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【摘要】功率因数偏低是长期困扰电气化铁路的一个难题，给国家的电力资源造成了很大浪费。一些铁路部门也采取了利用电容补偿装置来提高功率因数的措施。本文就介绍了无功功率补偿的意义，分析了无功补偿现状，探讨了动态无功补偿原理及应用。
【关键词】铁路 牵引变电所 无功补偿
中图分类号：F53文献标识码： A
前言
电气化铁路多采用固定补偿方式, 但在无功“返送正计”计量方式下, 牵引变电所功率因数较低, 采用固定并联电容补偿装置往往达不到设计要求, 宜设动态无功补偿装置。铁路电气化专家的经验共识是: 对运量较大、负荷相对均衡的复线铁路, 原则采用静态电容补偿; 对运量小的单线电气化铁路, 可采用动态电容补偿, 应按详细的技术经济比较结果确定。
一、无功功率补偿的意义
无功功率是用来说明电源向电感负载所提供的磁场能量规模的物理量。它是具有电感的设备正常工作所必不可少的条件。但电源提供的无功功率过大也有不利的一面。在电气化牵引供电系统，过大的无功功率和偏低的功率因数，主要造成三个方面的负面影响：其一是降低了供变电设备的有效利用率。其二是加大了电能损失部分的比重。其三是额外地增大了用户电压损失。所以，无功功率补偿可以提高供变电设备的输送能力，减少电能损失，改善机车的用电质量。
二、无功补偿现状
无功补偿的主要作用，包括提高负载和系统的功率因数，减少设备容量和功率损耗，提高供电质量，平衡三相负载的有功和无功功率等。常用的无功补偿设备有同步调相机、并联电容器、并联电抗器和静止补偿设备等。
1、同步调相机
实际上是一台空载运行的同步电动机，它不仅能补偿固定的无功功率，对变化的无功功率也能进行动态补偿，适合于大型变电所对无功功率进行集中补偿，缺点是价格高，运行维护复杂，有功功率消耗大。
2、并联电容器
实际中大多数负载是感性负载，采用电容器进行并联作为无功补偿装置是非常重要的。大容量并联电容装置一般还分为数组，各设开关，分级调节输出的无功功率。在常用的无功功率补偿设备中，并联电容器的费用最低，有功功率消耗最小，维护最简便。它可以分散安装在用户处或靠近负荷中心的地点，实现无功功率的就地补偿，还可根据需要分散撤迁到其他地点。由于上述优点，并联电容器得到了广泛的应用。其主要缺点是电压调节效应差，电容的投切是有级的，难免出现过或欠补偿，不能动态跟踪系统所需无功功率的变化。同时一般需要串联电抗器，用于限制投切时的涌流，抑制高次谐波的影响。由于系统中有谐波，有可能发生并联谐振，使谐波放大，造成电容器烧毁。
3、静止补偿器（SVC）
由可控电抗器和电容器组成，其能实时地对电网所需要无功实施调节，使电网运行在较高的功率因数水平上，具有调节速度快、运行维护简单、功率损耗小等优点。静止补偿器不但能在稳态运行时，调节无功功率，保证系统电压的稳定；而且对冲击负荷也有较强的适应性，能满足动态无功功率补偿的要求。由于使用晶闸管的静止补偿器具有优良的性能，它已占据了静止无功补偿装置的主导地位，包括晶闸管控制电抗器（TCR）和晶闸管投切电容器（TSC）以及这两者的混合装置（TCR+TSC）。
4、静止无功发生器（SVG）
是一种电力电子装置，其最基本的电路是三相桥式电压型或电流型变流电路。SVG 和SVC 不同，SVC 需要大容量的电抗器、电容器等储能元件，而SVG 在其直流侧只需要较小容量的电容器维持其电压即可。通过不同的控制，SVG 即可以发出无功功率呈电容性，也可吸收无功功率呈电感性。采用PWM 控制，即可使其输入电流接近正弦波。由于SVG 的控制方法和控制系统要比SVC 复杂，并且SVG 要使用数量较多的较大容量全控型器件，其价格要比普通晶闸管高得多，一般使用较少。
5、有源电力滤波器
