关键词： 铁路变电所  高压SVG   功率因数罚款

1 用户现场工况情况

1.1变、配电所现场电源情况

（1）无功补偿原则

肯尼亚铁路某铁路66/33kV变电所采用高压集中无功补偿装置，箱式变电站采用低压集中无功补偿装置，个别大负荷、低功率因数的用电设备设就地补偿装置。全线各变、配电所电源引入均由肯方负责。

（2）平面布置情况

66kV采用支持绝缘子调整导线高度。主变压器采用室外低式布置。66kV配电装置采用户外组合式 GIS电气设备，中型布置。33kV馈线采用电缆出线。所内设置运输道路，便于大型设备的运输。室外电气设备区铺设砾石，变电所对角线处设置避雷针，用于室外设备的直接雷保护。所区围墙为实体围墙，围墙高度为2.5m，围墙顶部安装防盗刺丝滚笼设施。

（3）保护配置

66kV侧采用集中组屏保护，33kV侧采用分散组屏保护。主变压器采用变压器微机保护装置，由差动保护、后备保护及测控组成，设有差动，非电量、复合电压闭锁66kV过电流高压侧后备保护，复合电压闭锁33kV过电流低压侧后备保护，并作用于事故信号和预告信号的保护功能。变电所33kV侧馈线采用馈线微机综合保护装置，每个馈线单元设有电流速断、过流、失压保护功能和一次自动重合闸功能。

（4）变、配电高低压设备选型

66kV部分采用室外型、组合电器方式，主变采用油浸式20MVA变压器。33kV 高压开关柜采用中置式金属封闭空气绝缘开关柜。直流电源装置采用智能型高频开关、阀控式铅酸免维护蓄电池装置。33/0.4kV变压器选用低损耗油式变压器。低压柜采用抽出式模数化开关柜。

1.2一、二次回路图

该变电所靠近著名的肯尼亚马赛马拉国家保护区内，属于热带草原气候，高温，明显旱雨季，旱季炎热干燥，尘土飞扬，雨季经常暴雨倾盆，遍地成河。对设备正常运行提出更高的要求。

变电所主回路如图1所示。

图1 变电所主回路图

变电所二次回路如图2所示。

图2 变电所二次回路

2高压动态无功补偿控制系统

该变电所选用了3.0 Mvar /35 kV高压动态无功补偿控制系统，用于变电所无功补偿和治理闪变，设备一次成功投运，达到了预期目的。

2.1高压动态无功补偿控制系统技术优势

高压动态无功补偿控制系统采用现代电力电子、自动化、微电子及网络通讯等技术，采用先进的瞬时无功功率理论和基于同步坐标变换的功率解耦算法，以设定的无功性质及大小、功率因数、电网电压为控制目标运行，动态的跟踪电网电能质量变化调节无功输出，并能实现曲线设定运行，提升电网质量。这种基于电压型PWM变流器的补偿装置实现了无功补偿方式质的飞跃。它不再采用大容量的电容、电感器件，而是通过电力电子器件的高频开关实现无功能量的变换。

高压动态无功补偿控制系统易操作、高性能、高可靠性，为满足用户对提高输配电电网的功率因数、治理谐波、补偿负序电流的迫切需求做出相应设计，具有以下特点：

●   模块化设计，安装、调试、设定简便。

●   动态响应速度快，响应时间≤5ms。

●   在补偿容量足够的前提下，输出电流谐波（THD）≤3%。

●   多种运行模式极大的满足用户需求，运行模式有：恒装置无功功率模式、恒考核点无功功率模式、恒考核点功率因数模式、恒考核点电压模式、负载补偿模式，目标值可实时更改。

●   实时跟踪负荷变化，动态连续平滑补偿无功功率，提高系统功率因数，实时治理谐波，补偿负序电流，提高电网供电质量。

●   抑制电压闪变，改善电压质量，稳定系统电压。

●   电路参数精心设计，发热量小，效率高，运行成本低。

●   设备结构紧凑，占地面积小。

●   主电路采用IGBT组成的H桥功率单元链式串联结构,每相由多个相同功率单元组成，整机输出由PWM波形叠加而成的阶梯波，逼近正弦，经输出电抗滤波后正弦度良好。

●   自动调整载波频率，自适应环境和功率变化。

●  小于0.2A的补偿精度。

●   采用冗余性设计和模块化设计，满足系统高可靠性的需求。

●   功率电路模块化设计，维护简单，互换性好。

●   保护功能齐全，具有过压、欠压、过流、单元过热、不均压等保护，并能实现故障瞬间的波形录制，便于确定故障点，易维护，运行可靠性高。

●   人机界面设计采用windows系统的操作模式，功能菜单以及各种功能按键均按照电脑的操作习惯设计。界面友好显示，对外通讯提供了RS485等接口，采用标准Modbus通讯协议。除具有实时数字量及模拟量的显示、运行历史事件记录、历史曲线记录查询、单元状态监控、系统信息查询、历史故障查询等功能外，还具有送电后系统自检、一键开停机、分时控制、示波器（AD通道强制录波）、故障瞬间电压/电流波形记录等特色功能。

●   设计包含与FC配合使用的接口，实现定补和动补的有效结合，为用户提供更经济，更灵活的补偿方案。具有4组FC接口控制功能，在控制上可以根据实际情况设置4组FC支路的投切顺序，并实时监测FC的故障状态，实现了SVG+FC系统的智能控制。

