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MSVC在电气化铁道应用

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电气化铁路自然功率因数低，现有的并联电容补偿方式难以使系统达到标准要求，影响了企业的经济效益.用磁控电抗器调节电气化铁路系统的无功功率，主要需要解决的内容有非线性电路的无功功率的测量和快速调节，保证功率因数保持在0．9以上.以利用直流电流控制铁芯的磁饱和度来达到平滑调节目的的磁控电抗器为补偿元件，晶闸管为执行元件，用80C196KC单片机进行控制，保证了补偿的快速性、准确性、合理性。实验和样机试运行均表明：该动态无功补偿系统能快速补偿系统无功，使功率因数保持在较高水平，很好地改善了供电质量,提高了供电系统的经济效益。
1、引言
随着电网规模的不断扩大，以及各种用电设备接入电网消耗大量的无功，无功不足和电压波动大的问题日益突出。这时仅靠调节发电机励磁电流的手段已经不能满足要求。从20世纪初开始，人们就对无功补偿技术进行了大量的研究，为改善负荷功率因素，逐步采用了同步调相机、并联电容器、并联电抗器、串联电容器、现代静止补偿器等无功补偿手段。控制方式也有集中控制、分散控制和关联控制等方式,控制策略更是从经典控制转入了智能控制。
　　电气化铁路是重要的电力用户,其无功问题也一直很严重。电气化铁路电力机车和牵引变电所无功补偿装置的技术状态，直接关系到运输生产的经济效益。提高电气化铁路功率因数有两种方法:一是提高负荷（电力机车）的功率因数，这可通过改造原有电力机车或研制高功率因数的电力机车来实现；二是实时监测、调节系统的无功功率，使功率因数始终保持较高值.前一种方式由于需要大量的资金，短时间内还不能实现。现在比较常用的无功补偿装置有两种：一是开关投切电容器组，但是当供电馈线没有电力机车通过时,并联的电容器组向系统倒送无功，而电力部门对无功补偿装置实行＂反转正计＂（即把用户反送电力系统的无功与取用的无功电量绝对值相累加)，使功率因数达不到0．9标准；开关投切电容器组还产生涌流和电磁暂态,造成过电压，实际运行曾出现过用开关投切电容器组而引发的系统过电压事故；二是使用晶闸管控制电抗器（TCR）,但价格贵，占地面积大，谐波含量大。
　　采用磁控电抗器配合并联电容器组（MCR型SVC）,能满足电力机车运行方式多变，负荷变化快的特点，并且该装置能平滑调节无功功率,造价低，可靠性高,产生谐波小，是电气化铁路系统动态无功补偿的较好选择。文档为个人收集整理,来源于网络个人收集整理，勿做商业用途
2、电气化铁路工况分析
电气铁道电力机车牵引负荷为波动性很大的大功率单相整流负荷,对于电力系统的供电具有以下特点：
（1)不对称性.在供电系统中产生负序分量。
（2)非线性.在供电系统中产生高次谐波.
（3）波动性。使供电系统电压波动.
（4）功率大，分布广。对供电系统影响严重。
2．1电气铁道牵引供电系统
电气铁道的供电是在铁道沿线相隔一定距离建立若干个牵引变电站，由电力系统110KV( 三相双电源供电，经牵引变压器降压为27。KV) 或55KV后后,向牵引网及电力机车单相供电。电力机车采用25KV 单相工频交流电压,在架空接触导线和钢轨之间行驶。
图1-1 为电气铁道牵引供电系统简化图
电力机车牵引负荷对于电网来说为三相不对称负荷,为了减小其产生的负序（基波）电流对供电系统的影响,各牵引站高压侧接人系统时要进行换相，使机车负荷较均匀地分配在系统各相E，Y,d11和V，v接线的牵引变压器接入系统时的换相连接如图1—2所示。对于供电系统来说，只要经过三个牵引站的换相，即完成了轮换一周的循环。对于牵引网来说，为了机车运行上的方便，换相过程中应使相邻供电臂的电压相位相同，因此需要经过六个牵引站的换相，才能完成一个循环。