随着三相电路瞬时无功功率理论的提出，出现了一种用于动态抑制谐波、补偿无功的有源电力滤波器（APF）。APF 可在消去谐波的同时补偿无功，实现实时无功补偿。其优点是对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率，同时进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应，可连续调节且响应迅速，无功补偿时不需储能元件，即使补偿对象电流过大也不会发生过载，并能正常发挥补偿作用，不会发生谐振问题，能跟踪电网频率的变化，既可对一个谐波和无功源进行单独补偿，也可对多个谐波和无功源进行集中补偿。但该设备仍存在实现复杂、成本较高、单台补偿容量低、不易消除高次谐波、仍需LC 滤波器的辅助等问题。
三、动态无功补偿原理
动态可调无功补偿, 是利用检测装置随时测定系统中的无功负荷和功率因数, 采用电力电子器件无功补偿控制器, 对并联电容器组等设备进行动态投切控制, 根据需要控制投切的电容数量, 实现变电所电压、无功的综合自动调整。
1、并联电容无功补偿
当系统负荷较重时, 负载一般都是感性, 无功补偿一般都是补偿电容器。如图1 所示,采用补偿电容提高功率因数后, 电压损失vU减小, 改善了电压质量。可见, 当有功功率和无功功率通过线路电阻时, 会造成有功功率损耗。当系统有功功率P 一定时, 输送的无功功率越大, 总的功率损耗就越大。负载较重而不进行无功补偿时, 流过线路的无功电流造成很大的有功损耗。使用并联电容器进行无功补偿后, 尽量地减小了线路无功传输, 从而减少了线损。
综上所述, 使用并联电容对线路进行容性无功补偿, 可以提高线路电压、降低残损、提高设备供电能力和设备利用率。
2、并联电抗无功补偿
随着电网容量增大, 电缆使用较多, 电缆的充电功率增大。当系统负荷较轻时, 这些容性无功功率得不到平衡, 与上面分析的感性负载一样, 导致线路电压升高、系统损耗增加。因此, 必须提供感性无功补偿, 即使用并联电抗器代替并联电容器, 以降低线路电压, 减小系统损耗, 提高系统电能质量。
四、动态无功补偿装置介绍
1、使用范围
动态无功补偿装置适用于铁路牵引变电所27. 5kV 和10kV 侧( 或电力系统35kV 侧和10kV 侧) 感性、容性无功补偿和电压调整。装置实时跟踪负荷无功变化, 依据负荷无功变化或冲击连续调节装置无功输出, 改善负荷功率因数, 限制无功, 减少无功流动损耗, 提高系统输电能力。实时跟踪系统三相电压、电流变化、无功功率等变化, 综合调节无功输出, 抑制三相电压闪变、电压升高或跌落, 将三相电压水平动态地控制在电能质量要求范围之内。
2、功能特点
同时实现对两台主变或者两段母线的无功补偿。自动识别变电所运行方式( 分列、并联、独立) 。磁阀式并联电抗, 提供连续感性无功补偿, 保证电网低负荷时功率因数的合格。多组电容选择提供容性无功补偿, 满足负荷高峰时无功补偿。采用二次电技术, 可抵御电磁干扰, 一、二次系统采用光电隔离, 可彻底消除干扰。使用专用的基于数字信号的处理芯片进行数据采集, 速度快、精度高, 保证无功测量计算的准确性和可靠性。
3、动态无功补偿装置结构
动态无功补偿装置的结构以DWKN- I 型变电站电压无功综合调节装置为例, 组成原理如图3所示, 装置主要包括电容器组、磁阀式可调电抗、大功率晶闸管及其触发控制、无功补偿控制器等部分。
图3 可调无功补偿装置原理图
结论
随着国家对铁路建设的投资, 电气化铁道的里程高速增加, 未来几年对可调动态无功补偿装置的需求时将会很大, 市场前景非常好。同时该技术也可用于煤矿等其它无功负荷较高的用户, 可取得明显的节能及提高电网电压质量的效果, 具有良好的经济、技术和社会效益。
【參考文献】
[1] 焦剑扬，刘明光. 牵引变电所无功补偿方法综述[J]. 电气开关，2006，第6期，1-4页.
