电气化铁道用智能投切型地面无功补偿装置分析

刘郭辉

（中铁电气化局集团有限公司国际工程公司，北京 100000）

1 装置概述

动态无功补偿设备与有源谐波治理设备的静止无功发生器（SVG）系统均以绝缘栅双极型晶体管（IGBT）为关键点，设备使用链式换流器，链式SVG的出现预示我国电力系统无功补偿技术迎来新的发展方向。智能化投切无功补偿装置可以高效控制电压及功率，确保电力系统稳定运行。

配电网系统中，将链式换流器安装在变电站或电压负荷附近，能够优化电压负荷与公共电网连接部位的电能质量，优化效果较显著，可以大幅度提升电压功率，均衡三相电的电流分布，消除谐波及稳定电压波动等。

2 原理及结构分析

2.1 装置原理

SVG原理如图1所示。

图1 SVG原理

链式换流器利用变压器或电抗器将电路以并联形式连接在电网中，调整交流侧的输出电压的幅值与电压相位，直接或间接性地接受、发出满足工作需求的无功电流，实现动态化的无功补偿。

2.2 结构分析

（1）控制柜。

控制柜主要由控制器、继电器、空气开关、电源组成。控制电源附带两种不同的电源系统，分别为DC24V类型、DC5V类型。控制电源可以为控制器与继电器提供充足的电流。显示面板由信号灯与显示屏构成。控制器由模板、屏幕、控制器与计算机构成。

（2）功率柜。

功率柜中最重要的组件为功率构件，单个功率柜细分为三层。功率单元中的直流电选择薄膜电容，需要兼顾串联功率中电容器电压均衡问题，在实际设计时，将电阻与控制开关以串联方式连接，能够确保电压的均衡性，在控制开关断开后，释放多余电流，确保消除安全隐患。

功率单元正面如图2所示。

图2 功率单元正面

功率模块部位的控制器使用保护回路，输出驱动回路，使用现场可编程逻辑门阵列（FPGA）芯片，智能化设计可以有效简化硬件结构，软件方面的设计可以突显灵活性，为后续功能拓展提供接口，具备较强的可靠性，对结构组件的干扰性较小[1]。

（3）启动柜。

启动柜由控制开关、电阻、接地刀闸、隔离刀闸构成。链式换流器使用自励启动模式。控制开关关闭后，配电系统自动对功率单元进行充电，系统充电至额定值最大值的80%时，控制系统自动启动开关。对链式换流器进行检修的过程中，隔离刀闸与接地刀闸可以为换流器提供良好的安全保障。

（4）连接电抗器。

灌流器的电流输出利用电抗器实现，电抗器需要与电力系统并联。

（5）冷却系统。

本研究控制系统的散热方式设计为密闭性的水冷方式，水冷系统由水泵、散热器、传感器构成。

3 电气化铁道应用分析

3.1 案例概况

结合某客运站供电系统可知，站内供电系统电压为10 kV，配电采用贯通性回路，供电覆盖的有效范围达50～60 km；系统配备单芯铜芯电力电缆，电缆的一级贯通截面面积为70 mm2，对应电流为0.599 8 A/km；电缆的综合贯通截面面积为95 mm2，对应的电流为0.659 1 A/km。

3.2 故障分析

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，使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，容易造成运营区段内的用电设备老化，影响设备使用寿命；功率因数低下可能加大电能损耗，不利于节能降耗。

3.3 应用说明

补偿谐波过程中，换流器自动向补偿电流中增加基波无功分量，实现补偿无功功率。换流器补偿的电流可以与负载电流内的谐波相抵消，控制电源部位的电流与负载电流中的基波功率相同；换流器可以在不扩大滤波支路数量的前提下，强化自身的治理能力。

（1）装置的运行状态。

①待机状态。换流器通电自动转变为待机状态，对自身进行检测。检测结果未发现故障时，各组件运行正常，指示灯会自动点亮。换流器处于就绪情况时若收到操作人员的启动命令，断路器会自动闭合，进入充电状态。

②充电状态。换流器的电容需要充电，自励启动模式下，断路器闭合后换流器的电容自动充电。断路器的电流电压充电至设置数值，经过短暂时间转化为运行状态。

③运行状态。运行状态下换流器以并网形式运行，能够在多种不同控制方式下输出电流，补偿无功功率或谐波。运行状态情况下出现报警，警示灯亮起，但不会对换流器造成影响；运行过程中出现电流过量现象会导致换流器闭锁，通过人工手动消除故障解锁设备重新运行；换流器运行的过程中受到停机命令时，自动发出跳闸命令，转换为跳闸状态。

