SVG 裝置在神朔鐵路萬噸列車擴能 改造工程中的應(yīng)用

周少飛

（神華神朔鐵路分公司，陜西 榆林 719300）

0 引言

神朔鐵路主要采用“韶山”系列直流電力機車作為主流牽引機車，該系列機車通常采用多段式半控橋整流，通過調(diào)節(jié)晶閘管導(dǎo)通角來實現(xiàn)機車牽引力、制動力的調(diào)節(jié)。直流機車會導(dǎo)致3、5、7 等低次諧波含量大、功率因數(shù)低、無功沖擊大、三相不平衡等電能質(zhì)量問題?，F(xiàn)階段，神朔主要通過在牽引變電所安裝無功補償裝置來改善此類電能質(zhì)量問題。

近年來隨著國家經(jīng)濟建設(shè)的快速發(fā)展，對鐵路運輸提出高速、重載的實際需求，以交流傳動為核心技術(shù)的電力機車和動車組已獲得廣泛的應(yīng)用，神朔公司也于2012 年逐步采用了八軸、十二軸的“神華號”交流機車來作為提升運能的重要舉措，并取得了不錯的成效。由于交流機車采用了PWM 變流技術(shù)，機車電流均為正弦波，網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)一般大于0.96。然而，交流機車帶來新的電能質(zhì)量問題，主要體現(xiàn)在：

1）諧波總含量小，但是諧波的頻譜分布非常寬，帶來許多不利影響。這帶來許多不利影響，諧波頻譜寬容易使系統(tǒng)參數(shù)滿足一定條件下發(fā)生并聯(lián)諧振，將相應(yīng)次數(shù)的諧波電流成倍放大，導(dǎo)致避雷器爆炸、絕緣子擊穿、變電站交直屏燒損等。其中發(fā)生概率較高的典型危害事件是：在交流車和直流車混跑的線路上，高次諧波使直流機車RC 回路的電阻經(jīng)常燒損。神朔公司近年來在朱蓋塔、神木北等區(qū)段出現(xiàn)此類故障的次數(shù)較多，已影響到整車運輸組織。

2）導(dǎo)致牽引網(wǎng)電壓低頻振蕩。當(dāng)多臺交流機車同時運行時，將出現(xiàn)機車與牽引網(wǎng)產(chǎn)生電壓低頻振蕩，使機車保護跳閘。嚴(yán)重影響鐵路的正常運輸，給鐵路帶來巨大的經(jīng)濟損失。

3）加劇三相不平衡。交流機車相比于直流機車的單機功率更大，因此產(chǎn)生大量的負(fù)序電流，加劇了電網(wǎng)的三相不平衡。

現(xiàn)有的改善措施有改善牽引負(fù)荷（包括電力機車、牽引變壓器和牽引變電站），裝設(shè)補償裝置（包括靜態(tài)無功補償、可調(diào)無功補償、有源濾波和靜止無功補償）[1]。從實際工程應(yīng)用上來看，采用靜止無功補償裝置（SVG）比較容易實現(xiàn)。

1 SVG 裝置介紹

1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在神朔鐵路萬噸列車擴能改造工程中共需要兩套27.5 kV 的SVG 裝置，采用背靠背的方式連接。每套SVG 額定輸出容量為±2.5 MVA。

在補償系統(tǒng)中分為主站（左側(cè)SVG）與從站（右側(cè)SVG），分別通過2 個降壓變壓器連接于兩供電臂，再通過1 個共用的直流電容連接在一起，直流電容給兩套SVG 提供直流電壓。通過合適的控制方法，聯(lián)合兩套SVG 實現(xiàn)有功功率從一供電臂轉(zhuǎn)移至另一供電臂，同時能各自進行無功與諧波補償，實現(xiàn)負(fù)序和諧波補償功能[2-3]。

SVG 裝置采用兩電平功率單元并聯(lián)多重化的方式實現(xiàn)大容量和低開關(guān)紋波，系統(tǒng)的主站和從站采用直流母線互聯(lián)的形式構(gòu)成整體結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)組成見圖1。

圖1 補償系統(tǒng)組成圖 Fig. 1 Composition diagram of compensation system

1.2 工作原理

SVG 裝置工作原理如圖2 所示，iα、iβ為V/V 牽引變壓器副邊電流，iLα、iLβ分別為α 相與β 相供電臂有機車負(fù)載電流，icα、icβ分別為α 相與β 相的SVG 補償電流。

