摘　要：介绍了沈阳铁路供电区段电力系统无功动态补偿的两种装置。方法是重点对晶闸管控制电抗器ＴＣＲ型静止无功动态补偿装置（ＳＶＣ）的工作原理进行了理论分析，给出了其补偿导纳的计算公式，同时分析了控制系统组成。结论证明了无功动态补偿对沈阳供电区段电力系统在节约电能，改善电能质量和经济效益上起到了重要作用，动态无功补偿器在铁路供电系统中的应用具有一定的指导意义。

关　键　词：静止无功补偿器；晶闸管控制电抗器；晶闸管投切电容器；可投切电抗器型

ＤｙｎａｍｉｃＲｅａｃｔｉｖｅＣｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｉｎＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｐｕｒｐｏｓｅｏｆｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｓｔｏｉｎｔｒｏｄｕｃｅｔｗｏｄｙｎａｍｉｃｒｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｄｅｖｉｃｅｓｉｎｔｈｅＳｈｅｎｙａｎｇｒａｉｌｗａｙｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｓｅｃｔｉｏｎｏｆｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍ．ＴｈｅｍｅｔｈｏｄｉｓｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅＴＣＲＳＶＣｓｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｉｎｔｈｅｏｒｙ，ａｎｄｔｏｇｉｖｅｉｔｓｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄａｄｍｉｔｔａｎｃｅｆｏｒｍｕｌａ．Ａａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｓｙｓｔｅｍ．ＴｈｅｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｐｒｏｖｅｓｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｒｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｉｎＳｈｅｎｙａｎｇｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｓｅｃｔｉｏｎｏｆｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍ，ａｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｉｍｐｒｏｖｉｎｇｅｓｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇａｎｄｐｏｗｅｒｑｕａｌｉｔｙ，ａｎｄａｓｗｅｌｌａｓｅｎｈａｎｃｉｎｇｅｓｓｏｍｅｅｃｏｎｏｍｉｃｂｅｎｅｆｉｔｓａｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅ．Ｄｙｎａｍｉｃｒｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒｉｎｔｈｅｒａｉｌｗａｙｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｓｙｓｔｅｍａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｈａｓｓｏｍｅｇｕｉｄｉｎｇｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｓ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｔａｔｉｃｖａｒｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ；ｔｈｙｒｉｓｔｏｒｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｒｅａｃｔｏｒｖ；ｔｈｙｒｉｓｔｏｒｓｗｉｔｃｈｅｄｃａｐａｃｉｔｏｒ；ｓｗｉｔｃｈｅｄｒｅａｃｔｏｒ

１　引　言

功率因数治理是国家的一项重大技术政策，是发展低碳节能经济、减少电网污染的一项重要内容，也是电力系统对电气化铁路供电系统在技术上的迫切要求。通过功率因数治理，可以解决牵引变压器及供电臂内的补偿问题，使电力系统和接触网电压质量得到显著改善，解决电力系统对铁路的高额罚款问题，最终达到提高经济效益的目的［１］。沈阳供电区段电力系统为有效补偿电缆线路的电容电流，在１０ＫＶ配电所１０ＫＶ一级负荷贯通馈出和综合贯通馈出两段母线上各设有一组ＳＶＣ，补偿后功率因数不低于０９５。分别采用两种ＳＶＣ无功补偿装置：ＴＣＲ型和晶闸管投切电容器ＴＳＣ（ＴｈｙｒｉｓｔｏｒＳｗｉｔｃｈｅｄＣａｐａｃｉｔｏｒ）型。沈阳供电南区段的１０ｋｖ配电所采用ＴＳＣ＋可投切电抗器型ＳＶＣ，沈阳供电北区段间采用ＴＣＲ型ＳＶＣ，本文将重点分析ＴＣＲ型ＳＶＣ无功补偿装置的工作原理及性能。

２　ＴＳＣ＋可投切电抗器型

ＳＶＣ无功补偿装置沈阳供电南段电力贯通线系统计有９座配电所采用ＴＳＣ＋可投切电抗器型ＳＶＣ无功补偿装置。沿线结合信号中继站，设并联电抗器作为基本补偿，另在两端配电所设置ＴＳＣ＋可投切电抗器，根据系统电压／无功的变化情况，自动跟踪，动态投切补偿。通过电抗器与电容器的分组组合投切形成较小步差，实现双向无功的动态补偿，实现自动调节，补偿功率因数至要求的范围内。当电网功率因数绝对值高于设定值时，动补不投入或自动退出运行。通过控制器的软件设置优化，减少电抗器的投切次数。电抗器由交流接触器投切，跟踪控制，二组三级，分别为１００ｋｖａｒ、２００ｋｖａｒ、３００ｋｖａｒ［２］。为允许负荷无功在一定的范围内波动（负荷出现１００ｋｖａｒ范围内的波动），接触器不会频繁动作切换电抗器，所以增加二组能快速频繁投切电容器组的ＴＳＣ，能起到降低电抗器台阶容量差，提高补偿精度，减少接触器频繁动作的作用。原理为ＴＳＣ补偿1042.006.html容量为２５ｋｖａｒ和５０ｋｖａｒ，本装置能实现－７５、－５０、－２５、０、＋２５、＋５０、＋７５、＋１００、＋１２５、＋１５０、＋１７５、＋２００、＋２２５、＋２５０、＋２７５、＋３００总共十六级的无功补偿，能满足设计要求和实际运营情况［３］。

