牵引变电所综合无功补偿方案

2011-05-12张蜀华

中国新技术新产品 2011年7期

关键词：投切晶闸管电抗器

张蜀华李冬

（西南交通大学电气工程学院，四川成都 610003）

1.引言

从第一条电气化铁道建成以来，电气化铁路对公用电网能质量影响的问题一致困扰着世界上各国。各国为了提高电能质量，依据国情各自采取了不同的措施。作为发展中国家的我国，改善电气化铁道的电能质量更是不容忽视的问题。

铁路因其具有的负荷特殊性，使得它具有随机波动大，非线性等特征，从而引发的功率因数、负序和谐波等问题。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。

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。

2.无功补偿方案介绍

我国现有的可调无功补偿装置大致包括有同步调相机(Synchronous Condenser-SC)、静止无功补偿器（Static Var Compensator-SVC）和静止无功发生器（Static Var Generator-SVG）几种。

同步调相机是通过同步电机在励磁或欠励磁情况下，发出感性或容性无功功率实现电网的无功功率补偿。但由于其损耗与噪声较大、响应速度较慢及运行维护复杂，因此已逐步被淘汰。早期的静止无功补偿装置为饱和电抗器(Saturated Reactor-SR)。随着电力电子技术的不断发展，目前的静止无功补偿装置主要为：机械投切电容器 (Mechanically Switched Capacitor-MSC)、晶闸管投切电容器（Thyristor Switched Capacitor-TSC）、晶闸管控制电抗器（Thyristor Controlled Reactor-TCR）以及混合装置等。静止无功发生器是利用交流电抗器将全控型开关器件组成的逆变器直接并接至交流电网(牵引变电所等),通过直接控制其逆变器交流侧电流，或对交流侧输出电压的相位、幅值进行适当调整,使该电路吸收或发出满足要求的无功功率,以达到动态无功补偿的目的。

现在对其中技术经济指标较好的几种方案进行介绍。

3.无功补偿装置基本原理介绍

3.1 可控饱和电抗器

可控饱和电抗器是主要由电抗器、线圈、可控硅、二极管组成。该方案基于偏磁可调原理，通过改变可控硅的触发角来改变直流励磁的大小，进而改变铁心的饱和度，达到平滑调节无功的目的。其主要特点是：可实现无功功率连续调整，控制简单；加装可控电抗器及相应设备容易实现，适用于既有变电站的改造。但缺点是：电抗器电流波形容易畸变，且含有较大谐波量（3次谐波分量超过12%）；噪声大，可控电抗器损耗大（噪声段损耗超过3%）；牵引负荷小或空载时，电抗器为大电流或满载电流，损耗大，空载率高的线路十分不适合。因此，本方案并未在我国推广应用，国外也鲜有应用报道。

3.2 晶闸管投切电容器(TSC)

晶闸管投切电容器的单相电路图如图1所示,其中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。因此此种方案适用于行车密度较低，列车为重载的线路。

图1 晶闸管投切电容器电路图

图2 TCR+FC型电路图

3.3 固定滤波器 (FC)+晶闸管调节电抗器(TCR)

TCR+FC型动态无功补偿装置的结构简图，如图2所示。其中TCR由晶闸管功率阀组、补偿电抗器、控制器组成，它通过控制2个反并联晶闸管的导通角，调节与负荷并联的电抗器电流，产生可变感性无功，从而实现实时无级调整系统无功功率，提高接触网电压水平，稳定功率因数。对于电力机车产生的高次谐波也有很好的遏制作用。

TCR补偿装置采用晶闸管作为开关，由于无触点不存在电弧及噪声现象，可以频繁操作，可靠性强；响应时间快（5～20 ms）；可以实现无功功率连续调整。缺点是设备技术要求高；电抗器损耗大；电流波形畸变严重，产生谐波（3次谐波电流为电抗器额定电流40%，5次为23%），因此必须加装FC滤波器装置加以滤波以使谐波达标。

该装置可以实现平滑的动态无功补偿，适用于负荷变化频繁的区间以及谐波干扰要求不很严格的区间。世界上首例电气化铁路无功自动补偿系统采用的就是此方案。现在该补偿方案技术已普遍应用于国外的电气化铁道。

3.4 静止无功发生器(SVG)

SVG利用交流电抗器将全控型开关器件组成的逆变器并接至交流电网 (如牵引变电所等),如图3所示，通过直接控制逆变器交流侧电流，或对交流侧输出电压相位和幅值的适当调整,使该电路吸收或发出满足要求的无功,以达到动态无功补偿的目的。

图3 静止无功发生器基本原理图

图4 TCR原理图

当系统相电压有效值保持恒定时,只要控制逆变器输出相电压有效值的大小,即可快速、平滑地调节SVG发出(或吸收)的无功功率，静止无功功率发生器与静止型动态无功补偿装置(SVC)相比,其调节速度更快、运行范围更宽、性能更优,所用电抗器和电容器的容量也大为降低[4]。

我国现有的牵引变电站普遍使用固定并联电容方式补偿无功，由于牵引负荷空载率高和随机波动性大，因此过补偿和欠补偿情况经常发生。可控饱和电抗器不适合空载率高的线路，并且容易产生谐波；TSC型不能实现连续调速，分级越多调速越精密但同时滤波效果越差；TCR+FC型设备要求高，适用于谐波干扰要求不很严格的区间；SVG型具有良好的补偿特性，但是由于成本造价较高，以及技术不够完善，因此还未能大规模应用。