SVG技术在电气化铁道应用

摘 要:对静止无功发生器(SVG)综合补偿原理进行分析,研究SVG在牵引供电系统中的综合补偿作用.分析适用于SVG的动态无功补偿计算方法,并给出计算流程.针对电气化铁路中存在的无功、谐波和负序等严重影响电能质量的问题,探讨SVG技术在电气化铁道中的应用.

关 键 词:SVG,电能质量,无功补偿

中图分类号:U224文献标识码:A文章编号:16723198(2010)01029002

0前言

至2008年底,我国铁路运营里程达7.96万公里,电气化铁路运营里程为2.81万公里.按国家最新规划是到2012年建成铁路运营里程11万公里,电气化率达到50%.在电气化铁道带来优势的同时,也产生了一些问题.

由于电气化铁道使用单相供电方式为列车提供电能如图1所示,使电力系统不可避免的产生了三相不平衡,并且我国目前运营的大部分机车采用交-直单相晶闸管半控整流制式,典型如SS4、SS8以及SS9型机车,本身就是一个谐波源,此外,电力机车在启动终止时对于电网来说属于大的冲击性负载,对于电网电能质量,无功功率的平衡都有很大的影响.

由于牵引变电所供电技术指标和经济性能均与无功、谐波和负序有关,建立有综合补偿作用的补偿装置就十分重要.其综合补偿作用应主要体现在:

(1)补偿无功,提高功率因数,

(2)降低负序,

(3)降低母线电压损失,提高网压水平,

(4)降低牵引变压器功率损失和网损(降损),提高牵引变压器的容量利用率(增容),并由此提高运输供电能力

等.

目前我国电气化铁路牵引变电所无功补偿装置绝大部分采用并联电容器固定补偿模式.但是,这种固定补偿

装置由于采用分级补偿,由于牵引负荷的剧烈变化,便造成轻载无功的过补偿和重载无功的欠补偿,无法达到

月平均功率因数0.90的国家标准,因而造成罚款,有的变电所罚款甚至达到百万之巨,增加运营成本.而且,这

种补偿装置一般采用机械开关投切电容器,响应速度慢,无法满足对牵引负荷进行动态无功补偿的需要.

为解决上述问题人们进行了多方面的研究.目前天津地铁供电系统、石太高速客运专线供电系统、包兰铁路

万吨改造工程都采用了动态无功补偿的方法.本文对静态无功发生器(SVG)的原理进行了探讨,分析了

SVG系统引入电气化铁道的可能性.

1SVG原理简介

1.1SVG系统构成

SVG的基本原理就是将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联在电网上,适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位,或者直接控制其交流侧电流就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流,实现动态无功补偿的目的.其系统构成如图2所示.

1.2SVG工作原理

SVG工作原理如图3所示.

设系统电压时Us,输出的电压为Ui,电抗器的电流为IL,连接电抗器上的电压为Us和Ui之差,而电抗器上的电

流IL是可以通过改变其上的电压而控制的,因此,改变SVG交流侧输出电压Ui的幅值及其相对于Us的相位,就

可以改变连接电抗器上的电压,从而控制SVG从电网吸收电流的相位和幅值,也就控制了SVG吸收无功功率的

性质和大小.在空载运行时SVG不吸收或者不发出无功功率,这时Us等于Ui,当系统运行在容性负载情况下,

Ui>Us时,SVG调节电抗器上的电流IL使其产生一个超前的电流,从而吸收多余的无功,当系统运行在容性

负载情况下,Ui

2补偿容量的计算

2.1按提高功率因数计算方法

本方法以补偿功率因数到一个基准值为标准,首先确定电网最大负荷日的平均有功功率p,补偿前的功率因数cosφ1,补偿后的功率因数cosφ2,则补偿容量可由式(1)确定:

Qc等于p1cos2φ1-1-1cos2φ2-1(1)

式中:Qc为所需补偿容量,

2.2按降低线路损耗确定计算方法

线路损耗是电网经济运行的一项重要指标,在网络参数一定的条件下,与通过导线的电流平方成正比.设补偿前的线路损耗为Δp1,补偿后的线路损耗为Δp2,则补偿后线路损耗降低的百分值为Δps:

Δps等于Δp1-Δp2Δp1等于[1-cosφ1cosφ2]×100%

根据线路损耗降低的百分值为Δps反算出补偿后的功率因数cosφ2,补偿容量可由式(2)确定:

Qc等于p(tanφ1-tanφ2)等于Qac1-tanφ2tanφ1(2)

2.3按提高网压确定计算方法

在装设补偿电容前,网络电压可用式(3):

U1等于U2+PR+QXU2(3)

装设补偿电容后,电源电压u1不变,变电所母线电压U2升到U′2,且

U1等于U′2+PR+(Q-Qc)XU′2,

ΔU等于U′2-U2等于QcXU′2,

即需要补偿无功容量为:

Qc等于ΔUU′2X

由于牵引负荷属于非线性负荷,采用方法一中根据全日平均有功功率推算出的补偿容量,很难满足时刻变化

的牵引负荷的补偿要求,会出现过补偿或者欠补偿现象的发生.第二种方法中线路损耗是一个很难实时监测

的物理量,采用这种方法计算补偿容量,难以达到实时监测的效果.方法三中所选取的电源电压、母线电压

等都是实时监测的数据且容易获得,在工程实践中有良好的应用,所以本文对第三种计算补偿方法进行了研

究,其计算流程如图4所示:

3SVG在电气化铁道应用的探讨

山西中南部铁路北韩牵引变电所安泽方向上供电臂,经过供电计算全日平均需要补偿无功量为6400kvar,

在母线侧介入两组补偿电容,分别为3200kvar和6400kvar,这样就有了四种补偿容量:补偿容量为0kvar、

补偿容量为3200kvar、补偿容量为6400kvar、补偿容量为9600kvar.补偿装置采用定时检测法每隔30分

钟检测一次母线上的无功量,然后确定补偿容量,切投相应的电容器.这种补偿方式存在明显缺点:补偿容

量不能动态调节,采用定时检测,不能对牵引网情况实时处理,这样都会出现过补偿和欠补偿的情况.

引入SVG系统能够实时监测牵引网运行情况,对实时数据进行分析,能够发出连续的补偿电流补偿无功,可

以明显弥补上述不足,改善电能质量.对北韩牵引变电所进行了仿真.牵引变电所原理接线图如图5所示.

试验条件:由于牵引供电系统的两供电臂的相互独立性,为了简化牵引供电模型,我们可以假设仅在一条供电

臂上有牵引负荷,另外一条供电臂的负荷为零,负荷电流由落后系统电压0度切换到落后90度,SVG随即发

出1000A补偿电流,动态响应时间15ms左右.仿真结果如图6所示.

4结论

随着电气化铁道技术的进步,如高速铁路、城际轨道交通、重载铁路的工程应用中,对于动态控制要求越来越高.通过上面的分析可以看到,SVG可以较好的解决因系统无功功率波动问题带来的过补偿和欠补偿的问题,改善了电能质量.从经济角度讲,避免了牵引变电所每个月的巨额罚款,同时SVG本身具有滤除谐波的功能,节省了谐波治理装置的用地,减少牵引变电所占用土地面积.

本文对SVG原理进行分析,并分析了适合电气化铁道无功补偿的计算方法,对北韩牵引变电所引入SVG技术做了探讨,结果表明SVG是一种很有发展无功补偿技术,很适合电气化铁路负荷波动大等特点,但工程实际中遇到的情况千变万化,靠仿真难以模拟出实际运行情况,SVG技术在电气化铁路中应用还需要实践来检验,需要做很多更深入工作.