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SVC在电铁谐波抑制中的研究四川大学电气信息学院，四川成都 (610065) 张晓东 杨洪耕阅读次数：931摘要：对静止无功补偿器SVC(FC+TCR)的性能进行了分析。讨论了其工作原理和性能表现。同时针对电铁谐波的严重危害性，论述了将其投入到电铁谐波治理所收到的良好效果。关键词：无源滤波;谐波抑制;无功动态补偿；SVC；单调谐滤波器；TCRAbstract:This paper presents the performance analysis of the SVC - Static Var Compensator(Filter+Thyristor Controlled Reactor).The paper discuses the principles of operation of the SVC for restraining current harmonics and improving power facter compensation and explains the good effects of launching the SVC into electrical railway.中图法分类号：TM761+1文献标识码：A文章编号：10036954(2004)02000104电气铁道电力机车为波动性很大的大功率单相整流负荷，对于三相对称的电力系统供电来说，电气铁道牵引负荷具有非线性、不对称和波动性的特点，产生三相不平衡的谐波电流和基波负序电流注入系统，将使电力系统的电压波动。因此，对电铁系统电能质量的治理主要有两方面内容：1) 谐波抑制。主要针对3、5、7次谐波。2) 动态无功补偿。减小电压波动。这里提出一种单调谐滤波器+TCR的SVC方式。无源滤波部分承担滤除谐波及固定电容补偿的作用，利用TCR动态调节SVC的无功输出，动态补偿电铁系统不断变动的无功需求。1工作原理1.1无功补偿及谐波抑制原理图1SVC补偿装置原理接线图SVC补偿装置安装与牵引变27.5 kV侧。基于电铁系统产生的谐波全为奇次谐波（2k+1,k=0.1,），尤其以3、5、7次谐波电流最为显著，故谐波治理重点放在对3、5、7次谐波的抑制上。滤波器为单调谐滤波器（Filter Capacitor），除在其谐振频率下有效滤除对应谐波，同时在基频下提供固定的容性无功。晶闸管控制电抗器（TCR-Thyristor Controlled Reactor）通过改变控制角（/2至）而改变导通时间，相当于调节电抗器电抗达到改变其感性无功输出的目的，与FC一起动态补偿机车负载需要的无功。如图1所示,TCR由电感L与两个反并联的晶闸管相串联组成。这两个晶闸管分别按照单相半波交流开关运行。改变控制角,电感中通过的电流iL便相应改变。图2表示该回路电压和电流的波形。每一电流波形对应一个特定的控制角。的计量以电压过零时为基准。当忽略回路电阻时,晶闸管在为90时获得完全导通。当在90180之间时为部分导通。导通角为。增大,则电流中基波分量减小,这相当于增大电抗器的感抗,减小基波无功功率。图2TCR的电流电压波形设,则TCR电流的瞬时值可用下式表示：i(t)可由傅立叶分解得出其基波幅值：设为TCR的等效导纳，其大小决定了TCR输出感性基波无功的大小，在控制算法中可作为控制电路输出的控制信号，即期望补偿器所具有的等效电纳。1.2TCR控制原理TCR的控制系统应能检测系统的有关变量,并根据检测量的大小以及给定(参考)输入量的大小,产生相应的晶闸管触发延迟角,以调节补偿器吸收的无功功率。因此,其控制一般应包括以下三部分电路: 1)检测电路：检测控制所需的系统变量和补偿器变量；2)控制电路：为获得所需的稳态和动态特性,对检测信号和给定(参考)输入量进行处理；3)触发电路：根据检测电路输出的控制信号,产生相应触发延迟角的晶闸管触发脉冲。检测电路取哪些量作为被测对象,以及采取什么样的控制策略和控制电路,取决于用户对补偿器功能的要求。但总体来讲,控制策略可以分为开环控制和闭环控制两大类。