关于牵引变电所无功补偿研究

关于牵引变电所无功补偿研究梁俊（华东交通大学电气与电子学院电气（城轨）2009-1）摘要：为克服现有牵引变电所固功率因数低，谐波含量大和通过牵引变电所向电力系统注入波动的负序电流，改善电能质量，要进行进行无功补偿。

并联电容补偿的缺陷经济有效的方式是采用并联补偿，而对于电力部门采用的发送正计的计量方式，固定无功补偿已经满足不了要求，需采用动态补偿方案，而动态补偿方案的确定需根据牵引负荷的特点来最终确定。

关键字：牵引变电所；无功补偿；固定补偿；动态补偿；功率因数电力牵引负荷波动范围很大，一般机车电流很难保持30 s平稳不变，有时还会在更短的时间发生更突然的变化，使得日平均负荷与最大负荷相差很大。

同时，现在国内外普遍采用交—直型机车，产生整流型牵引负荷，这使牵引负荷具有功率因数低和谐波含有大（主要是奇次）的特点。

因此，功率因数低，谐波含量大和通过牵引变电所向电力系统注入波动的负序电流即为电力牵引自身具有的三大技术课题，这不仅使牵引供电系统自身的技术指标变坏，还使电力系统的电能质量受到损害。

改善电能质量的有效措施之一就是进行无功补偿。

所谓的无功补偿方案, 就是补偿基波下的牵引负荷的无功功率，以提高功率因数，滤除指定谐波。

为提高电力系统的容量利用率和供电质量，各国对各级电网及各类电力用户功率因数有着明确的规定，并采用经济手段进行管理。

我国将大宗工业用户经济功率因数定为0．90，高于0．90奖励，低于0．90惩罚。

我国幅员广大、地质情况多样，各地区发展程度不一，许多欠发达地区普遍具有电网容量小，公用电网负荷中铁路占比重过大的问题。

现有的无功补偿方案一般是设置固定电容进行并联补偿，实际运营后发现，在铁路轻载和空载的条件下，过补偿问题严重。

补偿后造成无负荷时电压抬升，变电所月平均功率因数反而降低，罚款增加等问题。

因此研究一种能提高电能质量，又不用大量追加一次性投资的补偿方案是非常必要的。

1 补偿方案近几年，结合国外的先进技术，我国电气化铁道变电所无功补偿与谐波综合治理提出了多种无功补偿方案，无论哪种方案，都是力求基波下补偿牵引负荷的感性无功功率，提高功率因数，降低负序，并构成有效的滤波通路，滤除（或抵消）指定谐波。

主要方案有：（1）安装固定电容器和电抗器组成单调谐滤波器。

在设计时，滤除指定的谐波，并兼顾提高功率因数，降低负序。

这种方案的优点是结构简单，投资少，但很难适应牵引负荷变化剧烈的特点，对于过补、欠补问题无法解决，在电力部门使用“返送正计”的无功计量方式情况下，功率因数很难满足要求。

（2）分组投切电容器。

可采用晶闸管进行投切电(TSC)晶闸管投切电容器的单相电路图如图1 所示,其图1 晶闸管投切电容器电路图中2 个反并联晶闸管将电容器接入电网或从电网断开, 串联的电感主要用于抑制高次谐波。

TSC 方案是将电容器分为几组,每组由晶闸管阀组控制以实现快速无触点的投切。

再根据负荷的实际运行无功量,按照一定的投切策略跟踪负荷变化进行投切动作。

TSC 本身不产生谐波，并且可以快速补偿牵引负荷产生的无功电流，技术较为成熟,使用寿命长,可实现无暂态或少暂态投切。

缺点是技术上比真空开关方式复杂,价格较高，一次投资高,尤其是不能连续调节，只能实现容性无功功率的阶跃调节，而其调节的精度取决于电容器的分组数。

[2] 然而牵引供电系统能够承受的电压波动值较高，因此，只要按实际情况适当增加电容器分组数，就可以分级控制电压，使其变化在限定值以内就可以。

因此此种方案以期解决过补、欠补问题，此方案的优点是结构简单，投资少，但投切电容器会有一个暂态过程，可能会产生过电压和过电流，影响补偿装置的可靠运行，而且加上开关寿命的限制，不能频繁投切，仍不能解决过补和欠补的问题，负序的问题也无从解决。

