的电压和无功功率变化进行快速检测，并计算设备所需提供的无功容量，进而产生和分配触发脉冲，对于整个设备实现分级分类保护。

4）监控单元可监控设备的系统状态和设备运行状态，也可实现远程通讯功能。

5）实现电气隔离可通过连接电抗器实现，可提高系统安全性，抑制逆变器连接到电网，防止电流突然变化，实现电流平波[1]。

2 SVG无功补偿系统主要技术参数

2.1 本成果的主要技术指标

1）额定工作电压：400V，690V，6kV，10kV，27.5kV，35kV。

2）额定容量：±1Mvar ～±100Mvar。

输出无功范围：感性额定无功到容性额定无功范围内连续变化。

3）响应时间：≤5ms。

4）过载能力：1.2 倍过载1min。

5）输出电压总谐波畸变率（并网前）：≤5%。6）输出电流总谐波畸变率THD：≤3%。

7）系统电压不平衡保护，整定范围：4%～10%。8）效率：额定运行工况≥99.2%。

2.2 与国内外同类技术比较，本成果的主要技术参数更为优异，主要体现在：

1）快速性好，动态响应时间≤5ms。

2）无功补偿容量很大时，输出电流谐波（THD）≤3%。

3）有多种运行模式：恒装置无功功率模式、恒考核点无功功率模式、恒考核点功率因数模式、恒考核点电压模式、负载补偿模式，可满足多种系统的需求，同时对于目标值可以进行实时更改。

4）对输出负荷进行实时跟踪检测，从而能够对系统无功功率进行动态补偿，既能增加系统功率因数也对谐波滤波，改善了整个电网的供电质量[2]。

5）能够提高电网电压的稳定性，减少母线电压闪变情况。

6） 系统主电路是利用由IGBT 构成的H 桥链式串联形式，每相是多个相同功率单元组成，波形是PWM（脉冲宽度调制）脉冲叠加产生的阶梯波，滤波后波形接近正弦波。

7）系统基于冗余性设计和模块化设计，运行灵活方便，且可靠性高。

8）系统的功率电路采用模块化设计的思想，可拓展性和可维护性高。

9）具有功能完善的保护系统，例如欠电压、过电压、单元模块过热、过电流、电压不均等保护，故障录波功能更能便于故障点的确定，减少了维护时间，提高了系统的运行可靠性。

10）具有良好的人机界面，数据通讯方面有串口RS485 标准，以太网接口协议，Modbus（串行通信协议）。界面能够对数字量和模拟量进行实时显示，同时还具有对运行历史事件记录和查询、系统信息查询、历史故障查询、单元状态监控等功能，一键开关机、分时控制、送电系统自检、示波器（AD 通道强制录波）、记录故障电压波形等额外功能也是一应俱全。

11）避免了合闸涌流、电弧重燃的问题，在投切前不需要进行放电，操作简便。

12）与电网连接十分方便，系统的相序问题不会对设备产生影响。

13）装置采用并联安装，外部拓展性好，光纤通讯保证系统数据传输的实时性从而能够实现动态无功补偿。

在目前国内检索范围内，同时具有上述特点的供电网电能质量综合治理技术，未见文献报道。

通过以上对比，可见本成果无功输出容量可根据运营需求配置，响应时间优于其它设备厂家，并且在同等容量输出条件下，损耗也较低，大大节约了运行成本。在设备的结构设计上更为紧凑，同等容量下占地面积更小，能够适应现场的环境空间要求，节约了土建成本。

3 高铁供电SVG无功补偿工作原理

IFTANGLE（静止无功发生器）——是当今无功补偿领域最新技术的代表，属于灵活柔性交流输电系统（FACTS）的重要组成部分。IFTANGLE(G)并联于电网中，相当于一个可控的无功电流源，其无功电流可以快速地跟随负荷无功电流的变化而变化，自动补偿电网系统所需无功功率，对电网无功功率实现动态无功补偿。

IFTANGLE(G)则是改变电抗器两端的电压降，其工作原理如图1 所示。

图1 高铁供电SVG无功补偿工作原理Fig.1 Principles of working for reactive compensation for high-speed rail power supply SVG

表1 与相应系统的竞争优势对比及市场竞争力Table 1 Comparison of competitive advantage and market competitiveness with the corresponding system

4 关键技术

1）基于MMC 的供电网电能质量综合治理装置使用高频的电力电子开关实现无功功率的补偿，装置同时采用模块均压控制技术和反馈加前馈的控制策略，保证控制方面安全可靠。

图2 功率柜的模块化单元排布Fig.2 Modular unit arrangement of power cabinets

2）通过PWM 脉宽调制技术改变输出电压的大小与相位，来提供系统所需的无功。

3）系统适用范围广，400V ～35kV 电压等级，在同行业首先实现了柜式功率单元的设计，即壳体不带有高电压。此设计更有利于设备的安装与运行，方便检修与维护，保证了人身安全。

4）根据负载的变化，实时跟踪检测系统无功和谐波变化，实现容性无功和感性无功的自动补偿，对系统中任何扰动的响应时间小于5ms。

5）具有一定的滤波功能，能够有效地滤除19 次以下的谐波电流。

6）是基于以太网的智能设备，可以通过公共以太网或是专用光缆进行组网，利用近场红外感应技术、wifi 无线网络技术使得设备终端实时获取装置的信息并加以控制，实现自动化控制与监测；也能够上传接入既有的后台控制和监测，真正实现信息化、自动化和智能化的控制。

