無(wú)功控制的電鐵電能質(zhì)量治理裝置和運(yùn)用分析

劉娜

摘? 要：電氣化鐵路項(xiàng)目運(yùn)作階段使電網(wǎng)系統(tǒng)容易滋生低功率因數(shù)、大負(fù)序電流，降低電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程的安穩(wěn)性。為應(yīng)對(duì)以上情況，提出在鐵路車站周邊安置無(wú)功補(bǔ)償裝置（SVG）的建議，并擬編了SVG并聯(lián)式運(yùn)轉(zhuǎn)及聯(lián)合應(yīng)用高壓電容器組的補(bǔ)償方案，規(guī)劃SVG的控制思路。工程實(shí)踐表明，該裝置投用后，電網(wǎng)系統(tǒng)功率因數(shù)從最初的0.78提升至0.97，不均衡度由最初的20.44%降至1.80%;系統(tǒng)諧波頻率明顯降低，3次與5次諧波的含有率均值由最初的23.35%、12.35%依次降至4.43%、2.47%，這提示SVC能較明顯的優(yōu)化牽引網(wǎng)的電網(wǎng)品質(zhì)，值得推廣。

關(guān)鍵詞：電氣化鐵路;牽引變電站;諧波;無(wú)功控制無(wú)功補(bǔ)償;電能質(zhì)量

中圖分類號(hào)：U223 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2020）18-0185-02

Abstract： In the operation stage of electrified railway project， the power grid system is easy to generate low power factor and large negative sequence current， and reduce the stability of power grid operation process. In order to deal with the above situation， the suggestion of installing Static Var Generator （SVG） around railway station is put forward， the compensation scheme of SVG parallel operation and combined application of high voltage capacitor bank is drawn up， and the control idea of SVG is planned. The engineering practice shows that after the device is put into operation， the power factor of the power grid system is increased from 0.78 to 0.97， the imbalance is reduced from 20.44% to 1.80%， the harmonic frequency of the system is obviously reduced， and the average value of the third and fifth harmonics is increased from the initial 23. 35% and 12.35% dropped to 4.43% and 247% respectively， which suggests that SVC can obviously optimize the quality of traction network and is worth popularizing.

Keywords： electrified railway; traction substation; harmonics; reactive power control reactive power compensation; power quality

現(xiàn)如今，電力機(jī)車投運(yùn)數(shù)目持續(xù)增加，電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行階段諧波含量高、電壓不均衡等電能質(zhì)量缺陷也陸續(xù)出現(xiàn)，且日漸嚴(yán)重化。過(guò)往為有效治理、優(yōu)化鐵路電能質(zhì)量，通常是將三相SVG安裝在牽引站高壓端，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)就地補(bǔ)償，以上治理手段實(shí)施階段補(bǔ)償裝置無(wú)法直接作用在電鐵負(fù)荷端，治理方位和電能質(zhì)量污染始源地相距較遠(yuǎn)，故而，在治理以上電能質(zhì)量缺陷方面效果欠佳，且三相SVG建設(shè)成本偏高、占地面積偏大[1]。筆者提出將無(wú)功發(fā)生器三相SVG與電容組增設(shè)到車站內(nèi)的建議，借此方式實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)無(wú)功功率的動(dòng)態(tài)式補(bǔ)償，借此方式強(qiáng)化動(dòng)車周邊供電活動(dòng)的安穩(wěn)性。

1 電鐵SVC工作原理

諧波濾波支路（CFC）、晶閘管控制電抗器（CTCR）支路是電鐵SVC的主要構(gòu)成。其中，基于機(jī)車牽引負(fù)荷形成的3、5、7等諸多諧波電流特征去設(shè)計(jì)CFC，設(shè)定3次與5次CFC。CTCR支路的構(gòu)成以反并聯(lián)晶閘管閥組、相控電抗器為主。

3次與5次CFC的功能是提供恒定的容性無(wú)功，SVC控制器結(jié)合牽引網(wǎng)電壓（u）、電流（i）指標(biāo)設(shè)定控制角（α），α的作用是整改相控電抗器內(nèi)流經(jīng)的電流，借此方式確保TCR能供應(yīng)出可調(diào)控的感性無(wú)功。如果負(fù)荷（電力機(jī)車）的無(wú)功是Qz，那么可以使用負(fù)荷與SVC無(wú)功功率兩者的和測(cè)求出系統(tǒng)供給的無(wú)功功率（QN）。這也提示當(dāng)負(fù)荷無(wú)功Qz指標(biāo)改變時(shí)，若TCR供應(yīng)的感性無(wú)功能有效代償Qz出現(xiàn)的改變，就能維持QN恒定不變，這樣便能實(shí)現(xiàn)對(duì)功率因數(shù)的有效控制[2]。