●   投切时无暂态冲击，无合闸涌流，无电弧重燃，无需放电即可再投。

●   采用美国TI和ALTERA公司的优质DSP芯片和FPGA芯片，实现了3核控制技术，其中3片DSP芯片分别处理对外通讯，主控计算，功率单元控制，三片FPGA配合DSP实现大量的数据处理和数据交换，基于这种构架的产品，整机响应速度达到了容性功率到感性功率突变时间只需要3.7ms。

●   与系统连接时，不需要考虑交流系统相序，连接方便。

●   可并联安装，极易扩展容量。并机运行使用光纤通讯，通讯速度快，能够完好的满足实时补偿的要求。整机扩容简单易行，特别是改造现场和未生产现场，若SVG投运后发现功率不能满足生产要求，可以随意扩容，不需要将设备完全拆除，只需要更换功率单元即可实现增容，另外在一个现场若有多台设备，可以十分方便的实现以太网组网，或通过高速光纤实现主从控制。

2.2 高压动态无功补偿控制系统技术指标

高压动态无功补偿控制系统技术指标如表1所示。

高压动态无功补偿控制系统产品的主电路采用链式拓扑结构，模块化的结构设计，采用星型连接，星型接法的结构示意图如图3所示。
2.3系统结构

图3电气结构示意图

控制柜与功率柜信号通过光纤进行隔离控制，实现了高低压的可靠隔离。产品系统对结构上做出了极大的改进处理，使维护更方便。控制柜进行了严格的抗干扰处理，保障控制系统不受高压主回路的影响。功率单元的改善使得功率柜占地面积更小，极大节省了用户设备空间，减少了投资。

产品主要分为三部分：控制柜、功率柜、电抗器柜。其中功率柜实现了统一设计，方便产品的扩展及稳定性。各电压等级的装置由控制柜、功率柜及电抗器柜（或空心电抗）组成。各柜体中主要器件及作用如表2所示。

2.4 工作原理

高压动态无功补偿控制系统能够准确测量电力系统的电压、电流等参数，迅速计算出电力系统的无功，进而计算出逆变输出电压移相角，并在特定时刻向SVG触发装置发控制信息。SVG同步装置采集系统母线电压信号，然后对此信号进行多阶滤波处理，滤除电压中的高次谐波和直流分量成分，然后对所剩基波进行方波变换，从而得到与母线电压基波相位一致的方波信号（同步信号）。监控装置负责监视SVG各功率单元的工作状态，例如直流电容电压、功率单元内空气温度等。触发装置负责接收调节装置传来的SVG工作移相角并将触发信号编码后下发给各功率单元。站控将SVG所有运行信息进行打包封装和存储，为操作人员提供一个直观的界面。

产品采用了先进的数字化标准载波移相技术，总输出波形正弦度好，dv/dt小，谐波成分含量小，可减少对电缆的绝缘损坏，在输出侧无需再增加输出滤波器。

产品采用星型连接的单相波形如图4所示。

图4 单元输出叠加后的波形图

3综合测试评价

3.1节能效益明显

2017年12月初，高压动态无功补偿控制系统（3.0 Mvar /35 kV）一次性成功投运，至今运行正常。改造达到了预期目的。

对比SVG投运前后（SVG投运一个月和停运一个月效果对比）的缴费情况

（1）SVG投运前和退出后，每月基本上被肯尼亚电网功率因数考核大约17.5万肯尼亚先令，折合人民币大约1.2万元。

（2）SVG投运后，无功率因数考核罚款。

通过对比，计算得知，SVG投运后产生巨大的经济效益，每年大约节约功率因数考核罚款13万左右。图5为SVG退出运行时，月度功率因数（低于0.9）罚款，已用红线标出。

图5 SVG退出运行时，月度功率因数（低于0.9）罚款

图6为SVG投运月度，电费单，无功率因数罚款。

图6 SVG投运月度，电费单，无功率因数罚款

3.2 治理闪变情况

当机车快速通过时会由于负荷波动引起电压波动，加之雨季时架空线路存在瞬时放电现象从而使电压跌落现象更频繁，幅度也更大。现场电压高于额定90%即为正常值，当跌落至90%以下时，即影响变电所设备安全运行，此时现场故障录波记录下电压跌落数据信息。

现场记录的一次电压跌落至80%，时长大约为100ms时，电压电流的波形如图7所示。

图7 SVG未投运时，电压闪变波形

SVG投入运行时，实时检测网电电压，当SVG检测到电压跌落时，会实际根据需要，在5ms内自动跟踪投入适量容量容性无功，用于支撑电网电压。同理当SVG检测到电压升高时，会实际根据需要，在5ms内自动跟踪投入适量容量感性无功，用来稳定电网电压。SVG支撑电压时，无功阶跃曲线图如图8所示。

图8  SVG支撑电压时，无功阶跃曲线图

图9  SVG投运后，电压闪变时，稳定电压的效果图

应用证明，SVG投运后，以其快速响应的投入方式补偿电压，电压跌落情况大大减少，治理电压闪变效果非常明显。SVG的运行，有利于整个变电所设备的稳定运行，对提高变电所整个系统的稳定性和可靠性提供了关键的支撑作用。

4结束语

随着“一带一路”的推进，沿线很多现场都采用弱电网供电，用电成本特别高，所在国家电网考核严格，采用SVG补偿方式成为提高电能质量的首选，高压SVG质量、性能、可靠性均能很好的满足要求。对矿山高能耗用电设备、变电所等采用SVG补偿，不仅能降低供电成本，而且提高了设备以及弱电网系统的可靠性。高压动态无功补偿及谐波治理系统在野外矿山弱电网中有着广阔的推广潜力。