一、立项背景
1、电力系统无功平衡对提高系统运行的稳定性和安全性、提高经济效益至关重要。我国对110kV及以上电压等级电网的电压和无功的控制主要通过低压侧的无功补偿装置来实现，但是通过低压侧无功补偿来实现高压侧电压控制的方法不仅降低补偿效果、增加损耗，而且会影响低压侧的电压质量。为解决110kV及以上电压等级电网电压控制和无功调节问题，需要安装能够频繁、连续调节的高压动态无功补偿装置。
2、近年来随着我国电气化铁路运量的逐年增加,牵引变电所各供电臂牵引负荷也在快速增加,而牵引变电所功率因数低,无法适应变化较大的牵引负荷对无功补偿的要求,为此铁路经常被电力部门进行（力率调整电费）考核。另外,当负荷较低时,这些容性无功也提升了线路电压,增加了电能损耗。目前铁路牵引变电所无功补偿大多采用固定参数的电容器和电抗器串联后并接
在牵引母线上,利用真空断路器对其进行手动投切。运行中存在如下问题:
(1)容性无功是通过电容器的投切实现的,因调节不平滑呈阶梯性调节,在系统运行中无法实现最佳补偿状态。
(2)电容器组仅提供容性无功补偿,当系统出现无功过剩时,无法实现无功就地平衡。
(3)由于系统无功的变化而必须频繁投切电容器的情况下,使得电容器充放电过程频繁,减少其使用寿命,给设备运行也带来了隐患。
(4)电容器的投切主要采用真空断路器实现,其开关投切响应慢,不能进行无功负荷的快速跟踪;操作复杂,尤其不宜频繁操作。
(5)由于开关投切电容器是分级补偿,不可避免出现过补偿和欠补偿状态。过补偿时会引起电压升高,欠补偿时感性负荷引起电压降低。
二、MCR动态无功补偿装置的原理
MCR型高压动态无功补偿装置是由MCR本体和各个电容器组来实现无功的实时调节的，其中MCR提供的的可调的感性无功，两组电容器提供的是固定容量的容性无功。MCR本体与1组电容器共同并联在主变低压侧，电容器与MCR本体基本等容量，一组电容器是固定投入、与MCR本体公用一个高压开关。MCR既可控制容量输出，也可控制投切，而电容器的容量是固定的，是不可调的。各组电容器固定投入容性无功，相对系统的感性无功产生一定剩余量的容性无功，而这部分剩余的无功则由MCR来动态补偿。主控制器根据系统电压电流计算出实时无功，并根据‘小范围无功调节角度，大范围无功投切电容’的原则来实现对系统无功的补偿。
如下图1为补偿原理图
三、控制系统
MCR型动态无功补偿系统由磁控电抗器本体、可控硅整流电路、微机控制及通讯系统、继电保护装置等部分组成。控制系统采用基于单片机的测控系统，采集的电量包括110kV和27.5kv母线侧电压、可控电抗器三相电流、直流励磁电流、110kV母线输出的有功功率和无功功率。控制器还需要接入电抗器投入、控制失压等开关量信息，电抗器运行状态等的开关量输出信号，接入到电抗器微机保护装置，由保护装置统一处理。如下图2MCR动态无功补偿装置系统图
图2MCR动态无功补偿装置系统图
四、现场试验分析
MCR动态无功补偿装置于2011年1月27日在某铁路牵引变电所投入使用。牵引变电所主要担负着某铁路全线（1#馈线和3#馈线）电气化铁路的牵引供电任务，主变容量2×26000KVA。经统计发现，自2011年1月27日开通至2011年8月份，牵引供电系统功率因数一直很低，最低时月平均功率因数达0.33左右。
1、原因分析
某专用线管内的电力机车以国产和谐号和SS4为主，单台功率约为700KW-900KW。交直型电力机车采用半控桥式整流装置，通过控制晶闸管的导通角来实现机车出力的调节。这一控制方式使得交直型机车的固有功率因数较低，在0.8左右。同时电气化铁道具有较强的波动性、不均衡、低力率（低功率因数）和非线性特点，对牵引供电系统造成以下影响：
（1）MCR型动态无功装置的参数设置问题。（调节参数难以确定）
（2）负载不平衡及负序问题；
（3）高次谐波问题；
（4）无功。即功率因数问题；
（5）冲击性牵引负荷引起的电网电压波动与闪变；