（3）真空断路器投切电容器。

最大的优点是简单、投资少；缺点是合闸时，投切滤波支路有一个暂态过程，会产生过电流和过电压，影响电容器及串联电抗器的可靠运行；切除滤波支路时，触头上恢复电压较高，有开关重燃的可能，多次重复击穿时，电容器上产生很高的过电压，致使设备损坏。

对电容器组的投切冲击，IEC 规定不超过1 000 次/年，加之开关寿命的限制，不能频繁投切，从而影响动态补偿效果。

（4）固定滤波器＋晶闸管调节电抗器（TCR）。

固定滤波器按谐波要求设计，反并联晶闸管与电抗器串联，通过改变晶闸管触发角来调节流过电抗器的感性电流，使其与并联滤波器中多余的容性无功补偿电流平衡，满足功率因数要求。

优点是固定滤波器长期投入，需要的晶闸管数量少，响应速度快，调节性能好；缺点是TCR 也产生谐波。

（5）固定滤波器＋晶闸管调节变压器（TCT）。

用高漏抗变压器代替电抗器即得到这种补偿方案。

由于高漏抗变压器制造麻烦，有功损耗大，这种补偿方案并没有得到广泛应用。

（6）固定滤波器＋可控饱和电抗器。

调节饱和电抗器磁饱和程度来改变流入回路的感性电流，使其与并联滤波器中多余的容性无功功率得以平衡。

优点是固定并联滤波支路长期投入，不需投切，实现光滑可调；但同TCR 一样要产生谐波，有损耗，噪声大。

（7）晶闸管投切电容器（TSC）。

按照一定的寻优模式，设计多组某次或某几次滤波器，基波下各支路呈容性，分级改变补偿装置的无功出力；滤波器某次谐波下偏调谐，兼滤该次谐波。

优点是损耗小，结构简单，速度响应快，不产生谐波，可以实现过零投切，不会产生像真空开关那样严重的过电压；缺点是每级都配相应的晶闸管，滤波效果受系统特性和投入组数的影响，一次性投资大。

