SVG 装置在神朔铁路万吨列车扩能 改造工程中的应用

周少飞

（神华神朔铁路分公司，陕西 榆林 719300）

0 引言

神朔铁路主要采用“韶山”系列直流电力机车作为主流牵引机车，该系列机车通常采用多段式半控桥整流，通过调节晶闸管导通角来实现机车牵引力、制动力的调节。直流机车会导致3、5、7 等低次谐波含量大、功率因数低、无功冲击大、三相不平衡等电能质量问题。现阶段，神朔主要通过在牵引变电所安装无功补偿装置来改善此类电能质量问题。

近年来随着国家经济建设的快速发展，对铁路运输提出高速、重载的实际需求，以交流传动为核心技术的电力机车和动车组已获得广泛的应用，神朔公司也于2012 年逐步采用了八轴、十二轴的“神华号”交流机车来作为提升运能的重要举措，并取得了不错的成效。由于交流机车采用了PWM 变流技术，机车电流均为正弦波，网侧的功率因数一般大于0.96。然而，交流机车带来新的电能质量问题，主要体现在：

1）谐波总含量小，但是谐波的频谱分布非常宽，带来许多不利影响。这带来许多不利影响，谐波频谱宽容易使系统参数满足一定条件下发生并联谐振，将相应次数的谐波电流成倍放大，导致避雷器爆炸、绝缘子击穿、变电站交直屏烧损等。其中发生概率较高的典型危害事件是：在交流车和直流车混跑的线路上，高次谐波使直流机车RC 回路的电阻经常烧损。神朔公司近年来在朱盖塔、神木北等区段出现此类故障的次数较多，已影响到整车运输组织。

2）导致牵引网电压低频振荡。当多台交流机车同时运行时，将出现机车与牵引网产生电压低频振荡，使机车保护跳闸。严重影响铁路的正常运输，给铁路带来巨大的经济损失。

3）加剧三相不平衡。交流机车相比于直流机车的单机功率更大，因此产生大量的负序电流，加剧了电网的三相不平衡。

现有的改善措施有改善牵引负荷（包括电力机车、牵引变压器和牵引变电站），装设补偿装置（包括静态无功补偿、可调无功补偿、有源滤波和静止无功补偿）[1]。从实际工程应用上来看，采用静止无功补偿装置（SVG）比较容易实现。

1 SVG 装置介绍

1.1 拓扑结构

在神朔铁路万吨列车扩能改造工程中共需要两套27.5 kV 的SVG 装置，采用背靠背的方式连接。每套SVG 额定输出容量为±2.5 MVA。

在补偿系统中分为主站（左侧SVG）与从站（右侧SVG），分别通过2 个降压变压器连接于两供电臂，再通过1 个共用的直流电容连接在一起，直流电容给两套SVG 提供直流电压。通过合适的控制方法，联合两套SVG 实现有功功率从一供电臂转移至另一供电臂，同时能各自进行无功与谐波补偿，实现负序和谐波补偿功能[2-3]。

SVG 装置采用两电平功率单元并联多重化的方式实现大容量和低开关纹波，系统的主站和从站采用直流母线互联的形式构成整体结构。系统组成见图1。

图1 补偿系统组成图 Fig. 1 Composition diagram of compensation system

1.2 工作原理

SVG 装置工作原理如图2 所示，iα、iβ为V/V 牵引变压器副边电流，iLα、iLβ分别为α 相与β 相供电臂有机车负载电流，icα、icβ分别为α 相与β 相的SVG 补偿电流。