2 規(guī)劃設(shè)計(jì)主電路

從本質(zhì)上分析，SVG等同于有源逆變器，其應(yīng)用階段通常把電抗器裝設(shè)到系統(tǒng)內(nèi)，其對(duì)應(yīng)控制系統(tǒng)采用調(diào)控逆變器輸出過(guò)程的形成，清晰的呈現(xiàn)出幅值與相位，精確的調(diào)控SVG傳輸?shù)臒o(wú)功功率的指標(biāo)與方向，以此為基礎(chǔ)達(dá)成動(dòng)態(tài)式無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪繕?biāo)。

建設(shè)隔離型多重化SVG，等同于利用隔離變壓器隔離處理SVG與高壓端的系統(tǒng)母線;而針對(duì)低壓端SVG，并聯(lián)數(shù)個(gè)SVG模塊并將其銜接到變壓器低壓繞組上。依照現(xiàn)存的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)施與SVG容量值，合理設(shè)定SVG的并聯(lián)數(shù)量。

本設(shè)計(jì)方案的特征主要有[3]：（1）和高壓電容器組聯(lián)合使用，能降低有源補(bǔ)償量，進(jìn)而減少裝置安裝建設(shè)階段資金的投入量;（2）各種SVG便于集中式調(diào)控，且在以上過(guò)程中不會(huì)滋生出相互擾亂補(bǔ)償過(guò)程的問(wèn)題;（3）能夠構(gòu)建出冗余降額運(yùn)轉(zhuǎn)模式，若一個(gè)變流器運(yùn)轉(zhuǎn)階段出現(xiàn)異常，則不會(huì)引起其他裝置整體停運(yùn)的問(wèn)題;（4）各種SVG均采用了獨(dú)立運(yùn)行的變流器單元，和過(guò)往協(xié)同使用的直流電容的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作比較，各種SVG變流器間不會(huì)形成環(huán)流;（4）對(duì)各種SVG均能采用模塊化設(shè)計(jì)方法，為移植過(guò)程創(chuàng)造了極大的便利性，且還能結(jié)合容量指標(biāo)大小對(duì)模塊數(shù)目進(jìn)行擴(kuò)充處理。

3 控制方案

3.1 閉環(huán)式控制

本文設(shè)計(jì)的全部SVG逆變器模塊共同使用同一個(gè)控制器，控制器的作用是收集牽引供電側(cè)電壓、電流信號(hào)，而后在瞬時(shí)無(wú)功功率相關(guān)理論支撐下測(cè)算出應(yīng)補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功電流值，科學(xué)將其配置給并網(wǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的SVG逆變器，將其設(shè)為傳輸無(wú)功電流的命令。

針對(duì)牽引網(wǎng)內(nèi)的無(wú)功電流，經(jīng)加法器處理后將會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)運(yùn)行所需補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功電流，而后和SVG輸出電流信號(hào)做比較分析，這樣便能測(cè)求出系統(tǒng)所需補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功電流參照值，對(duì)比分析直流側(cè)電壓與目標(biāo)電壓，能夠測(cè)求出直流端對(duì)應(yīng)的電壓補(bǔ)償值，而后經(jīng)由電壓調(diào)節(jié)器獲得有功電流補(bǔ)償指標(biāo)，再與SVG輸送出的電流有功分量比較分析，便能獲得所需補(bǔ)償?shù)挠泄﹄娏魉矔r(shí)指標(biāo)。綜合以上各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行dp-αβ轉(zhuǎn)換，便能測(cè)求出SVG持有的控制電流（iα），實(shí)質(zhì)上對(duì)應(yīng)的就是PWM模塊的調(diào)制波，將調(diào)制波與三角載波做比較分析后，能形成逆變器模塊正常運(yùn)作階段所需的觸發(fā)脈沖，其作用是調(diào)控SVG的輸出電流值大小[4]。