圖2 工作原理圖 Fig. 2 Working principle diagram

UA、UB、UC為牽引變壓器原邊電壓，Uα、Uβ為牽引變壓器副邊電壓，其相角相差π/3。電壓矢量關(guān)系如下圖3 所示。

以α 相為例，iα、icα 與iLα 這三種電流關(guān)系如下：

iLα=iα+icα

圖3 電壓矢量關(guān)系圖 Fig. 3 Voltage vector diagram

電氣化鐵路牽引負(fù)荷一般為交直交電力機車，采取四象限脈寬調(diào)制(pulse width modulation， PWM)脈沖整流控制方式，功率因數(shù)接近1。負(fù)載電流iLα 可以分解為有功電流idα、無功電流iqα 與諧波電流ihα 等電流分量，如下式所示：

iLα=idα+iqα+ihα

而此時α、β 兩相中需要轉(zhuǎn)移的電流計算公式如下：

iL=|iLα-iLβ|/2

當(dāng)電流從重載側(cè)轉(zhuǎn)移到輕載側(cè)后，此時兩橋臂電流的幅值分別為Iα'和Iβ'，其幅值相等，相角相差π/3，電流不平衡度為50%。再通過在α 橋臂補償一定的容性無功電流iqα，使α 相電流相位超前該相橋臂電壓相位π/6，而在β 橋臂補償一定的感性無功電流iqβ，使電流相位滯后該橋臂電壓相位π/6，如圖4 所示[4]。

圖4 補償原理圖 Fig. 4 Compensation principle diagram

這樣補償之后得到的兩橋臂電流iα、iβ 分別與原邊A、B 兩相電流重合，此時兩相相角相差2π/ 3。補償后的原邊三相電流完全對稱，負(fù)序電流為0，并且可推知原邊三相功率因數(shù)都為1，此時就到達了綜合補償?shù)哪康腫4]。

從以上結(jié)論可以看出，只要能實時地檢測出負(fù)載電流中各電流分量，通過SVG 設(shè)備輸出相應(yīng)的補償電流，就可以實現(xiàn)無功、負(fù)序以及諧波電流補償。

下面以α 相為例，對各種工況下的電流補償原理進行具體分析。

當(dāng)icα=iqα 時，SVG 實現(xiàn)無功補償功能，此時電網(wǎng)電流：

iα=idα+ihα

當(dāng)icα=ihα 時，SVG 實現(xiàn)諧波補償功能，此時電網(wǎng)電流：

iα=idα+iqα

而補償負(fù)序電流時，UPQC 的主站和從站通過互聯(lián)的直流母線構(gòu)成一個有機整體，通過公共直流母線實現(xiàn)兩供電橋臂的有功功率融通，實現(xiàn)兩供電橋臂電流基本平衡，從而完成負(fù)序電流補償功能。

最后以一種極端工況舉例說明。當(dāng)α 相供電臂有列車通過，而β 相供電臂無列車，在無SVG 設(shè)備補償時理論上可以認(rèn)為：

iLβ=iβ=0

但是

iLα≠0

此時兩相電流差距很大，兩個供電臂的電流嚴(yán)重不平衡，110kV 側(cè)電網(wǎng)電流就會出現(xiàn)三相不對稱，系統(tǒng)中又因為含有較大負(fù)序電流，會造成電網(wǎng)電壓不平衡，嚴(yán)重影響到電網(wǎng)的電能質(zhì)量[5]。如果增加SVG 補償設(shè)備，則通過控制可以實現(xiàn)：

icα=12iLα=-icβ=iβ

那么

iα=iβ=12iLα

可見在使用SVG 設(shè)備補償后，在這種極端情況下，也可以實現(xiàn)使110kV 電網(wǎng)側(cè)的三相電流達到平衡。

1.3 控制策略

SVG 裝置的控制框架如圖5 所示，其中，負(fù)載電流iL又可分解為有功電流id、無功電流iq以及諧波電流ih等電流分量。

由于系統(tǒng)為單相，將系統(tǒng)負(fù)載電流分別移相120°和240°構(gòu)造出三相負(fù)載電流，如圖6 所示。

應(yīng)用三相系統(tǒng)瞬時功率理論對負(fù)載電流的有功、無功和諧波分量分別進行檢測；根據(jù)檢測的負(fù)載電流的有功、無功和諧波分量及系統(tǒng)的補償要求生成系統(tǒng)電流控制的參考信號[6]。

在無功和諧波電流補償方面，系統(tǒng)的主站和從站分別檢測各自的電網(wǎng)電壓、電網(wǎng)電流，通過控制器計算得出補償點的無功電流和諧波電流分量，再 通過控制系統(tǒng)控制使補償系統(tǒng)輸出相應(yīng)的補償電流，從而實現(xiàn)無功和諧波電流補償。

圖6 虛擬三相電流構(gòu)造方法 Fig. 6 Virtual three-phase current construction method

在負(fù)序電流補償方面，系統(tǒng)的主站和從站分別檢測各自的電網(wǎng)電壓、電網(wǎng)電流和對方的電網(wǎng)電壓、電網(wǎng)電流，控制系統(tǒng)通過計算和控制使補償設(shè)備通過公共直流母線在主站和從站之間實現(xiàn)有功功率轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)負(fù)序電流補償[7-8]。