３　ＴＣＲ型ＳＶＣ无功动态补偿装置

沈阳供电区间北段电力贯通线系统计有１０座配电所。沿线结合信号中继站，设并联电抗器作为基本补偿，另在两端配电所设置ＴＣＲ型ＳＶＣ无功动态补偿装置，通过晶闸管投切电容器，达到自动调节无功补偿量的目的。分析方法为ＴＣＲ型ＳＶＣ无功动态补偿装置，主要用于补偿母线上的无功功率，通过连续调节其自身无功功率来实现的［４］。用ＱＳ表示系统总无功功率，ＱＦ为用户负荷的无功功率，ＱＬ为晶闸管控制电抗器ＴＣＲ的无功功率，ＱＣ为电容器无功功率，上述平衡过程可以用如下公式来表达：ＱＳ＝ＱＦ＋ＱＬ－ＱＣ＝常数＝０无功补偿原理，如图１所示。图１　无功补偿原理示意图Ａ为系统工作点，负荷工作时产生感性无功ＱＦ，补偿装置中的电容器组提供固定的容性无功ＱＣ，一般情况下后者大于前者，多余的容性无功由ＴＣＲ平衡。当用户负荷ＱＦ变化时，ＳＶＣ控制系统调节ＴＣＲ电流从而改变ＱＬ值以跟踪，实时抵消负荷无功，动态维持系统的无功平衡。ＴＣＲ装置的组成和工作原理，如图２所示。图２　ＴＣＲ装置原理示意图ＴＣＲ的基本结构是２个反并联的晶闸管和电抗器串联［５］。晶闸管在电源电压的正负半周轮流工作，当晶闸管的控制角α在９０°到１８０°之间时，晶闸管受控导通（控制角为９０°时完全导通，１８０°时完全截至）。在网压基本不变的前提下，增大控制角将减小ＴＣＲ电流，减小装置的感性无功功率；反之减小控制角将增大ＴＣＲ电流，增大装置的感性无功。其电压－电流特性曲线，见图２（ｂ），每条曲线是ＴＣＲ在导通角为某一特定角度下的伏安特性。就电流的基波分量而言，ＴＣＲ装置相当于一个可调电纳。电流流经电感时ＴＣＲ的等效电纳为［６］Ｂｒ＝２π－２ａ＋ｓｉｎ２ａπωＬ式中，α为晶闸管导通角，Ｌ为电抗器电感值，ω为网压的角频率。对于不对称负荷，应采用分相调节［７］。ＴＣＲ分相调节的理论基础为ＳＴＥＩＮＭＥＴＺ理论，经理论分析计算，结论是ＳＶＣ能够将负荷补偿为纯有功的三相平衡系统。ＳＴＥＩＮＭＥＴＺ分析理论，给出多种表达形式［８］，本控制器采用如下补偿电纳计算公式：Ｂａｂｒ＝１槡 ３３Ｖ２×１Ｔ∫Ｔ（ｖｌ２ｌ３×ｉｌ１（ｌ）＋ｖｌ３ｌ１×ｉｌ２（ｌ）－ｖｌ１ｌ２×ｉｌ３（ｌ））ｄｔＢｂｃｒ＝１槡 ３３Ｖ２×１Ｔ∫Ｔ（ｖｌ１ｌ２×ｉｌ３（ｌ）＋ｖｌ３ｌ１×ｉｌ２（ｌ）－ｖｌ２ｌ３×ｉｌ１（ｌ））ｄｔＢｃａｒ＝１槡 ３３Ｖ２×１Ｔ∫Ｔ（ｖｌ２ｌ３×ｉｌ３（ｌ）＋ｖｌ２ｌ３×ｉｌ１（ｌ）－ｖｌ３ｌ１×ｉｌ２（ｌ））ｄｔ式中，Ｂｌ１ｌ２ｒ，Ｂｌ２ｌ３ｒ，Ｂｌ３ｌ１ｒ 分别为△形连接的补偿电抗器电纳值；Ｖ为系统网压有效值；Ｖｌ１ｌ２，Ｖｌ２ｌ３，Ｖｌ３ｌ１为系统网压（线电压）瞬时值；ｉｌ１（ｌ），ｉｌ２（ｌ），ｉｌ３（ｌ）为系统网流瞬时值；Ｔ为采样周期，等于１０ｍｓ；三相平衡负荷的无功补偿通常采用平衡调节算法［９］，而三相不平衡负荷则采用分相调节分析算法，这样能够取得良好的电能质量治理效果。结论是本控制器可综合解决电力供电系统的平均功率因数补偿、电压波动抑制、谐波治理等问题；装置可平滑调节无功的输出；滤波效果好，根据负荷谐波特点设置了滤波电容器；电容无须频繁投切，提高设备使用寿命；ＴＣＲ装置自身产生谐波，其特征谐波均为３、５、７、９、１１等奇次谐波，但可适当增加容量将其考虑入内。