7）链式结构的MMC 补偿装置减小了设备占地面积，降低了设备成本，同时由于不需要连接多重化逆变变压器，所以完全可以避免变压器励磁电路带来的由剩磁和饱和非线性产生的过电压和过电流问题。当前，分相控制链式电路可以实现更可靠的电压支持，能有效地降低系统受到扰动时带来的影响。

8）补偿装置是独立的部件，不影响其他的设备运行，也不会受到其他设备的影响，对系统参数十分不敏感，没有谐振的风险，与既有的无功补偿设备可以组网运行，具有自动旁路功能。

5 实际应用案例

铁路泰州变电所于2016 年投入基于MMC 动态无功补偿，目前使用良好，利用数字信号处理器作为主要控制核心，采用基于瞬时无功理论的控制策略，实时采集模拟量，通过高速计算和分析能力，将无功成分和谐波成分分离出来，然后通过控制基于大容量IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的电力电子变流器，实现对系统无功的补偿与谐波治理。变流器采用级联多电平结构，通过基于标准载波移相技术的SPWM(正弦波脉宽调制技术)进行调制发波，实现了控制系统整体响应速度的快速性和波形的高质量可控性，其对系统扰动的响应时间小于5ms，扰动发生的初期，快速的无功响应能够将系统发生风险控制在可控范围。

以该成果挂网运营的泰州变电所数据为例：

1）成果挂网前，泰州变电所罚款情况

泰州变电所2015 年10 月份开始，由于力率不达标被供电局罚款，从2015 年10 月份至2016 年9 月份，泰州变电所12 个月共计罚款33650 元；2016 年10 月份泰州-扬州贯通线转扬州所主供，期间泰州所罚款4800 元，扬州所罚款27600 元。累计罚款66050 元，共计13 个月，平均每月罚款5080 元。

2）成果挂网后，泰州变电所返奖情况

2016 年12 月份至2017 年12 月份，本成果在泰州变电所投入运用，受供电局奖励56846 元，共计13 个月，平均每月返奖4373 元。

3）节约成本情况

若泰州变电所从2016 年12 月到2018 年12 月没投入动态补偿，25 个月共计罚款约为127000 元，而投入动态补偿后返奖金额约109325 元。

所以累计共节约成本：

127000+109325=236325 元。

可见该成果应用成效非常显著，若广泛采用，则经济效益巨大。

4）主要表现在：

①进行无功补偿后，便可提高用电承载率，变压器可满负荷运行。例如一台315kVA、功率因素cosφ=0.6 的变压器只能提供优质服务189kW 的有功功率；将功率因数由0.6 提高到0.98，相当于扩大了63%，既有功由189kW 提高到309kW，基本满足300kW 左右的容量需要，可节省约34 万元的扩容成本。

②改善电能质量，延长电器寿命，提高设备质量。

③本成果的技术是灵活柔性交流输电系统（FACTS）技术和定制电力（CP）技术的关键一步，在电网和电力用户处方面都得到广泛应用，可以提高电能质量，节约能源，同时更能稳定电网电压。

④装置能够接入400V ～35kV 电压等级母线，解决了传统无功补偿装置的缺点，可以提供快速又连续的动态无功补偿和对谐波进行滤波。能够稳定电网电压的突然波动，并抑制母线电压的突然变化，有效地增加负载功率因数。

⑤该装置实用价值高，如能推广到各铁路局的每个变电所和城市轨道交通运营单位的每个变电所，则具有广泛的推广应用前景。

5.1 经济效益

1）提高用电效率

IFTANGLE(G)系列高压动态无功补偿装置提高了系统的功率因数，使功率因数始终保持较高值。

2）节约电费成本

IFTANGLE(G)系列高压动态无功补偿装置可以减少电网的视在功率而不降低电网有功功率，有效地提高了电网效率，减少了无功电流在线路上的损耗。简而言之：无功补偿可以减少无功功率，提高供电质量，减少供电损失，供电企业鼓励这种做法就会采取措施给予奖励．相反就会增加供电损耗，给予惩罚。因此，节约的用电成本十分可观。

5.2 社会效益

1）实现系统所需无功的动态补偿，可以随时随地补偿电网电压的波动，功率因数低等问题。

2）提高系统暂态电压稳定性，确保系统运行安全。

6 结论

本文成果是运用电力电子大功率开关器技术而研制的“有源无功动态补偿装置”，其特点有投切速度快，可过零触发，不会对电网造成过冲击等优点被市场认可；同时，在响应速度、稳定电网电压、降低系统损耗、增加传输能力、提高瞬变电压极限，降低谐波和减小占地面积具有更优越的性能，是未来无功补偿的发展方向，是未来无功补偿行业更新换代的产品。近年来新能源产业的超速发展，而有源补偿装置因可以容性补偿也可感性补偿，可以防止光伏发电系统夜晚产生的孤岛效应，有源补偿装置在光伏发电行业近几年得到了迅速的发展，将新技术、新材料用于有源无功动态补偿装置以改善其性能的研究一直没有中断过，并且已经取得较大突破。随着铁路行车设备的不断升级换代，时序与信号的控制越来越严格，对牵引变电所、电力变配电所的供电质量提出了空前的要求，为保证优质的供电质量，采用高性能的无功与谐波治理装置前景非常好，市场潜力巨大。