静止无功发生器在电气化铁路中的应用与探索

摘 要：针对电气化铁路单相、非线性的冲击负荷的特点，静止无功发生器（SVG）对于提高牵引供电系统功率因数具有重要意义。该文主要介绍SVG的工作原理，并以黔桂线南丹牵引变电所SVG改造工程为背景，以减少运行单位罚款为契机，通过改变SVG装置电流采样点位置来补偿全所无功功率的可行性进行理论分析及实践。结果表明，通过此种方式，尤其在轻负荷侧安装时，容易造成过补偿，引起补偿支路过电压跳闸。为同类工程在实施提供借鉴，具有一定参考意义。

关键词：电气化铁路；无功补偿；静止无功发生器（SVG）；负荷特点；牵引变电所

中图分类号：U223.6 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）29-0181-04

Abstract： According to the characteristics of single-phase and nonlinear impact load of electrified railway， static var generator （SVG） is of great significance to improve the power factor of traction power supply system. This paper mainly introduces the working principle of SVG， and takes the SVG reconstruction project of Nandan traction substation on Guizhou-Guangxi Line as the background， taking the opportunity of reducing the fine of the operating unit， carries on the theoretical analysis and practice on the feasibility of compensating the reactive power of the whole institute by changing the position of the current sampling point of the SVG device. The results show that in this way， especially when installed on the light load side， it is easy to cause overcompensation and overvoltage tripping of the compensation branch. It provides a reference for the implementation of similar projects， and has a certain reference significance.

Keywords： electrified railway; reactive power compensation; static var generator （SVG）; load characteristics; traction substation

电气化铁路牵引负荷为单相、非线性的冲击负荷，接入电力系统中会带来谐波、负序、功率因数较低等问题，尤其在以运营SS4、SS8、SS9韶山型交-直电力机车的线路上较为突出。随着电力市场商业化运营机制的不断健全，以及无功功率反送正计计量方式的采用，铁路运营单位在铁路牵引变电所功率因数较低时会面临数额较大罚款，增加铁路运输成本[1]。

目前，我国电气化铁路牵引变电所主要采用SVC（Static Var Compensator，静止无功补偿装置）和SVG（Static Var Generator，静止无功发生器）来解决此问题。SVC主要分为晶闸管控制电抗器（TCR）和固定电容补偿（FC）配合使用的静止无功补偿装置（FC+TCR），以及采用磁控电抗器（MCR）配合并联电容器组的MCR型静止无功补偿装置。随着电力电子技术的发展，SVG在电气化铁路中的应用已日趋成熟[2]。

SVG相较于SVC具有控制灵活、响应速度快、可靠性高和占地面积小等优点[3]。本文结合黔桂线南丹牵引变电所内SVG改造工程，介绍SVG在铁路牵引变电所内动态无功补偿方面良好特性。同时，在所内两相SVG设备更换时，以减少电力公司罚款为目的，对投入单相SVG即补偿全所无功功率作出尝试，为行业内同类工程实施提供参考。最终在两相SVG设备均投入情况下，实现所内良好无功动态补偿。

1 电气化铁路负荷特点

1.1 三相不平衡谐波源

电气化铁路机车是靠可控硅整流的一种设备，这种单相的，不对称负荷接入电力系统会破坏电网的对称运行。由于电力机车的非线性特点，当电力系统向铁路供电时，在传递系统所供给的基波能量的同时，会将部分基波能量转换为谐波，使电能质量降低，损坏系统设备。

1.2 冲击性负荷

电气化铁路牵引负荷是单相、移动、幅值频繁剧烈变化的特殊负荷，每天按列车运行图运行，日波动负荷的特征是非常明显。这种日波动负荷与线路情况、机车类型与操纵、机车速度、车引重量及运行图等多种因素有关，具有很大的波动特性。因此电气化铁路牵引负荷不同于一般的持续电力负荷，是一种典型的日波动负荷。