（8）固定滤波器（FC）＋电容器（TC）＋电抗器（TL）调压。

通过调节降压变压器低压侧的母线电压来调节连接在低压母线上的滤波器或电抗器的电压，从而改变其无功出力。

调节时，用晶闸管通断，分接开关无载调节，可充分利用分接开关的机械寿命（达50～100 万次）和晶闸管的电气寿命（理论上不受限制）。

在实际应用中，也可加装FC 来提供稳定的无功功率和实现滤波。

（9）有源补偿器。

使用电力电子装置产生与负荷中谐波电流、负序电流相位相反的电流，使其相互抵消来满足电源的总谐波、无功电流的要求。

这种方案补偿灵活，调节速度快，不会与系统发生谐振，但因电力电子设备价格昂贵，并没有得到广泛应用。

（10）无源补偿器＋有源补偿器。

采用有源滤波器产生与负荷中谐波电流相位相反的谐波电流，使其相互抵消来满足电源的总谐波电流的要求。

比较成功的是无源、有源混合滤波器，它能扬长避短，充分利用无源补偿的大容量和有源补偿的灵活性、可控性，但其结构复杂、造价高、运行费用高。

这一技术正处于研究阶段。

2 牵引变电所补偿方案分析目前国内铁路牵引供电仍然普遍采用在牵引变电所两相设置固定并联电容无功补偿装置，主要是为了满足供电部门对负荷功率因数不低于0.9的要求。

但在基波状态下，牵引变电所的技术指标突出地表现为无功功率和负序功率的大小，或者称为无功电流和负序电流及与此相关的负序电压问题。

2.1 固定补偿方案牵引变电所的固定补偿应以降低无功电流和负序电流为目标能使牵引变电所的综合技术指标得以提高。

降低无功功率只需设置一定性质(容性或感性)的适当容量的无功补偿装置。

如何确定牵引变电所的最佳固定补偿容量，降低负序电流则应同时考虑牵引变压器的接线方式、端口引出方式及固定补偿装置的性质、容量及在各个端口上的适当分布十分重要。

从实际出发，通过合理地布置各端口(供电臂)的补偿容量，就能使固定并联电容补偿装置在补偿无功，提高功率因数的同时，最大限度地降低负序电流。

目前，有负荷过程仿真法和容量优化配置的数学模型2种固定并联电容补偿容量优化配置方法，为牵引变电所固定并联电容补偿装置更加合理的利用提供了可靠的依据。

2.2 动态补偿方案有时固定补偿效果不是很明显，不能满足功率因数提高到0．9 的要求，必须进行可调补偿的设计。

动态补偿方案可根据具体变电所的实际负荷和谐波情况进行方案组合，对于谐波较严重的变电所，从滤波的安全性和有效性出发，采用固定的多次单调谐滤波器，滤波支路可根据需要采用3 次，3 次、5 次，或3 次、5 次、7 次滤波器；可调电容支路（TC）和可调电抗支路（TL）用于调节无功，由变电所无功负荷状况决定采用TC 或TL 或两者同时采用。

对于谐波不是非常严重而以提高功率因数为主的变电所，还可以在此方案基础上进一步简化，省掉固定滤波支路，通过降压调压变压器，采用分接开关无载调压和晶闸管开关的有载分合直接调节无功元件（滤波器）的无功输出。

动态补偿方案中代表如固定滤波器（FC3）＋可调滤波器（TC3）＋可调电抗器（TL3）的补偿方案。

2．2．1 确定补偿装置中电容器组的安装容量固定补偿装置中电容器组选择单个电容器的额定容量为100 kvar，额定电压为10．5 kV。

低压侧的可调补偿支路选择单个电容器的额定容量为100 kvar，额定电压为1．05 kV，原理上等效于在一个27．5 kV／2．75 kV 的多抽头调压变压器的可调侧采用额定容量为100 kvar，额定电压为10．5 kV 的电容器进行补偿的设计。

经过计算及反复尝试，在使功率因数达到要求的条件下确定实际补偿装置的参数。

2．2．2 降压调压变压器低压侧抽头控制策略假设降压调压变压器低压侧抽头调整的延时时间为6 s，相当于测试数据的两个时间点，抽头控制策略如下：判断某时间点是否需要调档，若需要则取一个限制状态t＝1，即抽头延时6 s 完成换档，这时补偿支路在此点和下一点无功率输出；若不需要则取一个限制状态t＝0，这时补偿支路在此点输出的无功与前点相同，变压器抽头换档只能在t＝1 时（延时6 s）才能进行，计算机仿真变压器控制策略的编程主要流程如图2 所示。

主要参数：t 为延时控制参数，mchushi 为初始档位，也为比较档位，m 为最终档位，md 是调变档位。

变压器换档策略：换档延时过程中晶闸管断开，无补偿。

两次换档之间有延时，主要是受分接开关特性限制。

档位选择的考虑：Q＞△Q/2 （md＝m－1），并且此时延时达到换档时间，则下调一挡；Q＜－△/2 （md＝m＋1），并且此时延时达到换档时间，则上调一挡；其他情况不换档。

2．2．3 补偿效果利用MATLAB 软件进行仿真，a，b 相的功率因数分别提高到0．924 0 和0．930 8，动态补偿能够很好地完成功率因数0．9的要求。

由仿真结果可知，此动态补偿的方案很好地完成了设计要求。

目前动态无功补偿方案有很多种类，但对于某一个牵引变电所，从综合补偿角度来看，并不是所有的动态补偿方案都能达到预期的效果，例如对于空载率较高的牵引变电所，采用固定滤波器＋晶闸管调节电抗器（TCR）这种补偿方案滤波效果就不理想，因为TCR 本身也是一个谐波源，在其工作在中间状态时会产生大量的谐波。