某牵引变电所动态无功补偿改造方案

朱小军，张丽艳，徐瑞林，陈涛

（1.重庆市电力公司电力科学研究院，重庆401123；2.西南交通大学电气工程学院，成都610031）

某牵引变电所动态无功补偿改造方案

朱小军1，张丽艳2，徐瑞林1，陈涛1

（1.重庆市电力公司电力科学研究院，重庆401123；2.西南交通大学电气工程学院，成都610031）

针对固定的并联电容补偿装置不能动态补偿牵引负荷随机波动的感性无功的缺陷，该文通过采用固定牵引变压器接线方式下并联电容补偿设备容量最小的计算模型及其算法，提出了通过调节降压变压器低压侧母线电压调节滤波器无功出力的动态补偿措施。重点设计了3次固定滤波器加3次可调滤波器补偿方案。利用某牵引变电所的实测数据，在技术指标和经济效益分析、比较的基础上，验证了该方法的有效性。

牵引变电所；负序电流；综合补偿；单调谐滤波器；补偿容量

近10年来，我国铁路电气化里程成倍增长。由于单相电力牵引负荷和非线性特性晶闸管电力机车的使用，导致了无功功率增大、注入电力系统的负序、谐波含量较大，其涉及范围随着铁路电气化里程的增长而日益扩展，突出地成为影响牵引供电系统和电力系统安全经济运行的重要研究课题。因此，结合电气化铁道的系统特点和负荷特点，寻求无功、负序和谐波的综合补偿方法，其意义是重大的[1]。

国内外已有大量的参考文献研究用于牵引供电系统或电力系统的无功补偿装置，主要集中在补偿装置控制策略的研究、各种补偿方案的设计、补偿装置参数的优化设计等等[2～5，7～12]。西南交通大学还提出了同相供电系统，旨在解决电能质量的同时，解决机车过分相问题。

由于有源补偿装置复杂的结构和高昂的造价、运行费用，使得目前国内电气化铁道牵引变电所仍普遍采用在27.5 kV母线上并联固定容量的高压电容补偿装置，或采用动态可调的无源补偿方案。

本文提出通过调节降压变压器低压侧的母线电压来调节滤波器的无功出力的动态补偿措施。进而提出了3次固定滤波器FC（fix capacitor）＋3次可调滤波器TC（thyristor capacitor）补偿方案，和在此基础上省掉固定补偿装置，仅用3次可调滤波器补偿方案。针对这两种补偿方案，在满足无功补偿的前提下（即功率因数达到0.9），采用固定牵引变压器接线方式下力求并联电容补偿PCC（parallel capacitor compensation）设备容量最小的计算模型及其算法，利用某牵引变电所的实测数据，通过编程详细地分析、比较两种补偿方案下取得的技术指标和经济效益。

1 带有降压调压变压器的单调谐滤波器设计方法

1.1 降压可调滤波器设计原理

在此采用降压调压变压器调节电容器组的端电压，调节无功出力，达到无功平衡。该补偿装置的原理如图1所示。补偿装置要求电容器组和电抗器按组成3次滤波支路设计。如果存在固定的3次滤波支路，也可使电容器组和电抗器按组成5次滤波支路设计，或按同时存在3次、5次和7次滤波支路设计[2，3，9]。如果要求补偿装置能够补偿感性无功功率，可考虑使用如图2所示的补偿方案。本文采用是图1所示的补偿原理。

图1 TC补偿原理Fig.1TC compensation principle

图2 TC+TL可调补偿原理Fig.2TC+TL compensation principle

该补偿装置可根据具体变电所的实际负荷和谐波情况进行组合。对于谐波较严重的变电所，从滤波的安全性和有效性出发，还可采用固定的多次单调谐滤波器，滤波支路可根据需要采用3次，3、5次，或3、5、7次滤波器。

图1所示的可调补偿装置在牵引端口的等效电路如图3所示。这里用晶闸管交流开关实现投切，即晶闸管投切电容器TSC（thyristor-switched capacitor）。其工作电压选择为2.5 kV～2.75 kV。

图3 晶闸管投切的负荷端口谐波等效回路Fig.3Harmonic equivalent circuit of load port switched by thyristor

图3中，XT为降压变压器基波漏抗，XCk和XLk分别为k次滤波支路电容器组和串联电抗器的基波容抗和感抗，XS为从牵引端口看出的包含牵引变压器在内的系统短路阻抗，将阻抗归算到27.5 kV下，则n次谐波下3、5、7次滤波支路的等效阻抗为