图2 工作原理图 Fig. 2 Working principle diagram

UA、UB、UC为牵引变压器原边电压，Uα、Uβ为牵引变压器副边电压，其相角相差π/3。电压矢量关系如下图3 所示。

以α 相为例，iα、icα 与iLα 这三种电流关系如下：

iLα=iα+icα

图3 电压矢量关系图 Fig. 3 Voltage vector diagram

电气化铁路牵引负荷一般为交直交电力机车，采取四象限脉宽调制(pulse width modulation， PWM)脉冲整流控制方式，功率因数接近1。负载电流iLα 可以分解为有功电流idα、无功电流iqα 与谐波电流ihα 等电流分量，如下式所示：

iLα=idα+iqα+ihα

而此时α、β 两相中需要转移的电流计算公式如下：

iL=|iLα-iLβ|/2

当电流从重载侧转移到轻载侧后，此时两桥臂电流的幅值分别为Iα'和Iβ'，其幅值相等，相角相差π/3，电流不平衡度为50%。再通过在α 桥臂补偿一定的容性无功电流iqα，使α 相电流相位超前该相桥臂电压相位π/6，而在β 桥臂补偿一定的感性无功电流iqβ，使电流相位滞后该桥臂电压相位π/6，如图4 所示[4]。

图4 补偿原理图 Fig. 4 Compensation principle diagram

这样补偿之后得到的两桥臂电流iα、iβ 分别与原边A、B 两相电流重合，此时两相相角相差2π/ 3。补偿后的原边三相电流完全对称，负序电流为0，并且可推知原边三相功率因数都为1，此时就到达了综合补偿的目的[4]。

从以上结论可以看出，只要能实时地检测出负载电流中各电流分量，通过SVG 设备输出相应的补偿电流，就可以实现无功、负序以及谐波电流补偿。

下面以α 相为例，对各种工况下的电流补偿原理进行具体分析。

当icα=iqα 时，SVG 实现无功补偿功能，此时电网电流：

iα=idα+ihα

当icα=ihα 时，SVG 实现谐波补偿功能，此时电网电流：

iα=idα+iqα

而补偿负序电流时，UPQC 的主站和从站通过互联的直流母线构成一个有机整体，通过公共直流母线实现两供电桥臂的有功功率融通，实现两供电桥臂电流基本平衡，从而完成负序电流补偿功能。

最后以一种极端工况举例说明。当α 相供电臂有列车通过，而β 相供电臂无列车，在无SVG 设备补偿时理论上可以认为：

iLβ=iβ=0

但是

iLα≠0

此时两相电流差距很大，两个供电臂的电流严重不平衡，110kV 侧电网电流就会出现三相不对称，系统中又因为含有较大负序电流，会造成电网电压不平衡，严重影响到电网的电能质量[5]。如果增加SVG 补偿设备，则通过控制可以实现：

icα=12iLα=-icβ=iβ

那么

iα=iβ=12iLα

可见在使用SVG 设备补偿后，在这种极端情况下，也可以实现使110kV 电网侧的三相电流达到平衡。

1.3 控制策略

SVG 装置的控制框架如图5 所示，其中，负载电流iL又可分解为有功电流id、无功电流iq以及谐波电流ih等电流分量。

由于系统为单相，将系统负载电流分别移相120°和240°构造出三相负载电流，如图6 所示。

应用三相系统瞬时功率理论对负载电流的有功、无功和谐波分量分别进行检测；根据检测的负载电流的有功、无功和谐波分量及系统的补偿要求生成系统电流控制的参考信号[6]。

在无功和谐波电流补偿方面，系统的主站和从站分别检测各自的电网电压、电网电流，通过控制器计算得出补偿点的无功电流和谐波电流分量，再 通过控制系统控制使补偿系统输出相应的补偿电流，从而实现无功和谐波电流补偿。

图6 虚拟三相电流构造方法 Fig. 6 Virtual three-phase current construction method

在负序电流补偿方面，系统的主站和从站分别检测各自的电网电压、电网电流和对方的电网电压、电网电流，控制系统通过计算和控制使补偿设备通过公共直流母线在主站和从站之间实现有功功率转移，实现负序电流补偿[7-8]。