经过多次的数据监测、测试结果显示，牵引变电所采用的MCR（动态无功补偿）装置是厂家第一次用于铁路牵引变电所。该MCR设备大部分用于发电厂、煤矿等平衡负载中。实际工作当中不能按照铁路牵引供电的特点进行补偿。主要表现在该设备内部硬件及软件系统存在一定的延时及误报问题，关键时刻就因误报导致MCR停止补偿。这样不仅造成了设备的寿命减少，还造成了大量的电能浪费。为解决这一根本问题，牵引变电所积极联系厂家反馈问题所在，反复多次调试、更换相关部件、精确记录运行中的各种数据，对比参数，找出影响力率的各种因素，其主要表现在如下几方面：
（1）后台控制范围未释放更多的补偿容量；
（2）DSP芯片初期设计的工作模式不符合现场综合自动化系统设计要求；
（3）控制柜测量检测数据传输接线错误，导致CUP计算出来的补偿无功经常出现负值，影响了励磁控制柜的正确跟踪目标补偿效果
（4）励磁控制柜光电转换板出现问题，数据不能及时传输到主控制器上；
（5）就地控制箱内MCR温度、电压检测模块设计存在严重缺陷，该模块内部结构设计的是时刻检测输入电压的电压高低、缺相。而铁路供电本身就是不平衡供电的，即本身就是缺相的，故该设备一直不能正常工作，导致MCR本体一直处于过温报警，后台控制器一接收到报警就自动停止向MCR本体发送角度，停止补偿。
2、改进措施
经过多次的反复的查找各种资料、重新设计、试验，最后，确定了如下的改进措施：
（1）根据牵引变电所现场设备运行模式，由三得普华公司研发人员更换了CUP控制板。
（2）在保证设备安全稳定运行的前提下，经过半个月的试验，将原系统设计的目标无功由130提高至135；最小无功由128提高至133；最大无功由132提高137.这样就将原来3#电抗器的设计释放容量由16--1400kvar提升到接近1700kvar。（设计最大容量为1600kvar）;4#电抗器的设计释放容量24---2200kvar提升到接近2500kvar。(设计最大容量为2400kvar)。
（3）更换励磁光电转换板，并且根据设备使用环境（一是神木尘沙污染严重，二是雷电天气频发）要求在励磁箱周围更换防污密封式电容器，增加高强度免维护避雷器。保证励磁箱内部设备的正常温度运行。
（4）由于就地控制箱内部的温度、电压检测模块更换起来比较繁琐，经过试验和咨询厂家研发人员，屏蔽了该模块的电源电压检测缺相这一功能，控制减少了误报。
五、改进后的效果及经济效益对比
通过以上措施的实施，某铁路在电力机车密度、速度和牵引重量增加的情况下，牵引负荷趋于稳定，牵引变电所的功率因数稳步上升，逐渐靠拢0.9。在2011年底能够达到电力系统要求的0.9。
改造之前从2011年5-7月份平均每月的力率调整电费为58569元，平均每月电费为1061036.057元.力率调整电费约占平均电费的5%。自改造之后，平均力率调整电费为19421.057元，平均每月总电费约为1111422.25元，力率调整电费约占平均电费的1.75%。2012年1月份，总电费为125.209278万元，力率调整-9168元。
实施设备改造措施之后，功率因数明显提升，力率调整电费额度大幅度下降。11月份功率因数已经达到0.9；力率调整电费为0元。12月力率调整电费为-7151.56元，即供电局奖励某公司7151.56元。2012年1月份力率调整电费约为-9168元，即供电局奖励某公司9168元.2012年牵引变电所供电电费约为1357.7万元，力率调整电费为-8.1万余元。平均功率因数为0.958相比较改造之后的平均数据，这一项就为公司结余大约1357.7×5%=23.76万元。
2013年按照公司运量计划，全年预计总用电量电费约为1700万元；比较2012年约为公司结余1700×0.6%=10.2万元
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