只有3、5次滤波器时的等效阻抗为

整个滤波支路的等效阻抗为

滤波率计算式为

1.2 降压变压器变比的确定

降压变压器低压侧的抽头方式可有两种：线性变比抽头或非线性变比抽头。

设分m个等级（1级为最低级，m级为最高级），线性抽头是指各级的电压呈线性，因此各级的输出容量非线性；非线性抽头其各级电压呈非线性，而各级的容量线性。调压变压器在不同抽头方式下不同等级对应的等效变比如表1所示。

表1 不同抽头方式对应的不同等级的等效变比Tab.1Equivalent ratios of different grades under different tapping modes

2 并联电容补偿装置（PCC）的计算模型

通常情况下，无功和负序伴随牵引负荷同时出现[1]，综合补偿无功和负序是目标。投入的补偿装置，应力求提高补偿系统的经济性能，即“投入少，产出多”，所以，本文采用了固定牵引变压器接线方式（即给定端口）下力求PRC设备总容量为最小的计算模型及其算法。

在牵引负荷及其功率因数已知时，接线方式的确定又使接线角ψp（p=1，2，…，n）成为已知，有效利用并联无功补偿PRC（parallel reactive compensation）设备容量在于尽可能地补偿牵引负荷产生的负序功率，再兼补无功[1]。计算模型要求PRC系统产生的合成负序（功率或电流）与牵引负荷产生的合成负序共线反向，并兼顾无功补偿。

以YNd11接线为例，设I1、I3在a相，I2、I4在c相，按端口电压的规格化标向，取ψ1=ψ3=0°，ψ2= ψ4=-120°（超前U˙a）。取a、c两相为牵引负荷相，其中c为超前相，a为滞后相。则建造的计算模型的解[1，13，14]为

式中：KN为安装PRC系统后负序补偿量（下降量）与原有负序的比值，且KN∈[0，1][1]；KC为安装PRC系统后无功补偿量（下降量）与原有负荷无功功率的比值，且KC∈[0，1][2]。

只要约束PRC（并联无功补偿）只在容性范围内取值，及Ik≥0，k=3，4，就能在PRC的模型上建造PCC模型。

3 实例分析

现以某牵引变电所实际参数和实测数据为基础进行补偿方案效果仿真。

3.1 牵引变电所参数

某牵引变电所实际参数如表2所示。

表2 某牵引变电所实际参数Tab.2Actual parameter of a traction substation

3.2 测试数据

牵引变电所的测试数据如图4所示。

根据实测的日负荷曲线，设补偿后功率因数要求达到0.9，并力求全部补偿负序，根据式（5），统计各供电臂所需的补偿电流如表3所示。

图4 某牵引变电所测试数据Fig.4Test data of a traction substation

表3 补偿电流概率特征值Tab.3Probabilistic eigenvalues of compensation current

3.3 补偿装置参数设计

限于篇幅，本文以3次固定滤波器（FC3）＋3次可调滤波器（TC3）方案为例，详细讨论了补偿装置参数的设置。该补偿方案的接线原理如图5所示。

图5 FC3+TC3原理接线图Fig.5FC3+TC3 compensation principle diagram

固定补偿装置中电容器组选择单个电容器的额定容量为100 kvar，额定电压为10.5 kV，降压调压变压器额定电压为27.5 kV/2.75 kV，低压侧按照非线性变比抽头，分5个等级，短路电压百分比采用4%；低压侧的可调补偿装置支路选择单个电容器的额定容量为100 kvar，额定电压为1.05 kV。

设综合频偏δf＝0.02，则调协系数t3为0.12。

根据所需补偿电流概率特征值估计各相补偿装置中电容器组总安装容量QT，则可估计各相可调补偿装置中电容器组的安装容量为

式中，QFC为固定电容补偿装置总安装容量。

根据估计容量可确定3次可调支路电容器组的具体构成及相应串联电抗器的有关参数。注意，在确定电容器组的电容器串联个数时，应使其额定电压略大于所承受的最高工作电压。如电容器额定电压超过最高工作电压过多，电容器出力将降低，因而不经济。如电容器额定电压低于最高工作电压，则电容器寿命缩短，不能保证安全运行。