2 补偿效果分析

下面根据神朔铁路现场的工况对SVG 投运前后的电流进行分析对比，验证SVG 装置的补偿效果。

2.1 无功与负序电流治理

在第一种工况下，负载中只存在无功与负序电流，α 相供电臂与β 相供电臂的电流有效值分别为2291A、1145A。变压器二次侧电流波形如下图7所示。

此时，网侧（变压器一次侧）电流波形如下图8 所示，A、B、C 三相电流有效值分别为573A、286A、757A。

图7 补偿前变压器二次侧电流波形 Fig. 7 Transformer current waveform on secondary side before compensation

图8 补偿前网侧电流波形 Fig. 8 Current waveform on network side before compensation

可以看到，在SVG 装置没投入运行前，变压器一次侧与二次侧都存在不平衡电流。

当SVG 装置投入运行后，这种情况会得到有效改善，此时变压器二次侧电流波形如下图9 所示，α 相与β 相的电流有效值都为198A。

补偿后的网侧（变压器一次侧）电流波形如下图10 所示，A、B、C 三相电流有效值都为496A。

α 相与β 相的两套SVG 装置的输出波形如下图11 所示， 电流有效值都为114A。

图9 补偿后变压器二次侧电流波形 Fig. 9 Transformer current waveform on secondary side after compensation

图10 补偿后网侧电流波形 Fig. 10 Current waveform on network side after compensation

图11 SVG 输出电流波形 Fig. 11 SVG output current waveform

从实验结果来看，SVG 装置可以有效补偿符合中的无功与不平衡电流。

2.2 谐波电流治理

在第二种工况下，负载中除了无功与负序电流，α 相还存在7 次谐波电流,谐波有效值为353A，波形如下图12、13 所示。

图12 补偿前变压器二次侧电流波形 Fig. 12 Transformer current waveform on secondary side before compensation

图13 补偿前变压器二次侧电流FFT 变换 Fig. 13 Transformer current FFT transformation on secondary side before compensation

此时网侧（变压器一次侧）电流波形如下图14、 15 所示，A、C 两相电流含有7 次谐波，谐波有效值为88A。

图14 补偿前网侧电流波形 Fig. 14 Current waveform on network side before compensation

图15 补偿前网侧电流FFT 变换 Fig. 15 Current FFT transformation on network side before compensation

可以看到，在SVG 装置没投入运行前，变压器一次侧与二次侧都存在不平衡与谐波电流。

在SVG 装置投入运行后，再来观察变压器二次侧电流波形如下图16、17 所示，α 相电流基本上没有谐波分量，FFT 运算后分析，补偿后的变压器二次侧电流中7 次谐波分量有效值从336A 变成17A。

图16 补偿后变压器二次侧电流波形 Fig. 16 Transformer current waveform on secondary side after compensation

图17 补偿后变压器二次侧电流FFT 变换 Fig. 17 Transformer current FFT transformation on secondary side after compensation

补偿后的网侧（变压器一次侧）电流波形如下图18 19 所示，A、B、C 三相电流达到平衡，并且没有谐波分量。

图18 补偿后网侧电流波形 Fig. 18 Current waveform on network side after compensation

图19 补偿后网侧电流波形FFT 变换 Fig. 19 FFT transform of current waveform on network side after compensation

α 相与β 相的两套SVG 装置的输出波形如下图20、21 所示，电流有效值都为114A。

图20 SVG 输出电流波形 Fig. 20 SVG output current waveform

从实验数据分析可以看到，SVG 装置对负载中的谐波电流也有补偿效果，从而实现对铁路负荷的电能质量综合治理。

图21 SVG 输出电流波形FFT 变换 Fig. 21 FFT transform of SVG output current waveform

3 结论

电气化铁路是当前我国重点发展的交通方式，它已显示出无比的优越性。但是电气化铁路的牵引负荷会产生大量干扰，严重降低电网的电能质量。在神朔铁路万吨列车扩能改造工程中通过接入SVG 装置，对负载侧的无功、负序与谐波电流进行补偿后能够有效的解决这一问题。