張華潤 牟曉春，3 程 謙 王松峰

（1.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 210061；2.國電南瑞南京控制系統(tǒng)有限公司，江蘇 南京 210061；3.東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210000）

0 引言

新建貨運(yùn)電氣化鐵路線設(shè)計之初，存在機(jī)車負(fù)荷過低，實(shí)際開行的列車次對數(shù)遠(yuǎn)低于預(yù)期對數(shù)，導(dǎo)致線路占用率低，牽引變壓器長期處于空載運(yùn)行狀態(tài)，引起無功功率占比過高，功率因數(shù)很低，牽引變電所力率電費(fèi)占全所電費(fèi)的50%以上，運(yùn)行成本極高等問題。因此，用戶希望采用經(jīng)濟(jì)性設(shè)備投資來提升部分功率因數(shù)，達(dá)到減少電費(fèi)罰款的目的。

根據(jù)現(xiàn)場情況，可通過容量可靈活配置的單相靜止無功發(fā)生器[1-4]（Static var Generator，SVG）實(shí)現(xiàn)對諧波、無功、電壓波動和閃變等電能質(zhì)量問題的綜合補(bǔ)償，減少對鐵路和電網(wǎng)造成的影響。本文以某鐵路局牽引變電所為背景，主要驗(yàn)證在牽引變壓器空載運(yùn)行時、機(jī)車進(jìn)入時所設(shè)計的電氣化鐵路單相SVG治理能力，以解決該鐵路線功率因數(shù)過低和功率因數(shù)考核電費(fèi)劇增的問題。

1 現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析

牽引變電所的現(xiàn)場接線情況如圖1所示。

牽引所線路空載運(yùn)行參數(shù)如圖2所示。機(jī)車空載時電流分為兩個部分：212段方向，電流值2.11 A；211段方向，電流值9.14 A。因此，這時的無功主要包括兩個部分，一是空載電流經(jīng)過線路上產(chǎn)生的無功，二是變壓器空載損耗的無功，經(jīng)計算約為0.309 Mvar。

機(jī)車通過時的電流一般在150～250 A，最大可達(dá)到300 A。機(jī)車通過時電流分為兩個部分：在212段方向線路長度為13.4 km，在211段方向長度為60 km。兩部分通過分相裝置隔開，取最大值線路損耗為線路消耗的最大無功?，F(xiàn)場調(diào)研繪制出數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 現(xiàn)場數(shù)據(jù)

機(jī)車以300 A的電流通過時，牽引所的無功主要包括：211段方向線路的無功+牽引變壓器的無功+機(jī)車本身消耗的無功=2.78+0.45+2.3=5.53 Mvar。如果考慮全部補(bǔ)償即補(bǔ)充后功率因數(shù)接近1，所需要配置的無功補(bǔ)償裝置為5.6 Mvar；考慮到經(jīng)濟(jì)性，由于HXD3B型機(jī)車功率因數(shù)大于0.97，而供電公司的功率因數(shù)罰款標(biāo)準(zhǔn)為0.9，因此，只補(bǔ)償線路消耗無功+變壓器消耗無功亦能滿足補(bǔ)償要求，此時所需配置的無功補(bǔ)償裝置容量約為3.2 Mvar。本文將以此容量為最終SVG的補(bǔ)償容量進(jìn)行仿真和裝置設(shè)計。

2022年2月變電所的電量和功率統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表2所示。

按照空載補(bǔ)償無功0.309 Mvar、有載補(bǔ)償無功3.2 Mvar來做反向推演計算。

根據(jù)現(xiàn)場與工作人員的交流，每個月機(jī)車通過的列數(shù)為10～20次，折中考慮以15次為依據(jù)，機(jī)車的運(yùn)行時速為60 km/h，機(jī)車在路段內(nèi)行駛的時間為1.5 h，則每個月的無功電度為：309×24 h×28 d+3 200×1.5 h×15 d=279 648 kvar·h，與表2中無功電度基本吻合。

表2 2022年2月白水井牽引變電所數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

2 電氣化鐵路SVG一次系統(tǒng)及控制方案

本文設(shè)計的電氣化鐵路SVG一次系統(tǒng)如圖3所示，整個系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)如表3所示。

表3 拓?fù)鋮?shù)

單相SVG的補(bǔ)償目標(biāo)主要包括無功電流和諧波電流。補(bǔ)償方法主要是從牽引負(fù)載電流中分離出有功電流分量、無功電流分量以及諧波電流分量，綜合補(bǔ)償電流檢測方法的優(yōu)劣主要從分離出各電流分量的準(zhǔn)確性和實(shí)時性判別。目前從負(fù)載電流中分離出綜合補(bǔ)償電

流的方法比較多，常見的有有功電流分離法、瞬時電流分離法、無鎖相環(huán)法等。本文制訂的整體控制方案如圖4所示。

圖4中對應(yīng)的三個部分分別是：

（1）通過負(fù)載電流得到的無功缺口，對負(fù)載無功進(jìn)行補(bǔ)償。

（2）由SVG中電容電壓與設(shè)定值的偏差，得到需要從網(wǎng)側(cè)吸收或發(fā)出的有功大小。

（3）固定發(fā)出Iq，補(bǔ)償變壓器空載勵磁損耗。

3 仿真結(jié)果

根據(jù)以上分析，不同工況下220 kV側(cè)投入無功情況如表4所示。

表4 不同工況下220 kV側(cè)投入無功情況

無SVG情況下，如圖5所示，在1 s機(jī)車進(jìn)入前，變壓器和線路上的空載無功損耗約306 kvar，這部分無功是導(dǎo)致長期功率因數(shù)偏低的重要原因。在1.5 s后機(jī)車駛?cè)?，此時無功損耗主要包括機(jī)車正常運(yùn)行消耗的無功、變壓器負(fù)載損耗消耗的無功以及過長的線路上流過機(jī)車運(yùn)行電流時引起的無功。

在有SVG投入的情況下，如圖6所示，在1 s機(jī)車進(jìn)入前，SVG對變壓器線路上的空載無功損耗進(jìn)行完全補(bǔ)償，使從220 kV側(cè)監(jiān)控到的無功損耗從306 kvar降低到36 var。在1 s后機(jī)車駛?cè)耄瑹o功損耗大大增加，達(dá)到5.5 Mvar，考慮到經(jīng)濟(jì)性，SVG的設(shè)計容量為3.2 Mvar，此時SVG只按照設(shè)計容量的最大值進(jìn)行補(bǔ)償，220 kV網(wǎng)側(cè)僅提供剩下的2.3 Mvar無功，主要用于機(jī)車無功消耗。在1.5 s時機(jī)車離開，總無功消耗和SVG發(fā)出的無功重新減小。

在SVG投入使用時，27.5 kV網(wǎng)側(cè)電壓諧波含量滿足要求，如圖7所示，27.5 kV側(cè)電壓中的THD僅為0.17%。

4 結(jié)語

本文以某鐵路局牽引變電所為研究背景，設(shè)計了單相SVG的拓?fù)渑渲眉翱刂品桨?，通過對牽引變壓器空載運(yùn)行時、機(jī)車進(jìn)入時的兩種算例進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了所設(shè)計的電氣化鐵路單相SVG治理能力。仿真結(jié)果表明，該設(shè)計方案能夠解決該鐵路線功率因數(shù)過低和功率因數(shù)考核電費(fèi)劇增的問題。