无功控制的电铁电能质量治理装置和运用分析

张毅

摘要：电气化铁路项目运作阶段使电网系统容易滋生低功率因数、大负序电流，降低电网运行过程的安稳性。为应对以上情况，提出在铁路车站周边安置无功补偿装置（SVG）的建议，并拟编了 SVG并联式运转及联合应用高压电容器组的补偿方案，规划 SVG的控制思路。工程实践表明，该装置投用后，电网系统功率因数从昀初的 0.78提升至 0.97，不均衡度由昀初的 20.44%降至 1.80%;系统谐波频率明显降低，3次与 5次谐波的含有率均值由昀初的23.35%、12.35%依次降至 4.43%、2.47%，这提示 SVC能较明显的优化牵引网的电网品质，值得推广。

关键词：电气化铁路;牵引变电站;谐波;无功控制无功补偿;电能质量

现如今，电力机车投运数目持续增加，电网系统运行阶段谐波含量高、电压不均衡等电能质量缺陷也陆续出现，且日渐严重化。过往为有效治理、优化铁路电能质量，通常是将三相 SVG安装在牵引站高压端，进而实现就地补偿，以上治理手段实施阶段补偿装置无法直接作用在电铁负荷端，治理方位和电能质量污染始源地相距较远，故而，在治理以上电能质量缺陷方面效果欠佳，且三相 SVG建设成本偏高、占地面积偏大[1]。笔者提出将无功发生器三相 SVG与电容组增设到车站内的建议，借此方式实现对电网系统无功功率的动态式补偿，借此方式强化动车周边供电活动的安稳性。

1电铁 SVC工作原理

谐波滤波支路（CFC）、晶闸管控制电抗器（CTCR）支路是电铁 SVC的主要构成。其中，基于机车牵引负荷形成的 3、5、7等诸多谐波电流特征去設计CFC，设定 3次与 5次 CFC。CTCR支路的构成以反并联晶闸管阀组、相控电抗器为主。

3次与 5次 CFC的功能是提供恒定的容性无功，SVC控制器结合牵引网电压（u）、电流（i）指标设定控制角（α），α的作用是整改相控电抗器内流经的电流，借此方式确保 TCR能供应出可调控的感性无功。如果负荷（电力机车）的无功是 Qz，那么可以使用负荷与 SVC无功功率两者的和测求出系统供给的无功功率（QN）。这也提示当负荷无功 Qz指标改变时，若 TCR供应的感性无功能有效代偿 Qz出现的改变，就能维持 QN恒定不变，这样便能实现对功率因数的有效控制[2]。

2规划设计主电路

从本质上分析，SVG等同于有源逆变器，其应用阶段通常把电抗器装设到系统内，其对应控制系统采用调控逆变器输出过程的形成，清晰的呈现出幅值与相位，精确的调控 SVG传输的无功功率的指标与方向，以此为基础达成动态式无功补偿的目标。

建设隔离型多重化 SVG，等同于利用隔离变压器隔离处理 SVG与高压端的系统母线;而针对低压端 SVG，并联数个 SVG模块并将其衔接到变压器低压绕组上。依照现存的无功补偿设施与 SVG容量值，合理设定SVG的并联数量。

本设计方案的特征主要有[3]：（1）和高压电容器组联合使用，能降低有源补偿量，进而减少装置安装建设阶段资金的投入量;（2）各种 SVG便于集中式调控，且在以上过程中不会滋生出相互扰乱补偿过程的问题;（3）能够构建出冗余降额运转模式，若一个变流器运转阶段出现异常，则不会引起其他装置整体停运的问题;（4）各种 SVG均采用了独立运行的变流器单元，和过往协同使用的直流电容的拓扑结构作比较，各种 SVG变流器间不会形成环流;（4）对各种 SVG均能采用模块化设计方法，为移植过程创造了极大的便利性，且还能结合容量指标大小对模块数目进行扩充处理。

3控制方案

3.1闭环式控制

本文设计的全部 SVG逆变器模块共同使用同一个控制器，控制器的作用是收集牵引供电侧电压、电流信号，而后在瞬时无功功率相关理论支撑下测算出应补偿的无功电流值，科学将其配置给并网运转状态下的 SVG逆变器，将其设为传输无功电流的命令。