④跳闸状态。换流器执行跳闸指令时转换为跳闸状态。系统检测到断路器处于断开连接状态时，换流器进入放电状态。

⑤放电状态。放电状态时由换流器释放电流。断路器断开连接后，设备电流电容会降低至0。放电状态持续10 s后转变为待机状态[2]。

（2）控制柜屏面说明。

控制柜的控制方式包括液晶控制面板、远程后台控制、控制按钮。液晶控制面板与控制按钮均设置在控制柜上，操作人员可以直接在现场进行操作控制，远程后台控制距离操作现场较远，控制人员不需要在操作现场完成对设备的控制。控制柜中设置的控制按钮在任何时间节点均具有功效，远程后台控制与液晶控制面板同时发出指令的情况下，仅有一个指令发挥效能。

（3）液晶面板使用说明。

①主界面。操作人员获取调试权限后，可以使用液晶面板中的按钮对系统进行调试。用户管理页面中，用户的账户与登录密码可以细分为三种类型，分别为用户账户设置、高级设置、用户管理。

主界面（权限提高）如图3所示。

图3 主界面（权限提高）

系统所有功能页面必须从主页面中点击进入，“主控操作”“技术参数设置”必须由操作人员正确操作。主界面的下方显示日期与时间，且系统日期与时间会自动更新。

②模拟量显示。主页面显示内容有限，部分画面无法显示，操作人员可以点击“首页”“下一页”“上一页”“返回”按钮完成页面跳转。页面下方显示的数字为系统当前的页面编号，分子指当前页码，分母指总页面数量。

液晶操作页面跳转条如图4所示。

图4 液晶操作页面跳转条

③主控操作。利用主控页面的按钮可以实现换流器操控，点击“上一页”或“下一页”可以实现系统主页面的画面转换，点击“返回”按钮，系统自动跳转至主页面。

④用户管理。用户管理主要包括用户等级管理与用户账号管理。修改用户的账号与登录密码时，必须在获取权限后修改。

（4）远程监控后台说明。

远程后台、本地触摸屏均可以作为交互界面，操作控制与技术参数设置无法同时操作，但监测功能可以同时与操作控制和技术参数设置使用。远程后台的操控人员为用户群体，远程后台设计的功能主要包括显示设备的剩余电量、启动换流器、关闭换流器、技术参数复位、显示换流器的运行状态、修改技术参数、显示设备运行过程中的故障等。

需要使用远程后台控制与技术参数设置功能时，先确认当前的工作状态，若当前不处于远程控制状态，应该在主界面将状态更换为远程控制方式[3]。

3.4 应用效果

（1）功率损耗。

换流器运行过程中的功率损耗非常低，SVG运行过程中的损坏主要源自变压器与电抗器，其他设备的功率消耗不会超出总损耗的0.8%。

（2）谐波特性。

换流器在补偿谐波的过程中，自动向补偿电流中增加基波无功分量，高效实现补偿无功功率。换流器补偿点电流可以与负载电流内的谐波相抵消，控制电源部位的电流与负载电流中的基波功率相同；换流器可以在不扩大滤波支路数量的前提下，强化治理能力。

（3）补偿方式。

换流器的补偿方式主要分为4种。恒功率因素下，功率控制点在合理的范围内运行；恒无功功率下，换流器输出无功功率，测量无功功率的精准性与响应速度；恒电压条件下，主要针对用户提出特殊要求补偿；负荷补偿条件下，可以随意选择补偿的对象，补偿谐波的次数控制为2～19次。

换流器投产使用后，具有一定的滤波功能，可以有效地降低电动机谐波对电路网路的污染，降低对信号的干扰，小幅度增长电容器的使用寿命，具备良好的经济效益。

4 结语

客运站10 kV电力系统大规模使用电缆，电缆在电流正常传输的情况下，选择电流负荷较小的工况；以单相电接地具备较高的灵活度为前提选择接地方式。恒定式电抗器的电流补偿具体数值应该按照贯通线路电容量的100%计算。负载功率因素发生波动时，通过投切分散的方式控制电抗器的数量，对无功补偿的范围进行合理调整，保证电气铁道供电系统的无功补偿控制能力得到显著提升，确保整个供电系统的供电水平得到优化。