[2] 刘锼，郭知彼. 牵引变电所静止无功补偿方案综述[J]. 机车电传动，2005，第10期，12-14页.
【关键词】铁路 牵引变电所 无功补偿
中图分类号：F53文献标识码： A
前言
电气化铁路多采用固定补偿方式, 但在无功“返送正计”计量方式下, 牵引变电所功率因数较低, 采用固定并联电容补偿装置往往达不到设计要求, 宜设动态无功补偿装置。铁路电气化专家的经验共识是: 对运量较大、负荷相对均衡的复线铁路, 原则采用静态电容补偿; 对运量小的单线电气化铁路, 可采用动态电容补偿, 应按详细的技术经济比较结果确定。
一、无功功率补偿的意义
无功功率是用来说明电源向电感负载所提供的磁场能量规模的物理量。它是具有电感的设备正常工作所必不可少的条件。但电源提供的无功功率过大也有不利的一面。在电气化牵引供电系统，过大的无功功率和偏低的功率因数，主要造成三个方面的负面影响：其一是降低了供变电设备的有效利用率。其二是加大了电能损失部分的比重。其三是额外地增大了用户电压损失。所以，无功功率补偿可以提高供变电设备的输送能力，减少电能损失，改善机车的用电质量。
二、无功补偿现状
无功补偿的主要作用，包括提高负载和系统的功率因数，减少设备容量和功率损耗，提高供电质量，平衡三相负载的有功和无功功率等。常用的无功补偿设备有同步调相机、并联电容器、并联电抗器和静止补偿设备等。
1、同步调相机
实际上是一台空载运行的同步电动机，它不仅能补偿固定的无功功率，对变化的无功功率也能进行动态补偿，适合于大型变电所对无功功率进行集中补偿，缺点是价格高，运行维护复杂，有功功率消耗大。
2、并联电容器
实际中大多数负载是感性负载，采用电容器进行并联作为无功补偿装置是非常重要的。大容量并联电容装置一般还分为数组，各设开关，分级调节输出的无功功率。在常用的无功功率补偿设备中，并联电容器的费用最低，有功功率消耗最小，维护最简便。它可以分散安装在用户处或靠近负荷中心的地点，实现无功功率的就地补偿，还可根据需要分散撤迁到其他地点。由于上述优点，并联电容器得到了广泛的应用。其主要缺点是电压调节效应差，电容的投切是有级的，难免出现过或欠补偿，不能动态跟踪系统所需无功功率的变化。同时一般需要串联电抗器，用于限制投切时的涌流，抑制高次谐波的影响。由于系统中有谐波，有可能发生并联谐振，使谐波放大，造成电容器烧毁。
3、静止补偿器（SVC）
由可控电抗器和电容器组成，其能实时地对电网所需要无功实施调节，使电网运行在较高的功率因数水平上，具有调节速度快、运行维护简单、功率损耗小等优点。静止补偿器不但能在稳态运行时，调节无功功率，保证系统电压的稳定；而且对冲击负荷也有较强的适应性，能满足动态无功功率补偿的要求。由于使用晶闸管的静止补偿器具有优良的性能，它已占据了静止无功补偿装置的主导地位，包括晶闸管控制电抗器（TCR）和晶闸管投切电容器（TSC）以及这两者的混合装置（TCR+TSC）。
4、静止无功发生器（SVG）
是一种电力电子装置，其最基本的电路是三相桥式电压型或电流型变流电路。SVG 和SVC 不同，SVC 需要大容量的电抗器、电容器等储能元件，而SVG 在其直流侧只需要较小容量的电容器维持其电压即可。通过不同的控制，SVG 即可以发出无功功率呈电容性，也可吸收无功功率呈电感性。采用PWM 控制，即可使其输入电流接近正弦波。由于SVG 的控制方法和控制系统要比SVC 复杂，并且SVG 要使用数量较多的较大容量全控型器件，其价格要比普通晶闸管高得多，一般使用较少。
5、有源电力滤波器