2 補償效果分析

下面根據(jù)神朔鐵路現(xiàn)場的工況對SVG 投運前后的電流進行分析對比，驗證SVG 裝置的補償效果。

2.1 無功與負(fù)序電流治理

在第一種工況下，負(fù)載中只存在無功與負(fù)序電流，α 相供電臂與β 相供電臂的電流有效值分別為2291A、1145A。變壓器二次側(cè)電流波形如下圖7所示。

此時，網(wǎng)側(cè)（變壓器一次側(cè)）電流波形如下圖8 所示，A、B、C 三相電流有效值分別為573A、286A、757A。

圖7 補償前變壓器二次側(cè)電流波形 Fig. 7 Transformer current waveform on secondary side before compensation

圖8 補償前網(wǎng)側(cè)電流波形 Fig. 8 Current waveform on network side before compensation

可以看到，在SVG 裝置沒投入運行前，變壓器一次側(cè)與二次側(cè)都存在不平衡電流。

當(dāng)SVG 裝置投入運行后，這種情況會得到有效改善，此時變壓器二次側(cè)電流波形如下圖9 所示，α 相與β 相的電流有效值都為198A。

補償后的網(wǎng)側(cè)（變壓器一次側(cè)）電流波形如下圖10 所示，A、B、C 三相電流有效值都為496A。

α 相與β 相的兩套SVG 裝置的輸出波形如下圖11 所示， 電流有效值都為114A。

圖9 補償后變壓器二次側(cè)電流波形 Fig. 9 Transformer current waveform on secondary side after compensation

圖10 補償后網(wǎng)側(cè)電流波形 Fig. 10 Current waveform on network side after compensation

圖11 SVG 輸出電流波形 Fig. 11 SVG output current waveform

從實驗結(jié)果來看，SVG 裝置可以有效補償符合中的無功與不平衡電流。

2.2 諧波電流治理

在第二種工況下，負(fù)載中除了無功與負(fù)序電流，α 相還存在7 次諧波電流,諧波有效值為353A，波形如下圖12、13 所示。

圖12 補償前變壓器二次側(cè)電流波形 Fig. 12 Transformer current waveform on secondary side before compensation

圖13 補償前變壓器二次側(cè)電流FFT 變換 Fig. 13 Transformer current FFT transformation on secondary side before compensation

此時網(wǎng)側(cè)（變壓器一次側(cè)）電流波形如下圖14、 15 所示，A、C 兩相電流含有7 次諧波，諧波有效值為88A。

圖14 補償前網(wǎng)側(cè)電流波形 Fig. 14 Current waveform on network side before compensation

圖15 補償前網(wǎng)側(cè)電流FFT 變換 Fig. 15 Current FFT transformation on network side before compensation

可以看到，在SVG 裝置沒投入運行前，變壓器一次側(cè)與二次側(cè)都存在不平衡與諧波電流。

在SVG 裝置投入運行后，再來觀察變壓器二次側(cè)電流波形如下圖16、17 所示，α 相電流基本上沒有諧波分量，F(xiàn)FT 運算后分析，補償后的變壓器二次側(cè)電流中7 次諧波分量有效值從336A 變成17A。

圖16 補償后變壓器二次側(cè)電流波形 Fig. 16 Transformer current waveform on secondary side after compensation

圖17 補償后變壓器二次側(cè)電流FFT 變換 Fig. 17 Transformer current FFT transformation on secondary side after compensation

補償后的網(wǎng)側(cè)（變壓器一次側(cè)）電流波形如下圖18 19 所示，A、B、C 三相電流達到平衡，并且沒有諧波分量。

圖18 補償后網(wǎng)側(cè)電流波形 Fig. 18 Current waveform on network side after compensation

圖19 補償后網(wǎng)側(cè)電流波形FFT 變換 Fig. 19 FFT transform of current waveform on network side after compensation

α 相與β 相的兩套SVG 裝置的輸出波形如下圖20、21 所示，電流有效值都為114A。

圖20 SVG 輸出電流波形 Fig. 20 SVG output current waveform

從實驗數(shù)據(jù)分析可以看到，SVG 裝置對負(fù)載中的諧波電流也有補償效果，從而實現(xiàn)對鐵路負(fù)荷的電能質(zhì)量綜合治理。

圖21 SVG 輸出電流波形FFT 變換 Fig. 21 FFT transform of SVG output current waveform

3 結(jié)論

電氣化鐵路是當(dāng)前我國重點發(fā)展的交通方式，它已顯示出無比的優(yōu)越性。但是電氣化鐵路的牽引負(fù)荷會產(chǎn)生大量干擾，嚴(yán)重降低電網(wǎng)的電能質(zhì)量。在神朔鐵路萬噸列車擴能改造工程中通過接入SVG 裝置，對負(fù)載側(cè)的無功、負(fù)序與諧波電流進行補償后能夠有效的解決這一問題。