开环控制是通过检测负载无功功率和滤波器组总无功功率来控制TCR产生相应的感性无功功率，以达到功率因数校正或改善电压调整的目的。开环控制的优点是响应迅速,适用于负荷补偿的场合，尤其在减少电压闪烁方面有成功的应用;而闭环控制的优点是精确,对于输电补偿,特别是那些离负荷和电源都较远的输电线的中间点,则更适用于闭环控制。不论是开环控制,还是闭环控制，控制电路输出的控制信号一般是期望补偿器所具有的等效电纳,也就是补偿器等效电纳参考值Bref。当然,也有某些设计,其控制算法直接得到触发脉冲而未出现代表Bref的显式信号。2SVC参数设计2.1SVC最大补偿容量SVC参数的设计应根据SVC装设地点的具体情况而定。由于SVC在功能上要满足无功补偿和谐波抑制两种功能，故在设计SVC时首先要依靠原始参数分析SVC的功能着重点。本文提出两种设计思路以供参考。2.1.1SVC功能以无功补偿为主装设地点的无功补偿量较大且SVC功能以无功补偿为主。此种情况下应首先考虑SVC的最大无功补尝量。即按电铁负荷的最大有功需求以及补偿后对装设地点功率因数或在最大无功冲击时最大电压损耗的要求，先确定SVC的最大无功补偿量。由于SVC装设地点为牵引变27.5 kV供电臂侧，机车负荷外无其他负荷。TCR在全导通时应对应0无功负荷，全关断时对应最大无功负荷，故取TCR感性基波无功容量QTCR1和FC电容滤波器组的基波容性无功容量QFC1均为QSVC。但是QTCR参数的最终确定应以QFC1的最终确定参数为准，即：QTCR=QFC1FC的电容量分配按下式确定：QFC1h=QFC1Ih/Ih在此基础上再来分别设计TCR和FC的具体支路参数。2.1.2 装设地点的谐波电流较大此种情况下，由于通常在滤波器参数确定后，其基波总无功容量往往大于电铁系统实际最大无功需求，故可先直接设计滤波器，再以滤波器实际的基波总无功容量来确定TCR的基波无功容量。2.2滤波器参数设计即滤波器电容C、电感L、电阻Rfh的计算。C、L、Rfh的关系如下:2.3SVC的参数校验1)加滤波器后，电铁系统注入电力系统的实际谐波电流应小于允许值。2)由于电铁负荷为非对称性负荷，通过计算，当两牵引臂注入系统的谐波电流不相等时，必然在牵引变三相侧注入三相不对称的谐波电流，即存在负序的谐波电流。故在滤波器设计时，应尽量使两牵引臂注入系统的实际谐波电流相等。3)校验滤波电容的电压、电流、容量的过载能力以及滤波电抗的电压过载能力。4)最后，还要对系统与滤波器的综合频率特性进行计算，以检查系统与滤波器是否出现并联谐振。3设计中需注意的问题3.1谐振点的选择在实际运行条件下，由于系统频率会出现偏差，滤波电容和滤波电抗器的实际参数也会与设计参数之间存在偏差，这将造成滤波器谐振点的变化。在工程设计中通常会将这些偏差考虑为等效频偏（相对误差）：h次单调谐滤波器阻抗可表示为:流入系统的h次谐波系数Ksh为：随着的变化，Ksh存在最大值和最小值。工程设计中通常会根据实际情况设定的正负极限值。图3(1)为当系统谐波阻抗为感性时的Ksh()曲线，可看出，考虑了系统滤波阻抗影响后，单调谐滤波器并不是调谐在全谐振状态时最合理，当Xsh0时，在-m时滤波效益较+m时差得多。合理的做法是，滤波器中电感值采用偏谐振值，使m时滤波效益相等。即:图3Ksh与的关系曲线注：1 滤波电感采用谐振值时；2 滤波电感采用偏谐振值时这样：此时的Ksh()曲线如图3(2)所示，比较图3(1)与(2)，滤波电感采用偏谐振值时，图3 (2)实际是在图3(1)的基础上向左偏移了/2，故0，求得的电感为过谐振值。在滤波器参数设计时可由Ksh(-m，)=ksh(+m)得：3.2TCR是一个谐波源TCR对其感性无功的输出大小控制是通过控制其晶闸管导通角来实现的，只有当晶闸管全关断和全导通时，TCR不会产生谐波，在其他导通角下，TCR会产生大量的奇次谐波电流（h=2k+1,k=1n）。