牵引变压器的换相,使机车负荷接到系统不同的相上，对系统总体来说，达到三相比较平衡的状态。但因各牵引站在不同的地点接入系统，以及各供电臂的机车负荷在不断变化,因此对于供电系统的局部地区来说，电气铁道不平衡负荷产生的负序（基波）分量仍有较大的影响。
2．2电气铁道牵引负荷
当前我国电气铁道上使用的电力机车有国产韶山—1（SS-1）、韶山-3（SS-3）、韶山一4（SS-4）型以及进口8G，8K型等。下面主要介绍国产电力机车,并以韶山一1型为例进行分析.
一、韶山—1型电力机车整流回路波形分析
韶山-1 型电力机车整流回路的原理接线如图1-3所示。当略去整流变压器的漏
抗时，整流器V1、V2 在换流过程中的重叠角为零，两者互不相关,轮换导通。
图1-3 韶山—1 型电力机车原理图

2.3、电力机车的谐波特征
电力机车产生的谐波具有以下特征：
（1）当机车在牵引工作状态、整流回路投入工作时,便产生谐波。而在制动状态或靠惯性前进的隋行状态时，整流回路切除，不产生谐波。
（2）电力机车的牵引力正比于取自系统、经整流后的直流电流，该电流不因系统外界条件和运行方式而改变，而由机车的非线性特性产生的谐波电流成分与基波电流具有一定的比例关系。因此，电力机车为谐波电流源。
（3）电力机车采用单相全波不控或半控整流，交流侧的电流波形与横轴成镜对称.整流电路在整流过程中交流电压每一周期内直流侧整流电压的脉动数、即整流设备的脉冲数户P=2，故其产生的特征谐波次数为h=2k±1，k=1,2，3,4 。除h=1 的基波外,特征谐波为全部奇次谐波.
（4）比较各型电力机车的整流、调压方式和整流电压波形，在相同的条件下,韶山—1型的机车电流较接近于正弦波，产生的谐波相对较小，韶山-3型产生的谐波与韶山-4型相近而稍大，韶山-4 型产生的谐波较前两型为大，在控制过程中各次谐波电流含有率的变化也较大。
3、电气化铁道动态无功补偿装置原理
　　图2为电气化铁道供电系统和动态无功补偿器接线方式。动态无功补偿系统由单相磁控电抗器和固定电容器组成.当电力机车进入牵引变电所所辖范围时,固定电容器组充分补偿机车感性无功，磁控电抗器的容量调到最小（空载）；当电力机车驶出所辖电网以外后，电容器向系统倒送无功，此时,迅速调节磁控电抗器的容量到最大值，以吸收容性无功;在电力机车负荷变化的过程中，磁控电抗器快速跟踪补偿剩余容性无功,从而保证了高功率因数。与此同时，电容器组同时还起着3次，5次以及高次谐波滤波器的作用。
4、MSVC在电气化典型应用
4．1 意义
我国电气化铁路牵引变电所一般采用固定无功补偿装置,由于电力部门在一些地区对牵引变电所功率因数考核，采用无功反转正计的计费办法。在这样的记费办法条件下，当牵引负荷大时,无功欠补；而当无牵引负荷或轻负荷时，无功补偿装置产生的无功向电网反送无功，而此时无功表仍按消耗的无功进行累加。这样，牵引变电所高压侧功率因数达不到0.9的要求。
在一些单线区域或车流密度不大、机车有再生制动的牵引变电所,仅装设固定电容补偿装置，造成功率因数偏低而被罚款。
1998年，北京局支付功率因数罚款高达2400万元，北京局丰沙大线牵引变电所,采用固补装置，功率因数平均在0.65～0.75左右，罚款严重。以官厅西牵引变电所为例，改造前7月的功率因数及罚款情况如下，从表中可以看出,每月功率因素罚款为8～15万元。
改造前7个月的功率因素及罚款情况:
时间
功率因数
用电量（度）
罚款（元）
2001/1
0．78
2993700
80243
2001/2
0．76
3858300
110553
2001/3
0．78
2944200
79639
2001/4
0．8
3567900
75112
2001/5
0．77
3650400
99910
2001/6
0．76
3756000
109366
2001/7
0．7
3060090
153351

