电气化铁路单相SVG控制策略仿真研究

摘   要：

电气化铁路牵引供电系统作为机车电力的主要来源，其安全可靠运行成为当前研究的热点。然而，新建货运铁路线中由于排车密度、机车类型等限制，其牵引变电所长期处于空载运行状态，导致无功功率占比过高、功率因数极低，严重影响了电网的电能质量和经济性。鉴于此，提出了配置电气化铁路单相SVG的应对措施，实现了对谐波、无功等电能质量问题的综合补偿，最后通过仿真验证了所提控制策略的可行性。

0  引言

新建货运电气化铁路线设计之初，存在机车负荷过低，实际开行的列车次对数远低于预期对数，导致线路占用率低，牵引变压器长期处于空载运行状态，引起无功功率占比过高，功率因数很低，牵引变电所力率电费占全所电费的50%以上，运行成本极高等问题。因此，用户希望采用经济性设备投资来提升部分功率因数，达到减少电费罚款的目的。

根据现场情况，通过容量可灵活配置的单相静止无功发生器[1-4]（Static var Generator，SVG），实现对谐波、无功、电压波动和闪变等电能质量问题的综合补偿，减少对铁路和电网造成的影响。本文以某铁路局牵引变电所为背景，主要验证在牵引变压器空载运行时、机车进入时所设计的电气化铁路单相SVG治理能力，以解决该铁路线功率因数过低和功率因数考核电费剧增的问题。

1  现场数据分析

牵引变电所的现场接线情况如图1所示。

牵引所线路空载运行参数如图2所示。机车空载时电流分为两个部分：212段方向，电流值2.11 A；211段方向，电流值9.14 A。因此，这时的无功主要包括两个部分，一是空载电流经过线路上产生的无功，二是变压器空载损耗的无功，经计算约为0.309 Mvar。

机车通过时的电流一般在150～250 A，最大可达到300 A。机车通过时电流分为两个部分：在212段方向线路长度为13.4 km，在211段方向长度为60 km。两部分通过分相装置隔开，取最大值线路损耗为线路消耗的最大无功。现场调研绘制出数据，如表1所示。

机车以300 A的电流通过时，牵引所的无功主要包括：211段方向线路的无功+牵引变压器的无功+机车本身消耗的无功=2.78+0.45+2.3=5.53 Mvar。如果考虑全部补偿即补充后功率因数接近1，所需要配置的无功补偿装置为5.6 Mvar；考虑到经济性，由于HXD3B型机车功率因数大于0.97，而供电公司的功率因数罚款标准为0.9，因此，只补偿线路消耗无功+变压器消耗无功亦能满足补偿要求，此时所需配置的无功补偿装置容量约为3.2 Mvar。本文将以此容量为最终SVG的补偿容量进行仿真和装置设计。

2022年2月变电所的电量和功率统计数据如表2所示。

按照空载补偿无功0.309 Mvar、有载补偿无功3.2 Mvar来做反向推演计算。

根据现场与工作人员的交流，每个月机车通过的列数为10～20次，折中考虑以15次为依据，机车的运行时速为60 km/h，机车在路段内行驶的时间为1.5 h，则每个月的无功电度为：309×24 h×28 d+3 200×1.5 h×15 d=279 648 kvar·h，与表2中无功电度基本吻合。

2  电气化铁路SVG一次系统及控制方案

本文设计的电气化铁路SVG一次系统如图3所示，整个系统的设计参数如表3所示。

单相SVG的补偿目标主要包括无功电流和谐波电流。补偿方法主要是从牵引负载电流中分离出有功电流分量、无功电流分量以及谐波电流分量，综合补偿电流检测方法的优劣主要从分离出各电流分量的准确性和实时性判别。目前从负载电流中分离出综合补偿电流的方法比较多，常见的有有功电流分离法、瞬时电流分离法、无锁相环法等。本文制定的整体控制方案如图4所示。

图4中对应的三个部分分别是：

（1）通过负载电流得到的无功缺口，对负载无功进行补偿。

（2）由SVG中电容电压与设定值的偏差，得到需要从网侧吸收或发出的有功大小。

（3）固定发出Iq，补偿变压器空载励磁损耗。

3  仿真结果

根据以上分析，不同工况下220 kV侧投入无功情况如表4所示。

无SVG情况下，如图5所示，在1 s机车进入前，变压器和线路上的空载无功损耗约306 kvar，这部分无功是导致长期功率因数偏低的重要原因。在1.5 s后机车驶入，此时无功损耗主要包括机车正常运行消耗的无功、变压器负载损耗消耗的无功以及过长的线路上流过机车运行电流时引起的无功。

在有SVG投入的情况下，如图6所示，在1 s机车进入前，SVG对变压器线路上的空载无功损耗进行完全补偿，使从220 kV侧监控到的无功损耗从306 kvar降低到36 var。在1 s后机车驶入，无功损耗大大增加，达到5.5 Mvar，考虑到经济性，SVG的设计容量为3.2 Mvar，此时SVG只按照设计容量的最大值进行补偿，220 kV网侧仅提供剩下的2.3 Mvar无功，主要用于机车无功消耗。在1.5 s时机车离开，总无功消耗和SVG发出的无功重新减小。

在SVG投入使用时，27.5 kV网侧电压谐波含量满足要求，如图7所示，27.5 kV侧电压中的THD仅为0.17%。

4  结语

本文以某铁路局牵引变电所为研究背景，设计了单相SVG的拓扑配置及控制方案，通过对牵引变压器空载运行时、机车进入时的两种算例进行仿真，验证了所设计的电气化铁路单相SVG治理能力。仿真结果表明，该设计方案能够解决该铁路线功率因数过低和功率因数考核电费剧增的问题。

审核编辑：汤梓红