1.3 功率因数

牵引变电所功率因数降低会增加输电网络的电压损失，使电力网络的电能损耗增加及供电系统的电压损失增加。接触网电压下降，流过电力机车中的降压变压器、电动机等关键设备的电流增大，使其发热量增加，影响电力机车的功率输出，加大了主电路故障机率，减少了机车的使用寿命。造成牵引变压器容量不能得到充分利用，在供给一定牵引负荷的情况下，需要增加变压器容量，增加了供电成本。

2 SVG原理及其在铁路牵引变电所中的应用

SVG的基本原理是将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态补偿的目的[4]。同时，SVG在采用多重化、多电平或者PWM技术等措施后可大大减少补偿电流中的谐波含量，并且SVG使用的电容元件与传统TCR为代表的SVC相比要小，就使得该装置的体积大大缩小，节约占地面积。

黔桂线为单线电气化铁路，目前线路仍运营部分韶山型电力机车。黔桂线南丹变电所为直供牵引变电所，进线电源电压等级为110 kV，变压器安装容量为2×（8+12.5） MVA，三相V/V结线型式。无功补偿装置电容器安装容量为（9 600+12 000） kvar，无功补偿装置采用传统的晶闸管控制电抗器（TCR）和固定电容补偿（FC）配合使用的静止无功补偿装置，并配套单独滤波支路。如图1所示。

此套设备已运行超过10年，设备陆续出现晶闸管、控制板故障等问题。动补设备退出后牵引变电所功率因数仅为0.75。因此，考虑采用优点较为突出的SVG设备替换原有的SVC设备，替换后SVG设备A、B相补偿容量分别为9 Mvar、5 Mvar。改造过程中，首先对既有轻负荷方向供电臂B相动补设备进行拆除更换。在完成B相设备更换后，考虑对A相补偿装置更换过程中施工时间较长，施工过程中功率因数在未达到电力公司要求的0.9以上的情况下，势必造成运营单位的罚款。因此，结合实际需求，为减少电力公司罚款，对变电所27.5 kV侧仅投入单相（B相）即达到补偿全所无功功率，使功率因数达到合格目标值进行尝试。

3 静止无功发生器SVG的应用分析

图2为黔桂线南丹牵引所SVG补偿支路主接线，主要由SVG装置、串联电抗器，以及启动开关、隔离开关、避雷器等组成。其中，SVG由3个基本功能模块构成：检测模块、控制运算模块及补偿输出模块。

SVG的工作原理为由外部的CT检测系统的电流信息，然后经由控制芯片分析出当前的电流信息，如PF、S、Q等；由控制器给出补偿的驱动信号，最后由电力电子逆变电路组成的逆变回路发出补偿电流。

在南丹牵引变电所SVG改造过程中，首先对既有B相SVC设备进行拆除更换，更换后SVG补偿装置仅投入B相，原A相SVC设备退出运行，此时SVG控制侧CT采样点仅采集27.5 kV侧B相电流。若仅投入B相SVG设备后满足变电所功率因数要求，再对A相SVC设备进行更换，则可避免过渡施工过程中功率因数不达标引起的罚款。通过对投入后运行数据监控，在一天内仅投入B相SVG情况下，变电所功率因数为0.79。通过对比观察110 kV侧系统有功、无功功率，以及SVG输出电流如图3—图5所示。

对比110 kV侧系统有功、无功功率和SVG输出电流，可以看出很多时候系统存在无功时，SVG没有出力，变电所统计有功、无功功率是在110 kV系统高压侧，而单相SVG控制点为27.5 kV侧，接的是B相，补偿无功功率由B相输出，虽然B相有负荷时可以补偿无功，但是A相没有接入补偿装置，同时A相为重负荷臂方向，负荷较大；而接入SVG补偿装置的B相负荷相对较小。接在B相SVG装置检测模块未检测到A相无功，因此，补偿输出模块无法补偿全所无功功率，只有单相SVG接在B相，导致A相的无功没有补偿，最终统计的功率因数偏低。