为此，通过技术改造，将固补改为可调无功补偿方式，根据实际负荷情况进行自动调节,彻底解决了电铁功率因数罚款的难题，对提高用电质量，减少电能损耗具有重要意义.
目前我国电气化铁路单线占全部电气化铁路的一半以上，单线的货运能力在1500万吨/年,但也有些区段才几百吨。单线区段实际最大通过能力每天只有30～35对车，单线电气化区段的带电时间远比双线小，一般无负荷时间占全天的50％左右,这样固定补偿时功率因素难于达到0.9的标准.
目前电业部门对工业、交通等部门用电的价格，根据其功率因数的高低，进行奖励与处罚。一般用户的功率为0.9时，不奖不惩按正常电价收费;功率因数低于0.9时，减收电费。其增收与减收电费的百分比见下表：
电费增减表(％）
序号
功率因素
电费增减收
1
0．95
-2。5
2
0．92
—0.20
3
0．90
0
4
0．85
+2。5
5
0．83
+3.5
6
0．80
+5。0
7
0．76
+7.0
8
0．74
+8。0
9
0．70
+10
10
0．65
+20
11
0．60
+30
12
0．55
+40
13
0．50
+50
14
0．45
+60
15
0．40
+70
16
0．35
+80
从表中可见,当COSФ=0.6时，需多支出电费30%，而补偿到0.9时,可以达到少支出30％电费的经济效果。
综上所述,可调无功补偿装置在单线电气化区段，具有较广泛的市场前景，此外，在机车有再生制动的牵引区段，可调无功补偿装置对于提高高压侧的功率因素同样具有广阔的市场前景.
4。2 官厅西牵引变电所改造情况
官厅西牵引变电所设两台 Y/∆接线牵引变压器，容量为15000KVA，牵引变压器变比为110/27.5KV,移动备用方式。变电所二次侧为双母线分段，A，B相各设并联电容补偿装置，A相补偿电容器为4串7并,电容单元单台容量80KVAR,总容量为2240KVAR，单台额定电压为10.5KV；B相补偿电容器为4串5并，电容单元单台容量100KVAR，总容量2000KVAR,单台额定电压8。4KV。
电费计量办法:电力部门采用“有功反送不计,无功反送正计”方式
8K机车牵引功率: 6400KW
机车电容补偿容量:1800KVAR(半功率时),3600KVAR（全功率时)
8K机车采用可控硅全控整流桥和半控整流桥相结合的二段桥可控整流调压方式。牵引工况时,两级桥串联，向两台牵引电动机供电；再生制动时,全控桥作为再生逆变桥,半控桥为励磁控制桥。1998~2000年功率因数统计：

1998年功率因数统计
月份
功率因数
有功(度）
无功(度)
1
0。67
4187300
4682041
2
0.66
3590400
4042830
3
0.71
2913900
3010260
4
0。72
3200340
3067680
5
0.71
3260070
3252150
6
0.71
3259080
3256110
7
0。73
2581260
2413950
8
0。7
3144240
3243240
9
0。74
2864070
2573340
10
0.75
2910600
2577350
11
0。72
3201000
3135000
12
0.7
3250500
3316500

1999年功率因数统计

月份
功率因数
有功（度)
无功(度）
1
0.68
3402300
3569700
2
0.66
3649800
4131600
3
0.67
3154800
3494700
4
0。68
3587100
3867600
5
0。7
3296700
3408900
6
0.73
3194400
3036000
7
0.71
3016200
3012900
8
0。68
3088800
3342900
9
0.7
3191100
3309900
10
0.68
3448500
3692700
11
0.7
3478200
3778500
12
0.69
3238300
3214200

2000年功率因数统计（1—6月份）
月份
功率因数
有功（度）
无功(度)
1
0.67
3392400
3626700
2
0.65
3481500
4121700
3
0.67
3177900
3649800
4
0。68
3534300
3844500
5
0.7
3415500
3524400
6
0。83
3389100
2819900
通过现场测试,掌握官司厅西变电所负荷的现状，测试有功，无功，功率因数变化规律，并分析谐波分量及补偿效果,为改善无功补偿方案以及提高功率因数的研究,提供基础依据。
测试结果曲线(见附件）
以测试的全日负荷曲线为基础,当采用不同容量的固定无功电容补偿,计算得110KV侧的功率因数,如下面图表所示：
从表中可以得出结论:采用固定无功电容补偿方案是不可行的.为了将功率因数提高到0。9以上,应该采用可调无功补偿方案。
4.3 可调无功补偿方案选择
我国采用可调无功补偿一般采用以下几个方案：第一种是通过降压变压器将27。5KV电压降至6～10KV后，采用接触器投切电容器组.第二种是通过自耦变压器自动调压开关改变电容器组的端电压,以调节电容器组的无功输出容量.第三种是采用固定电容补偿加磁控电抗器方案，磁控电抗器产生的感性无功与过补容性无功抵销,实现并联电容投切的软开断，从而使110KV功率因数达到0。9以上。

