張蜀華 李 冬

（西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610003）

1.引言

從第一條電氣化鐵道建成以來，電氣化鐵路對公用電網(wǎng)能質(zhì)量影響的問題一致困擾著世界上各國。各國為了提高電能質(zhì)量，依據(jù)國情各自采取了不同的措施。作為發(fā)展中國家的我國，改善電氣化鐵道的電能質(zhì)量更是不容忽視的問題。

鐵路因其具有的負(fù)荷特殊性，使得它具有隨機(jī)波動大，非線性等特征，從而引發(fā)的功率因數(shù)、負(fù)序和諧波等問題。改善電能質(zhì)量的有效措施之一就是進(jìn)行無功補償。所謂的無功補償方案,就是補償基波下的牽引負(fù)荷的無功功率，以提高功率因數(shù)，濾除指定諧波。

我國幅員廣大、地質(zhì)情況多樣，各地區(qū)發(fā)展程度不一，許多欠發(fā)達(dá)地區(qū)普遍具有電網(wǎng)容量小，公用電網(wǎng)負(fù)荷中鐵路占比重過大的問題?，F(xiàn)有的無功補償方案一般是設(shè)置固定電容進(jìn)行并聯(lián)補償，實際運營后發(fā)現(xiàn)，在鐵路輕載和空載的條件下，過補償問題嚴(yán)重。補償后造成無負(fù)荷時電壓抬升，變電所月平均功率因數(shù)反而降低，罰款增加等問題。因此研究一種能提高電能質(zhì)量，又不用大量追加一次性投資的補償方案是非常必要的。

2.無功補償方案介紹

我國現(xiàn)有的可調(diào)無功補償裝置大致包括有同步調(diào)相機(jī)(Synchronous Condenser-SC)、靜止無功補償器（Static Var Compensator-SVC）和靜止無功發(fā)生器（Static Var Generator-SVG）幾種。

同步調(diào)相機(jī)是通過同步電機(jī)在勵磁或欠勵磁情況下，發(fā)出感性或容性無功功率實現(xiàn)電網(wǎng)的無功功率補償。但由于其損耗與噪聲較大、響應(yīng)速度較慢及運行維護(hù)復(fù)雜，因此已逐步被淘汰。早期的靜止無功補償裝置為飽和電抗器(Saturated Reactor-SR)。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，目前的靜止無功補償裝置主要為：機(jī)械投切電容器 (Mechanically Switched Capacitor-MSC)、晶閘管投切電容器（Thyristor Switched Capacitor-TSC）、晶閘管控制電抗器（Thyristor Controlled Reactor-TCR）以及混合裝置等。靜止無功發(fā)生器是利用交流電抗器將全控型開關(guān)器件組成的逆變器直接并接至交流電網(wǎng)(牽引變電所等),通過直接控制其逆變器交流側(cè)電流，或?qū)涣鱾?cè)輸出電壓的相位、幅值進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,使該電路吸收或發(fā)出滿足要求的無功功率,以達(dá)到動態(tài)無功補償?shù)哪康摹?/p>

現(xiàn)在對其中技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較好的幾種方案進(jìn)行介紹。

3.無功補償裝置基本原理介紹

3.1 可控飽和電抗器

可控飽和電抗器是主要由電抗器、線圈、可控硅、二極管組成。該方案基于偏磁可調(diào)原理，通過改變可控硅的觸發(fā)角來改變直流勵磁的大小，進(jìn)而改變鐵心的飽和度，達(dá)到平滑調(diào)節(jié)無功的目的。其主要特點是：可實現(xiàn)無功功率連續(xù)調(diào)整，控制簡單；加裝可控電抗器及相應(yīng)設(shè)備容易實現(xiàn)，適用于既有變電站的改造。但缺點是：電抗器電流波形容易畸變，且含有較大諧波量（3次諧波分量超過12%）；噪聲大，可控電抗器損耗大（噪聲段損耗超過3%）；牽引負(fù)荷小或空載時，電抗器為大電流或滿載電流，損耗大，空載率高的線路十分不適合。因此，本方案并未在我國推廣應(yīng)用，國外也鮮有應(yīng)用報道。

3.2 晶閘管投切電容器(TSC)

晶閘管投切電容器的單相電路圖如圖1所示,其中2個反并聯(lián)晶閘管將電容器接入電網(wǎng)或從電網(wǎng)斷開,串聯(lián)的電感主要用于抑制高次諧波。

TSC方案是將電容器分為幾組,每組由晶閘管閥組控制以實現(xiàn)快速無觸點的投切。再根據(jù)負(fù)荷的實際運行無功量,按照一定的投切策略跟蹤負(fù)荷變化進(jìn)行投切動作。

TSC本身不產(chǎn)生諧波，并且可以快速補償牽引負(fù)荷產(chǎn)生的無功電流，技術(shù)較為成熟,使用壽命長,可實現(xiàn)無暫態(tài)或少暫態(tài)投切。缺點是技術(shù)上比真空開關(guān)方式復(fù)雜,價格較高，一次投資高,尤其是不能連續(xù)調(diào)節(jié)，只能實現(xiàn)容性無功功率的階躍調(diào)節(jié)，而其調(diào)節(jié)的精度取決于電容器的分組數(shù)。[2]然而牽引供電系統(tǒng)能夠承受的電壓波動值較高，因此，只要按實際情況適當(dāng)增加電容器分組數(shù)，就可以分級控制電壓，使其變化在限定值以內(nèi)就可以。因此此種方案適用于行車密度較低，列車為重載的線路。