为满足高压侧补偿要求，将已投入B相SVG电流采样点接在110 kV高压侧，通过采集110 kV侧电流尝试对全所进行无功补偿，高压侧三相总有功和无功功率计算公式如下

式中：Ud、Uq为110 kV侧三相电压经过三相dq变换后的值；Id、Iq为110 kV侧三相电流经过三相dq变换后的值。牵引所内计量电表有功、无功功率计算方式如下

上述计算方法与式（1）等效。

在B相±5 Mvar的SVG投入情况下，按照功率因数为1进行补偿时，通过采集单日内不同时间段的无功功率、有功功率，对有功功率和无功功率的时间积分进行计算，系统剩下的总无功估算为15.243 75 Mvar·h，系统总有功为P=0.69×66=45.54 MW·h，可估算出功率因数PF=0.957。考虑SVG采集110 kV侧系统电流进行无功补偿，SVG设备按照功率因数为1进行补偿，补偿时三相无功计算方法采用瞬时无功方法进行计算，对一天内不同时段SVG补偿后剩下的系统无功数据进行整理估算，可估算出功率因数为PF=0.95。

根据上述理论分析，在调整B相电流采样位置后使用瞬时功率计算方式，可以补偿三相功率因数满足要求，由于SVG目前运行在一相，若用于补偿三相的功率因数，存在单相过补偿的风险。为验证上述方案是否可行，调整B相SVG的采样点接线，将SVG的采样流互接至110 kV侧，然后投入B相±5 MvarSVG试运行，观察牵引所功率因数，在投入初期功率因数有明显提高，达到8.5左右，随着投运时间增加，B相动补断路器最终出现了过电压跳闸现象，现场记录27.5 kV母线电压值超过了31 kV。试运行期间功率因数为0.85。

通过上述实践后得出，虽然改变SVG装置采样点，通过瞬时功率计算方式可满足全所补偿无功功率，但是B相SVG采样模块采样点采集的110 kV侧无功功率，B相本身又为轻负荷侧，补偿输出模块仅在B相输出，很容易就导致B相出现过补偿，最终B相支路因过电压而跳闸。在变电所轻负荷侧单相投入SVG就补偿全所方案并不可行，要提高全所功率因数，需A、B两相SVG设备均投入运行。

将A、B两相SVG设备同时投入运行后，SVG装置体现了良好的补偿特性，全所功率因数达到0.97，并体现了良好的滤波特性，相对于原SVC设备，SVG在全所无功补偿响应速度上更加迅速。

4 结论

静止无功发生器SVG相对于传统的静止无功补偿装置SVC优点是突出的。本文以黔桂线南丹牵引变电所SVG改造工程为背景，将变电所内原SVC设备更换为SVG设备，更换后SVG设备在无功补偿方面展现了良好的特性，同时在改造过程中，以减少运行单位罚款为契机，对单相SVG投入补偿全所无功功率进行了实践，实践得出，在投入单相SVG情况下通过改变采样点位置实现补偿全所无功功率的方法难以实现，尤其是在轻负荷侧安装时，容易造成过补偿引起支路电压超过整定值。为实现全所无功补偿，需投入两相SVG设备。同时，在两相SVG设备均投入情况下，SVG设备也体现出了在动态无功补偿中响应速度快、可靠性高、占地面积小等优点，为电气化铁路的可靠运行提供了有力支撑。

参考文献：

[1] 李群湛.牵引变电所供电分析及综合补偿技术[M].北京：中国铁道出版社，2006.

[2] 刘玲.牵引供电系统静止无功发生器研究[D].成都：西南交通大学，2012.

[3] 徐裕强，解绍锋，钟帆，等.基于静止无功发生器的双流制牵引供电系统控制策略[J].电网技术，2024，48（2）：858-871.

[4] 陈青华，李群湛.静止无功发生器在牵引供电系统中的分析[J].电力科学与技术学报，2007（4）：36-40.