４　ＳＶＣ控制系统组成

采用ＳＶＣ控制系统，目的在于以容抗补偿电网功率因数。补偿ＳＶＣ控制系统由控制柜、功率柜（脉冲触发）两部分组成。方法是控制柜采集现场的电压、电流信号，计算处理后发出触发脉冲，同时监测晶闸管运行状况。功率柜将触发脉冲转换为符合要求的脉冲信号，实现触发。功率柜由显示部分、阀组单元、保护单元、供电单元和低压导通实验等单元组，串入相控电抗器回路，在脉冲信号· ２ ０ １ · 控　制　工　程　　　　　　　　　　　　　　　第２０卷　控制下操纵晶闸管通断，结论是电抗器流过预期的补偿电流，电流与电压的相位差角被缩小，功率因数得到提升。其基本结构框，如图３所示。图３　ＳＶＣ控制系统基本组成简图此外，为便于随时查看ＳＶＣ设备运行状况，在设备侧工控机和用户监控室侧ＰＣ机上分别安装了相应的ＳＶＣ监控软件，通过该软件可实时、详细的了解到设备运行参数以及各部分性能状况。５　与传统无功补偿装置相比ＳＶＣ的优点传统机械型无功补偿装置采用交流接触器或空气开关投切电容器，其结构简单、价格便宜，但不能选择投切时刻、不能动态投切、产生过电流和过电压、影响供电质量、损坏电气设备、降低产品质量。传统电力电子型无功补偿装置在电压过零或固定时刻触发晶闸管投切电容器。速度比机械型装置快、不产生电弧，但补偿装置价格较高、需要充放电回路、不能动态投切、不能避免过电流和过电压、晶闸管易损坏、供电质量下降。ＳＶＣ属于动态无功补偿产品，它具有最快１０ｍｓ的响应速度，是目前技术较为成熟的最快的无功补偿方式，由于ＳＶＣ以可控硅作为调节执行单元，它还具有可连续无级调节（通过改变可控硅导通角）功能，调节时无涌流、拉弧，无机械开关使用寿命的限制等优点。特别适合铁路供电系统，可以显著提高铁路用电的功率因数（最高可接近１），最大程度节能降损，同时可降低接入地方电网公共点的电压波动与闪变，此外，ＳＶＣ也可用于牵引变电所，根据供电臂牵引负荷的实际变化动态提供系统所需的无功补偿容量，对于提高其功率因数和牵引网网压、滤除高次谐波具有十分重要的意义。６　结　语本文介绍了沈阳供电区段电力系统无功补偿的两种装置，重点对ＴＣＲ的工作原理进行了理论分析，给出了其补偿导纳的计算公式，同时说明了三相ＴＣＲ的三角形联结能够消除３次及３的倍数次谐波电流，而五次和七次谐波电流必须通过设置相应的滤波器进行滤除。鉴于地方电网公司要求电气化铁路功率因数考核标准为０９，功率因数低不仅会使铁路遭受电力部门的巨额罚款。而且会诱发许多电力事故。可以预言，当铁路电气供电系统采用ＴＣＲ型ＳＶＣ无功补偿装置后，不仅能保证电力系统的可靠、优质、高效，而且在节约电能，改善电网质量和经济效益等诸多方面将发挥重要作用。

参考文献：［１］　李群湛．牵引变电所供电分析及综合补偿技术［Ｊ］．北京：中国铁道出版社，２００６．［２］　ＴＢ／１０００９２００５铁路电力牵引供电设计规范［Ｓ］．［３］　王兆安．谐波抑制和无功功率补偿［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９９．［４］　徐政．基于晶闸管的柔性交流输电控制装置［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００５．［５］　曾光，苏彦民，柯敏倩等．用于无功静补系统的模糊ＰＩＤ控制方法［Ｊ］．电工技术学报，２００６（６）：４０４４．［６］　胡立强，晁勤，吐尔逊．静止无功补偿器在电力系统无功补偿中的仿真［Ｊ］．低压电器，２００７（１９）：３９４２．［７］　刘东升，张尧，夏成军等．ＳＶＣ抑制配电系统电压跌落的研究［Ｊ］．继电器，２００７（１６）：３７４１．［８］　丁仁杰，曹政，樊淼．平衡单相负荷的补偿容量优化控制的ＳＶＣ控制系统研究［Ｊ］．北京，第二十九届中国控制会议论文集，２０１０．［９］　张帆，徐政．采用ＳＶＣ抑制发电机次同步谐振的理论与实践［Ｊ］．高电压技术，２００７（３）：