圖1 晶閘管投切電容器電路圖

圖2 TCR+FC型電路圖

3.3 固定濾波器 (FC)+晶閘管調(diào)節(jié)電抗器(TCR)

TCR+FC型動態(tài)無功補償裝置的結(jié)構(gòu)簡圖，如圖2所示。其中TCR由晶閘管功率閥組、補償電抗器、控制器組成，它通過控制2個反并聯(lián)晶閘管的導(dǎo)通角，調(diào)節(jié)與負(fù)荷并聯(lián)的電抗器電流，產(chǎn)生可變感性無功，從而實現(xiàn)實時無級調(diào)整系統(tǒng)無功功率，提高接觸網(wǎng)電壓水平，穩(wěn)定功率因數(shù)。對于電力機(jī)車產(chǎn)生的高次諧波也有很好的遏制作用。

TCR補償裝置采用晶閘管作為開關(guān)，由于無觸點不存在電弧及噪聲現(xiàn)象，可以頻繁操作，可靠性強；響應(yīng)時間快（5～20 ms）；可以實現(xiàn)無功功率連續(xù)調(diào)整。缺點是設(shè)備技術(shù)要求高；電抗器損耗大；電流波形畸變嚴(yán)重，產(chǎn)生諧波（3次諧波電流為電抗器額定電流40%，5次為23%），因此必須加裝FC濾波器裝置加以濾波以使諧波達(dá)標(biāo)。

該裝置可以實現(xiàn)平滑的動態(tài)無功補償，適用于負(fù)荷變化頻繁的區(qū)間以及諧波干擾要求不很嚴(yán)格的區(qū)間。世界上首例電氣化鐵路無功自動補償系統(tǒng)采用的就是此方案?，F(xiàn)在該補償方案技術(shù)已普遍應(yīng)用于國外的電氣化鐵道。

3.4 靜止無功發(fā)生器(SVG)

SVG利用交流電抗器將全控型開關(guān)器件組成的逆變器并接至交流電網(wǎng) (如牽引變電所等),如圖3所示，通過直接控制逆變器交流側(cè)電流，或?qū)涣鱾?cè)輸出電壓相位和幅值的適當(dāng)調(diào)整,使該電路吸收或發(fā)出滿足要求的無功,以達(dá)到動態(tài)無功補償?shù)哪康摹?/p>

圖3 靜止無功發(fā)生器基本原理圖

圖4 TCR原理圖

當(dāng)系統(tǒng)相電壓有效值保持恒定時,只要控制逆變器輸出相電壓有效值的大小,即可快速、平滑地調(diào)節(jié)SVG發(fā)出(或吸收)的無功功率，靜止無功功率發(fā)生器與靜止型動態(tài)無功補償裝置(SVC)相比,其調(diào)節(jié)速度更快、運行范圍更寬、性能更優(yōu),所用電抗器和電容器的容量也大為降低[4]。

我國現(xiàn)有的牽引變電站普遍使用固定并聯(lián)電容方式補償無功，由于牽引負(fù)荷空載率高和隨機(jī)波動性大，因此過補償和欠補償情況經(jīng)常發(fā)生?？煽仫柡碗娍蛊鞑贿m合空載率高的線路，并且容易產(chǎn)生諧波；TSC型不能實現(xiàn)連續(xù)調(diào)速，分級越多調(diào)速越精密但同時濾波效果越差；TCR+FC型設(shè)備要求高，適用于諧波干擾要求不很嚴(yán)格的區(qū)間；SVG型具有良好的補償特性，但是由于成本造價較高，以及技術(shù)不夠完善，因此還未能大規(guī)模應(yīng)用。

表1 無功補償裝置的性能比較

結(jié)論。綜合分析幾種無功補償方式，當(dāng)前比較適合電氣化鐵路的動態(tài)無功補償主要是固定濾波器+晶閘管調(diào)節(jié)電抗器(FC+TCR)。這種方案可以濾除指定次諧波，治理電壓波動，對負(fù)荷頻繁波動的區(qū)間尤為適用，是一種切實可行且經(jīng)濟(jì)可靠的無功補償方案。另外隨著技術(shù)的進(jìn)步，相信SVG也將成為無功補償?shù)闹匾l(fā)展方向。

[1]蔣政昊.電氣化鐵路功率因數(shù)探討[J].上海鐵道科技,2001(4):26～27.

[2]李群湛,賀建閩.牽引供電系統(tǒng)綜合補償技術(shù)及其應(yīng)用[J].電氣化鐵道,1998(3):25-27.

[3]張麗,李群湛.TSC在牽引變電所無功補償中的應(yīng)用[J].鐵道學(xué)報,2000(4):20-23.

[4]賴惠鴿,朱學(xué)軍.電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)動態(tài)無功補償研究[J].寧夏工程技術(shù),2002(9):182-185.