针对牵引网内的无功电流，经加法器处理后将会转变为系统运行所需补偿的无功电流，而后和 SVG输出电流信号做比较分析，这样便能测求出系统所需补偿的无功电流参照值，对比分析直流侧电压与目标电压，能够测求出直流端對应的电压补偿值，而后经由电压调节器获得有功电流补偿指标，再与 SVG输送出的电流有功分量比较分析，便能获得所需补偿的有功电流瞬时指标。综合以上各项指标进行dp-αβ转换，便能测求出 SVG持有的控制电流（iα），实质上对应的就是 PWM模块的调制波，将调制波与三角载波做比较分析后，能形成逆变器模块正常运作阶段所需的触发脉冲，其作用是调控 SVG的输出电流值大小[4]。

系统运行阶段应采用了双闭环控制措施，并以dp-αβ正逆转换过程为支撑，能更为快速、准确的梳理直流端电压和控制电流两者的相关性——解耦关系，能为项目建设阶段调整 PI过程创造便利条件。

3.2多重化载波移相

将重化载波移相（CPS-SPWM）是一种能在全控型器件开关调制过程中表现出较高适用性的手段，将其整合至控制系统内，伴随 SVG并联数目的增多，开关装置对应的等效频次也会做出相应增长，进而实现对 SVG输出电流内次谐波率指标的有效调控，在这样的工况下 SVG输出波形与正弦波更为相像。

CPS-SPWM的基本思想可以做出如下阐释：假定并联多重化的 SVG个数是 N，SVG所有 H桥变流模块共同使用相同一个调制波信号 US（wst），角频率用 Kcws表示，Kcws也用于表示每种逆变桥内的三角波载波频，针对逆变器模块三角波的相位，要求其与三角周波 1/N相错位，则此时第 X（1≤X≤N）逆变器对应的三角波初相角ψL=ψC=2πX/N，此时多重化SVG逆变器整体输出的电流等效开关频率就可以采用 NKcws表示。

4工程应用

本位设计的方法目前在国内部分地区变电站的无功补偿中均有应用。SVG依照实时测得的各供电臂需补偿的无功率，推测出对应的控制角，在此基础上调整相控电抗器内的电流，进而达成平稳输送无功功率的目标。因牵引网内3、5次谐波电流所占比重相对较大，故而设计阶段拟定把 FC支路规划成兼做 3、5次单频CFC。并为减少或规避谐波放大的情况，一定要在 3次 CFC支路的投入后在投用 5次 CFC支路。比较某时刻补偿装置投用前后瞬间电压电流波形，能较快速的察觉到系统电压畸变相对较大，谐波含量处于较高水平上，存留着负序电流。发现投入 SVC以后，电网系统电压畸变、谐波电流、负序电流指标均有较明显改善。

对装置投用前后相关数据进行统计后，发现电网系统不均衡度由昀初的 20.44%降至 1.80%，负序电流明显降低无功补偿体现出时效性特征，功率因数从昀初的 0.78提升至 0.97，有效应对了过往由于功率因数不足而形成的罚款问题;系统谐波频率明显降低，3次与 5次谐波的含有率均值由昀初的 23.35%、12.35%依次降至 4.43%、2.47%。

5结束语

本文通过分析电气化铁路运行现状，认识某个时间段牵引网车站周边可能存在电能质量偏差的问题，故而做出将无功补偿装置安置在车站周边的建议。本文设计方案用于工程实践中，有补偿快速、调控准确度高、能实现模块化设计及成本偏低等诸多优势，有效治理了谐波及抑制了负序电流，将 SVG的功能淋漓尽致的发挥出来，为电网系统安全供电过程提供可靠支撑。

参考文献

[1]江宇，杨文群，王治玲，等.电铁牵引负荷对县级电网电能质量影响的测量与治理仿真[J].电气自动化，2016，38（03）：116-118.

[2]王慧慧，金维刚，李陈程.电气化铁路电能质量的综合评估及治理[J].电力电容器与无功补偿，2014，35（03）：58-64+78.

[3]赵祎婷，张悦，雷达.基于单相背靠背 SVG的电铁电能质量优化治理研究[J].山西电力，2013，41（03）：18-20.

[4]高亚莉，秦昌龙.电铁系统影响下的煤矿电网负序电流治理方案研究[J].变频器世界，2013（02）：100-102+68.