随着三相电路瞬时无功功率理论的提出，出现了一种用于动态抑制谐波、补偿无功的有源电力滤波器（APF）。APF 可在消去谐波的同时补偿无功，实现实时无功补偿。其优点是对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率，同时进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应，可连续调节且响应迅速，无功补偿时不需储能元件，即使补偿对象电流过大也不会发生过载，并能正常发挥补偿作用，不会发生谐振问题，能跟踪电网频率的变化，既可对一个谐波和无功源进行单独补偿，也可对多个谐波和无功源进行集中补偿。但该设备仍存在实现复杂、成本较高、单台补偿容量低、不易消除高次谐波、仍需LC 滤波器的辅助等问题。
三、动态无功补偿原理
动态可调无功补偿, 是利用检测装置随时测定系统中的无功负荷和功率因数, 采用电力电子器件无功补偿控制器, 对并联电容器组等设备进行动态投切控制, 根据需要控制投切的电容数量, 实现变电所电压、无功的综合自动调整。
1、并联电容无功补偿
当系统负荷较重时, 负载一般都是感性, 无功补偿一般都是补偿电容器。如图1 所示,采用补偿电容提高功率因数后, 电压损失vU减小, 改善了电压质量。可见, 当有功功率和无功功率通过线路电阻时, 会造成有功功率损耗。当系统有功功率P 一定时, 输送的无功功率越大, 总的功率损耗就越大。负载较重而不进行无功补偿时, 流过线路的无功电流造成很大的有功损耗。使用并联电容器进行无功补偿后, 尽量地减小了线路无功传输, 从而减少了线损。
综上所述, 使用并联电容对线路进行容性无功补偿, 可以提高线路电压、降低残损、提高设备供电能力和设备利用率。
2、并联电抗无功补偿
随着电网容量增大, 电缆使用较多, 电缆的充电功率增大。当系统负荷较轻时, 这些容性无功功率得不到平衡, 与上面分析的感性负载一样, 导致线路电压升高、系统损耗增加。因此, 必须提供感性无功补偿, 即使用并联电抗器代替并联电容器, 以降低线路电压, 减小系统损耗, 提高系统电能质量。
四、动态无功补偿装置介绍
1、使用范围
动态无功补偿装置适用于铁路牵引变电所27. 5kV 和10kV 侧( 或电力系统35kV 侧和10kV 侧) 感性、容性无功补偿和电压调整。装置实时跟踪负荷无功变化, 依据负荷无功变化或冲击连续调节装置无功输出, 改善负荷功率因数, 限制无功, 减少无功流动损耗, 提高系统输电能力。实时跟踪系统三相电压、电流变化、无功功率等变化, 综合调节无功输出, 抑制三相电压闪变、电压升高或跌落, 将三相电压水平动态地控制在电能质量要求范围之内。
2、功能特点
同时实现对两台主变或者两段母线的无功补偿。自动识别变电所运行方式( 分列、并联、独立) 。磁阀式并联电抗, 提供连续感性无功补偿, 保证电网低负荷时功率因数的合格。多组电容选择提供容性无功补偿, 满足负荷高峰时无功补偿。采用二次电技术, 可抵御电磁干扰, 一、二次系统采用光电隔离, 可彻底消除干扰。使用专用的基于数字信号的处理芯片进行数据采集, 速度快、精度高, 保证无功测量计算的准确性和可靠性。
3、动态无功补偿装置结构
动态无功补偿装置的结构以DWKN- I 型变电站电压无功综合调节装置为例, 组成原理如图3所示, 装置主要包括电容器组、磁阀式可调电抗、大功率晶闸管及其触发控制、无功补偿控制器等部分。
图3 可调无功补偿装置原理图
结论
随着国家对铁路建设的投资, 电气化铁道的里程高速增加, 未来几年对可调动态无功补偿装置的需求时将会很大, 市场前景非常好。同时该技术也可用于煤矿等其它无功负荷较高的用户, 可取得明显的节能及提高电网电压质量的效果, 具有良好的经济、技术和社会效益。
【參考文献】
[1] 焦剑扬，刘明光. 牵引变电所无功补偿方法综述[J]. 电气开关，2006，第6期，1-4页.
[2] 刘锼，郭知彼. 牵引变电所静止无功补偿方案综述[J]. 机车电传动，2005，第10期，12-14页.