摘要：随着我国电气化铁路运输系统的飞速发展，日益增加的铁道负荷容量与复杂性对系统电网及牵引供电系统的压力越来越大。对铁路电力系统无功补偿进行研究，以解决普速铁路补偿容量选择不合理、高速铁路补偿设备选型不稳定的问题，同时降低铁路供电线路的损耗，保证铁路供电系统的稳定性。本文结合铁路供电方案的实际情况，总结出铁路电力系统的无功补偿方案。
关键词：铁路；电力供电系统；无功补偿
一、无功补偿的配置原则
为了最大限度地减少无功功率的传输损耗，提高输配电设备的效率，无功补偿设备的配置，一般放在变配电所中，主要采取高压电容补偿的办法。这一配置可以同时完成两种功能，一是针对地方电业局对指标参数的考核看，完成了国家对功率因数不得低于90%的技术要求，达到了国家电力部门对功率因数的考核要求。二是单从经济技术指标的考核看，也达到了上级考核的要求。因此，多年来在变配电所中以高压电容器来对配电网络中的无功功率进行补偿一直做为铁路电网无功补偿的主要方式，而在用户端低压安装无功补偿的则极为少见。
二、无功补偿在高速铁路电力供电系统的应用现状
2.1补偿方式
高速铁路配电所馈出贯通线路，一般采用10kV全电缆沿铁路线两侧敷设的方式，对于馈出线路大量使用电缆的高速铁路配电所常用的补偿方案一般有以下模式，具体如下：①将无功动态补偿装置集中设置在配电所母线段，这种补偿方案在实际安装方式又有两种模式，模式1：在10kV贯通母段上安装无功补偿装置，这种模式能够很好地补偿贯通线路上的电容电流，同时贯通线调压器也不穿越容性电流。模式2：在10kV电源母段上安装无功补偿装置。这种模式在补偿贯通线路电容电流的同时也提高了电源侧的功率因数，存在的不足是容性电流会穿越贯通调压器。不管那种模式都存在占用较大安装空间的缺点。②将固定式电抗器安装在配电所贯通馈出端进行补偿，可以做成单台大容量电抗器集中补偿，也可以做成小容量电抗器多台集中补偿，存在的不足是占用较大空间，不能根据用电负荷的变化进行更随性补偿，馈线上会流过比较大的容性电流。③在区间将小容量的固定电抗器分散设置在贯通线路上，在配电所将小容量的动态无功补偿装置集中设置在母线段。这种方式的优点是利用铁路电力远动控制系统进行及时跟随性投切，能够及时补偿馈线上的容性电流同时提高了电源侧的功率因数。
2.2补偿方案
为了提高供电可靠性和安全性，减少维修工作量，节约土地，我国高速铁路普遍采用沿铁路敷设双回10kV全电缆贯通线为区间和车站的通信、信号等负荷供电。目前，高速铁路的补偿方案大致有3种，具体分析如下。（1）在10kV配电所贯通馈出端设集中固定式电抗器补偿，区间10kV贯通线路上不设固定电抗器。该方案的缺点是占用的空间较大，不能随用电负荷的变化调整补偿电流，难以达到规范要求的功率因数，10kV贯通线上流过的电容电流较大，损耗较大。优点是投资较少，控制比较简单。（2）在10kV配电所贯通母线段设集中无功动态补偿装置，集中补偿装置分为静止无功功率补偿器、静止无功功率发生器和磁控式电抗器3种。区间10kV贯通线路上不设固定电抗器。该方案又分2种方式，一是将补偿装置安装在10kV贯通母段上，另一种是将补偿装置安装在10kV电源母段上。该方案的缺点是占用的空间较大。方式一能够很好地补偿10kV贯通线路上的电容电流，使得电容电源不穿越贯通调压器，但不能保证电源侧的功率因数达到要求。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆方式二能够补偿10kV贯通线路上的电容电流，也能兼顾电源侧的功率因数，但是电容电流穿越贯通调压器，使得调压器容量必须加大，否则易于造成调压器过载。优点是控制比较简单，能随用电负荷的变化调整补偿电流。
三、铁路电力供电系统补偿研究
3.1静止无功功率补偿器（SVC）