系統(tǒng)運(yùn)行階段應(yīng)采用了雙閉環(huán)控制措施，并以dp-αβ正逆轉(zhuǎn)換過(guò)程為支撐，能更為快速、準(zhǔn)確的梳理直流端電壓和控制電流兩者的相關(guān)性——解耦關(guān)系，能為項(xiàng)目建設(shè)階段調(diào)整PI過(guò)程創(chuàng)造便利條件。

3.2 多重化載波移相

將重化載波移相（CPS-SPWM）是一種能在全控型器件開(kāi)關(guān)調(diào)制過(guò)程中表現(xiàn)出較高適用性的手段，將其整合至控制系統(tǒng)內(nèi)，伴隨SVG并聯(lián)數(shù)目的增多，開(kāi)關(guān)裝置對(duì)應(yīng)的等效頻次也會(huì)做出相應(yīng)增長(zhǎng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)SVG輸出電流內(nèi)次諧波率指標(biāo)的有效調(diào)控，在這樣的工況下SVG輸出波形與正弦波更為相像。

CPS-SPWM的基本思想可以做出如下闡釋：假定并聯(lián)多重化的SVG個(gè)數(shù)是N，SVG所有H橋變流模塊共同使用相同一個(gè)調(diào)制波信號(hào)US（wst），角頻率用Kcws表示，Kcws也用于表示每種逆變橋內(nèi)的三角波載波頻，針對(duì)逆變器模塊三角波的相位，要求其與三角周波1/N相錯(cuò)位，則此時(shí)第X（1≤X≤N）逆變器對(duì)應(yīng)的三角波初相角ψL=ψC=2πX/N，此時(shí)多重化SVG逆變器整體輸出的電流等效開(kāi)關(guān)頻率就可以采用NKcws表示。

4 工程應(yīng)用

本位設(shè)計(jì)的方法目前在國(guó)內(nèi)部分地區(qū)變電站的無(wú)功補(bǔ)償中均有應(yīng)用。SVG依照實(shí)時(shí)測(cè)得的各供電臂需補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功率，推測(cè)出對(duì)應(yīng)的控制角，在此基礎(chǔ)上調(diào)整相控電抗器內(nèi)的電流，進(jìn)而達(dá)成平穩(wěn)輸送無(wú)功功率的目標(biāo)。因牽引網(wǎng)內(nèi)3、5次諧波電流所占比重相對(duì)較大，故而設(shè)計(jì)階段擬定把FC支路規(guī)劃成兼做3、5次單頻CFC。并為減少或規(guī)避諧波放大的情況，一定要在3次CFC支路的投入后在投用5次CFC支路。比較某時(shí)刻補(bǔ)償裝置投用前后瞬間電壓電流波形（見(jiàn)圖1）。對(duì)圖1（左側(cè)圖）進(jìn)行分析后，能較快速的察覺(jué)到系統(tǒng)電壓畸變相對(duì)較大，諧波含量處于較高水平上，存留著負(fù)序電流。觀察圖1（右側(cè)圖）后發(fā)現(xiàn)投入SVC以后，電網(wǎng)系統(tǒng)電壓畸變、諧波電流、負(fù)序電流指標(biāo)均有較明顯改善。

對(duì)裝置投用前后相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后，發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)系統(tǒng)不均衡度由最初的20.44%降至1.80%，負(fù)序電流明顯降低無(wú)功補(bǔ)償體現(xiàn)出時(shí)效性特征，功率因數(shù)從最初的0.78提升至0.97，有效應(yīng)對(duì)了過(guò)往由于功率因數(shù)不足而形成的罰款問(wèn)題;系統(tǒng)諧波頻率明顯降低，3次與5次諧波的含有率均值由最初的23.35%、12.35%依次降至4.43%、2.47%。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)分析電氣化鐵路運(yùn)行現(xiàn)狀，認(rèn)識(shí)某個(gè)時(shí)間段牽引網(wǎng)車站周邊可能存在電能質(zhì)量偏差的問(wèn)題，故而做出將無(wú)功補(bǔ)償裝置安置在車站周邊的建議。本文設(shè)計(jì)方案用于工程實(shí)踐中，有補(bǔ)償快速、調(diào)控準(zhǔn)確度高、能實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)及成本偏低等諸多優(yōu)勢(shì)，有效治理了諧波及抑制了負(fù)序電流，將SVG的功能淋漓盡致的發(fā)揮出來(lái)，為電網(wǎng)系統(tǒng)安全供電過(guò)程提供可靠支撐。

參考文獻(xiàn)：

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