在确定最高工作电压时应考虑：①牵引变电所母线最高电压；②并联电容无功补偿装置中串入电抗器后电容器组的端压的升高；③谐波电流的影响。

在电容器类型、安装容量Q及串联的个数i确定以后，并联支路数j计算式为

式中，Q0为单个电容器的标称容量。

实际补偿装置的参数设计如表4所示。

表4 FC3+TC3补偿方案Tab.4FC3+TC3 compensation scheme

确定了实际补偿装置的参数后，即可确定补偿装置的实际补偿电流（实际无功出力），图6绘出了所需补偿电流与实际补偿电流的比较曲线。

图7 实际补偿电流和所需补偿电流的比较曲线Fig.7Comparison curves between actual compensation current and required compensation current

分析可得，a相可调补偿装置的最大实际无功补偿电流为56.69 A，最大实际无功出力为1 558.96 kvar；b相可调补偿装置的最大实际无功补偿电流为42.52 A，最大实际无功出力为1 169.22 kvar。考虑采用最大出力下选择变压器额定容量的原则，确定降压变压器的额定容量为：a相1 600 kvar；b相为1 200 kvar。

3.4投切控制规则

（1）方案中有固定滤波器时，固定滤波器始终投入运行，参与无功补偿与滤波。

（2）对于可调滤波器支路，当牵引负荷产生的感性无功大于固定滤波器支路补偿的容性无功时，决定投入可调滤波器支路。可调滤波器支路根据实际所需无功的大小决定分接开关的切换，通过晶闸管开关的分合实现变压器的无载调压，从而改变可调滤波器的功率输出。

（3）由于分接开关的切换有延时，因此无功补偿也应有延时，在一定范围内，延时越短，实时性越好，分接开关切换的频率越高，补偿效果也越好。超过一定范围，分接开关切换频率越高，有效投入时间越少，从而影响补偿与滤波效果。另一方面，从机械开关的寿命考虑，切换次数越少越好。因此，应在达到预期补偿效果的前提下尽可能地减少切换次数。

3.5 技术指标和经济效益分析计算

确定了实际的补偿电流后，就可对并联电容补偿装置作用后的技术指标和经济性能做出比较全面的分析。以便为其实际应用提供决策依据。

针对3次固定滤波器（FC3）＋3次可调滤波器（TC3）和3次可调滤波器（TC3）两种补偿方案对其技术指标和经济性能进行分析计算如表6所示。

表6 技术、经济效益分析计算统计表Tab.6Statistical table of technical and economic benefit analysis calculation

由表6可见，针对本文提出的两种补偿方案，都对无功、负序和谐波具有明显的改善作用，证实了方法的有效性。两种方法补偿效果相当，补偿方案的选择应兼顾技术指标和经济效益，综合必选，本文推荐该牵引变电所采用3次固定滤波器（FC3）＋3次可调滤波器（TC3）补偿方案。

4 结语

针对目前我国提出的各种无功、负序和谐波的综合补偿方案，其基本原理都是力求基波下补偿牵引负荷的感性无功功率，提高功率因数，降低负序，并构成有效的滤波通路，滤除（或抵消）指定谐波。单调谐滤波器在基波下表现为并联电容的补偿特性，可将谐波的补偿与无功、负序的补偿相互关联起来。

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Research of Dynamic Reactive Power Compensation in Traction Substation

ZHU Xiao-jun1，ZHANG Li-yan2，XU Rui-lin1，CHEN Tao1
（1.State Grid Chongqing Electric Power Co.Electric Power Research Institute，Chongqing 401123，China；2.School of Electrical Engineering，Southwest JiaotongUniversity，Chengdu610031，China）

The fixed parallel capacitor compensation device can not compensate the motioning inductive reactive power，and aiming for solving this problem，the models and algorithms for parallel capacitor compensation device with the smallest capacity were adopted by using the fixed traction transformer connection in this paper.The dynamic compensation measures by adjusting the low side bus voltage of step-down transformer to regulate reactive power were put forward.The third-harmonic fixed filter and third-harmonic adjustable filter compensation scheme was mainly designed. By using the measured data of traction substation and on the basis of the analysis and comparison of technical index and recommendation，the validity of the method was verified.

traction substation；negative-sequence current；comprehensive compensation；single tunable filter；compensation capacity

TM922.42

A

1003-8930（2014）02-0071-06

朱小军（1981—），男，硕士，工程师，研究方向为电力系统仿真计算分析与电能质量研究。Email：44981052@qq.com

2012-02-27；

2012-05-11

张丽艳（1979—），女，博士，讲师，研究方向为电能质量预测与无功补偿。Email：xphfy@swjtu.cn

徐瑞林（1965—），男，硕士，高级工程师，研究方向为电网调度与电力系统仿真计算分析。Email：xrl@cq.sgcc.com.cn