静止无功功率补偿器主要有晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电容器（TSC）、晶闸管投切电抗器（TSR）和饱和电抗器（MCR、SR）等。（1）晶闸管控制电抗器（TCR）。SVC连续调节无功输出是依靠调节TCR中晶闸管的触发延迟角α得以实现的，通过晶闸管控制角α的改变，电抗器中流经的电流波形产生变化造成基波分量产生变化，电抗器的感抗发生了改变，TCR变成连续可调节的电感器。TCR并联上电容器后，使得总的无功功率为TCR与并联电容器无功功率抵消后的净无功功率，因而可以将固定电容器的TCR+FC型静止无功功率补偿系统的总体无功电流偏置的补偿范围从感性范围延伸到容性范围内，它既可以吸收感性，也可以吸收容性无功功率。（2）晶闸管投切电容器（TSC）。TSC利用单向晶闸管反并联或双向晶闸管构成的交流无触点开关将单组或多组电容器投入到电网上或从电网切除。晶闸管投切电容器可以精确控制，实时根据用户负荷的变化，将所需的电容器容量投切至电网中，保证系统中的功率因数要求，真正实现动态无功补偿。若输出无功功率需要连续调节，或者要求能提供感性无功功率的情况下，可采用晶闸管投切电容器与晶闸管控制电抗器配合使用的方法。（3）饱和电抗器。饱和电抗器主要有可控饱和电抗器（MCR）与自饱和电抗器（SR）。MCR的饱和程度通过改变装置绕组工作电流加以控制铁心，绕组的感抗得到改变，无功电流大小进行控制。自饱和电抗器稳定电压是通过电抗器自身的能力，发出和吸收无功是通过铁心的饱和特性来控制。磁饱和电抗器组成的静止无功功率补偿装置属于第一代SVC。以快速响应的磁饱和式可控电抗器和并联电容器组成的补偿元件，配以相应的快速无功功率检测环节组成的无功功率补偿系统，可以保证补偿的快速性、准确性和合理性，能够快速补偿系统无功功率，使功率因数保持较高水平。
3.2SVG静止无功发生器
SVG静止无功发生器是将电压型自换相桥式电路通过电抗器并联在电网上，当只考虑基波频率时，SVG动态无功补偿装置可等效视为幅值和相位均可控的一个与电网同频率的交流电压源，适当调节交流侧输出电压的相位和幅值，当其幅值大于系统侧电压幅值时输出容性无功，小于时输出感性无功。静止无功发生器中最核心的器件是变频器，如果变频器的脉宽恒定，通过改变系统电压与变频器输出电压间夹角，变频器DC侧的电容电压可以得到调节，使逆变器产生满足要求的无功补偿电流，使SVG发出或者吸收无功功率。SVG静止无功发生器的优点是响应时间快、运行范围宽，既可补充感性负荷，也可以补偿容性负荷，高次谐波含量低，占地面积小，安全性高。缺点是控制复杂，成本高。
结论：
目前，在铁路供电管理中，并没有对无功补偿的方式进行有效的调整，现在所采用的基本上是以变配电所的高壓集中补偿为主。而低压终端用户所需的大量无功负荷却由变配电所通过高压干线经变压器再经低压线路来提供。从而在无端产生了大量损耗的同时，对加大了线路电压降，影响了网络供电能力。而在诸多的小型变配电所的设计、建设中，又一概加入了电容补偿装置，既浪废了投资，又增加了一次结线的复杂程度，非常不利于运行的操作与安全。
参考文献：
[1]刘建儒.铁路电力供电系统无功补偿研究[J].工程技术：引文版，2017（12）.
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[3]王丰元，邓朴，王攀，等.牵引供电系统的无功补偿与谐波治理研究[J].陕西电力，2017（1）.
论文作者:杨鹏飞
论文发表刊物:《中国电业》2019年 19期
论文发表时间:2020/3/4
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