通过傅立叶分解，h次谐波电流幅值Ih与TCR全导通时的电流幅值Im的关系是：h=2k+1其中：图4TCR中谐波电流幅值与导通角的关系表1TCR中谐波电流最大幅值h1357Ih(%)10013.785.052.58180120144154.81.570 82.094 41.8851.790 7由图4及表1可看出TCR所产生的谐波电流以3次谐波电流最为严重，其最大幅值可达到全流幅值的13.78%。当然，各次谐波电流最大值并未发生于机车负载谐波源95%谐波电流情况下。从负载变化和负载产生谐波电流变化总趋势来看，当供电臂上负载减少，负载产生谐波电流承下降趋势，虽然TCR产生的谐波电流有所增加，但供电臂上谐波源所产生的总谐波电流通常都小于负载谐波源95%谐波电流，滤波器仍然能够满足滤波要求。以上所求的谐波电流是在TCR电流ITCR对称控制条件下导出的。实际运行上，为了快速响应，对TCR的控制通常是半波不对称控制，在此非理想情况下，TCR在特征谐波之外还产生非特征谐波，一般这些非特征谐波电流比特征谐波大致小一个数量级。 3.3TCR控制问题供电臂一侧无功变化范围很大。由于电铁三两相变换供电方式造成三相不平衡。对于阻抗匹配平衡变压器而言，其三相侧每相电流都与两相侧两相电流的相量组合有关，因此，不适当的动态补偿方式可能因电流相位的改变而加大三相不平衡，从而加大电压变化，削弱了在三相侧的补偿效果。结果，尽管两相侧的电压变化减小，在三相侧仍没有多大改善。建议采用两供电臂等功率因数角的控制方式。4实例分析以成昆线泸沽牵引变电站为例。该变电站牵引容量220 MVA，供电臂系统等值阻抗11.18,牵引变压器为阻抗匹配平衡变压器110/27.5 kV。在实验研究中，采用了单相SVC投入甘洛变电站27.5 kV侧。按上述原则选择单调谐滤波器组，主要滤除3、5、7次谐波，滤波器电容统一选用铁路专用滤波电容器（BFM-10.5 kV-100 kvar-2.887 F-1W）。两臂各次滤波器及TCR设计参数如下。使用Matlab仿真 软件分别对两牵引臂进行计算，由SVC滤除谐波后，两臂注入系统的谐波电流远远小于国家标准中允许注入系统的谐波电流值，公共联接点处的电压畸变率95%概率值低于国家标准（2%），且由于SVC是对机车负载无功进行动态跟踪补偿，功率因数可提高到0.96。5结论在电铁供电臂侧安装SVC可实现以下功能：1) 对动态无功负荷的功率因数进行校正。减少无功倒送。2) 改善电压调整。3) 减小过电压。4) 减小电压波动。通过实验研究，在电铁谐波治理中投入SVC,不仅能有效抑制谐波，并能动态就地补偿电铁系统所需的无功，且补偿效果明显，极大改善系统功率因数，值得推广。表2两臂SVC设计参数供电臂侧(27.5kV)系统等值阻抗()11.18牵引变压器类型阻抗匹配平衡变压器110/27.5kV容量(MVA)220内容基波3次5次7次电流A(95%)36666.825.912.9滤波电容串联并联数3113432滤波电感(mH)106.35105.29107.44滤波电感偏谐振率%0.24720.18430.177.2滤波电阻()22.362.95TCR电感(mH)566.515.3电流(A)(95%)52978.830.515.3滤波电容串联并联数3133432滤波电感(mH)89.99105.29107.44滤波电感偏谐振率0.209 960.184 30.172 7滤波电阻()1.72.362.95TCR电感(mH)505.3品质系数507080参考文献1吴竟昌.供电系统谐波M.北京:中国电力出版社,1998.2王兆安.谐波抑制和无功功率补偿M.北京:机械工业出版社,1998.3靳龙章.电网无功补偿实用技术M.北京:中国水利出版社,1997.4苏文成,金子康等.无功补偿与电力电子M. 北京:机械工业出版社,1998.5崔国纬等.TCR动态无功补偿原理及滤波器参数的计算J.包头钢铁学院学报.1998.17(4).6Kishore Chatterjee, B. G. Fernandes, and Gopal K. Dubey, Senior Member,An Instantaneous Reactive Volt-Ampere Compensator and Harmonic Suppressor System, IEEE TRANSACTIONS