官厅西牵引变电所采用固定无功补偿装置功率因数达不到0。9，必须采用可调无功补偿装置。官厅西可调无功补偿装置是由固定电容补偿装置和磁阀式可调电抗器组成。该装置技术特点如下：
a。 主接线简单,占地面积小,运行可靠性高,能够将功率因数补偿到0.9以上。
b。 全自动跟踪系统的无功进行补偿，响应速度快；
c。投切无过渡过程,设备简单,可靠，计算机控制系统结构先进，自动化程度高。
27.5KV侧母线电压稳定,经测试基本稳定在28.9KV（未投入此套装置前母线电压在25—31。5KV波动)，为机车提供了稳定可靠的电源，有利于运行机车正常发挥功率.
磁控电抗器所产生的谐波电流不大于5％（实测值3。57%)，并联电容器滤掉了约70%左右的谐波。当机车通过时,电抗器不投入，机车经过后，电抗器投入,这样电抗器与机车产生的谐波不同时出现。因此,电抗器产生谐波对系统的影响符合国标的规定。
4。4 固定电容补偿加磁控电抗器方案
以测试的全日负荷曲线为基础，并分析了1998~2000年负荷及功率因数实际情况，再综合考虑牵引负荷可能产生的变化以及机车功率因数的变化,确定补偿方案，使本装置具有较宽的调节范围，从而使110KV侧的功率因数均能达到0.9以上。
根据计算机的模拟计算结果提出补偿方案：在A,B相上设无功电容补偿,同时在B相设磁调电抗器(如下图所示）.

并联无功补偿装置的参数参见下表：
无功并联补偿装置电容器，串联电抗器主要参数

A相
B相
无功补偿装置额定电压Un（kv）
29
无功补偿装置容量Qn（kvar）
2708。84
4740.48
无功补偿装置补偿度 a
0。12
电容器采用类型
电铁专用电容器，额定电压8。4KV，单台容量100KVA（全膜介质)
电容器容量 串*并*单（kvar）
4*8*100
4*14＊100
串联电抗器额定容Qln（kvar)
369.38
646。42
串联电抗器额定端Qln(kvar）
3.95
串联电抗器额定电流
93。4
163。46
串联电抗器额定电流Iln (A）
42。33
24。19
电抗器额定电感LN （mh）
134。82
77.04

4.5无功补偿装置经济性分析
官厅西牵引变电所2001年9月无功补偿改造工程竣工并正式并网运行。到目前为止,设备安全稳定运行5年，这期间的功率因数情况列表如下：
时间
功率因数
奖励（无)
2001/9
0．92
4672
2001/10
0．94
9080
2001/11
0．94
9500
2001/12
0．95
11966
2002/1
0．97
12464
2002/2
0．91
2586
2002/3
0．91
2256
2002/4
0．9
0
2002/5
0．9
0
2002/6
0．9
0
2002/7
0．91
2457
2002/8
0．9
0
2002/9
0．9
0
2002/10
0．91
2434
2002/11
0．94
9650
注:2001年8月可调无功补偿装置投入运行,2002年2月至4月,官厅西牵引变电所更换主变压器，将原来的移动备用改为固定备用，原主变为Y/∆—11变压器,更换为平衡变压器。由于主变更换时110KV侧功率变送器单元工作异常，造成功率因数偏低（2月至10月间功率因数为0.9—0。91）。经现场测试后，于2002年10月16日更换功率变送器,功率因数提高至原设计水平.
其经济效果为:改造前月均罚款10。1万元；改造运行后1年内不但没有罚款，还得到电力部门奖励总计：5.5万元。1年的直接经济效益为126. 7万元。计算资金回收期时，运行损耗费用一项，可忽略串联电抗器和并联电容器的损耗，因为改造前也有串联电抗器和并联电容器。这样扣除运行损耗费用后，设备运行20个月即可收回投资.
5。总结
可调无功补偿方案，技术可靠,经济合理，有效的将牵引变电所高压侧的功率因数提高至0。9以上，不仅提高了牵引变压器等供电设备能力的利用率,而且大大减轻了对电力系统的发电机出力、供电网络电能损失、输变电设备供电能力等方面的影响，对国民经济的发展具有重要意义。