閆功勝

(上海磁浮交通發(fā)展有限公司,201204,上海//工程師)

提高磁浮交通供電系統(tǒng)功率因數(shù)的措施

閆功勝

(上海磁浮交通發(fā)展有限公司,201204,上海//工程師)

針對(duì)上海高速磁浮交通供電系統(tǒng)的濾波、無(wú)功補(bǔ)償設(shè)計(jì)的特點(diǎn),分析了供電系統(tǒng)功率因數(shù)較低的原因,提出了提高功率因數(shù)的技術(shù)措施,并分析了該措施的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效益。最后給出了改進(jìn)濾波、補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)的建議。

高速磁浮交通供電系統(tǒng); 濾波器; 補(bǔ)償器; 功率因數(shù)

1 現(xiàn)有濾波及無(wú)功補(bǔ)償設(shè)計(jì)

磁浮列車載客運(yùn)行時(shí),起動(dòng)、制動(dòng)及停止頻繁。這決定了其牽引系統(tǒng)需面對(duì)沖擊性的大功率負(fù)荷。頻繁的功率沖擊會(huì)影響整個(gè)供電系統(tǒng)的電壓。磁浮供電系統(tǒng)的主變壓器為有載調(diào)壓變壓器。列車在起動(dòng)期間,功率因數(shù)很低,故沖擊性無(wú)功功率會(huì)使供電系統(tǒng)的電壓發(fā)生劇烈波動(dòng)。在這種情況下,主變壓器的分接頭將會(huì)頻繁動(dòng)作。另外,牽引系統(tǒng)的變流器是系統(tǒng)中主要的諧波源。

為了穩(wěn)定供電系統(tǒng)的電壓，提高功率因數(shù),并減少供電系統(tǒng)注入電網(wǎng)的諧波,上海磁浮列車示范運(yùn)營(yíng)線(以下簡(jiǎn)為“上海磁浮線”)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的無(wú)功補(bǔ)償器及濾波器,同牽引變流器并聯(lián)在20 kV母線上。其供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)了2座主變電站及2座牽引變電站。主變電站內(nèi)配置2臺(tái)110 kV/20 kV有載調(diào)壓變壓器,對(duì)應(yīng)的2段20 kV母線在就近的牽引變電站內(nèi)。濾波器在諧波抑制的同時(shí)還可兼顧無(wú)功補(bǔ)償及調(diào)壓的需要。在每段20 kV母線上配置5次、7次及11次諧波濾波器,其容量分別為1.023 MVar、1 MVar及4 MVar,總?cè)萘考s為6 MVar。補(bǔ)償器采用IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償,在每段20 kV母線上配置10個(gè)功率補(bǔ)償單元,其總調(diào)節(jié)容量為±6 MVar。每段20 kV母線的濾波及無(wú)功補(bǔ)償配置見圖1。

圖1 每段20 kV母線上的濾波及無(wú)功補(bǔ)償配置示意圖

2 濾波及無(wú)功補(bǔ)償裝置存在的問題

濾波器及無(wú)功補(bǔ)償器可使系統(tǒng)的諧波達(dá)標(biāo)，而且能較好地穩(wěn)定系統(tǒng)電壓。在磁浮列車運(yùn)行的過程中,濾波器及無(wú)功補(bǔ)償器能提供0～12 MVar的無(wú)功功率。通過實(shí)際的測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出,補(bǔ)償容量遠(yuǎn)大于列車運(yùn)行實(shí)際需要的無(wú)功,即目前上海磁浮線正處于過補(bǔ)償狀態(tài)。另外,牽引變流器僅在牽引列車時(shí)產(chǎn)生諧波與無(wú)功電流。因而在列車非運(yùn)行期間的系統(tǒng)無(wú)功過補(bǔ)償狀態(tài)更為明顯。由于濾波器產(chǎn)生的無(wú)功需由補(bǔ)償器來(lái)抵消,故補(bǔ)償器常處于滿負(fù)荷運(yùn)行的狀態(tài)。系統(tǒng)無(wú)功過補(bǔ)償?shù)臓顩r帶來(lái)如下問題:

(1) 增加了電能消耗。沒有列車運(yùn)行時(shí),補(bǔ)償器處于滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài),其電能消耗較浪費(fèi)。該項(xiàng)損耗約為動(dòng)態(tài)補(bǔ)償容量的4%。

(2) 系統(tǒng)可靠性低。由于補(bǔ)償器大部分時(shí)間在滿負(fù)荷甚至超負(fù)荷運(yùn)行,故補(bǔ)償器的功率模塊故障率很高,導(dǎo)致設(shè)備可靠性降低。

(3) 供電系統(tǒng)功率因數(shù)低。由于系統(tǒng)為無(wú)功過補(bǔ)償狀態(tài),故當(dāng)較多的補(bǔ)償器因故障退出運(yùn)行后，這種情況更為嚴(yán)重。供電系統(tǒng)向電網(wǎng)補(bǔ)償過多的無(wú)功功率導(dǎo)致供電系統(tǒng)的功率因數(shù)很低。

(4) 主變分接頭動(dòng)作頻繁。系統(tǒng)過無(wú)功補(bǔ)償狀態(tài)使母線電壓較高。這會(huì)造成主變分接頭動(dòng)作頻繁,從而影響設(shè)備的壽命及主變油的品質(zhì)。

(5) 增加運(yùn)營(yíng)成本。由于電能損耗增加,而且系統(tǒng)功率因數(shù)低于電網(wǎng)公司的要求。這樣不僅增加了電費(fèi)支出,而且每個(gè)月還會(huì)遭受電網(wǎng)公司高額的電費(fèi)罰款。

3 提高功率因數(shù)的措施

如果能改變供電系統(tǒng)無(wú)功過補(bǔ)償?shù)臓顟B(tài),使其與電網(wǎng)之間的無(wú)功交換減少,就能解決功率因數(shù)較低及母線電壓不穩(wěn)所導(dǎo)致的主變電站分接頭動(dòng)作頻繁問題。為此,本文基于補(bǔ)償器因故障而有較多單元退運(yùn)的情況,提議適當(dāng)減少濾波器運(yùn)行的容量——將2個(gè)牽引變電所內(nèi)3段20 kV母線(帶有少于10個(gè)單元補(bǔ)償器)上的5次、7次濾波器解開,僅保留11次濾波器的運(yùn)行。其中，由于浦東機(jī)場(chǎng)主變電站(以下簡(jiǎn)為“PD變”)B段20 kV母線上帶有滿容量的補(bǔ)償器,且其功率因數(shù)較高,故不作調(diào)整。解開上述2個(gè)濾波器后,無(wú)功補(bǔ)償總?cè)萘繛?0 MVar,仍滿足系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)男枰４藭r(shí)需檢驗(yàn)調(diào)整濾波器運(yùn)行方式之后的濾波要求是否能得到滿足。為了驗(yàn)證措施的可行性,進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)。試驗(yàn)中,列車均以430 km/h的速度運(yùn)行。

3.1 方案一

方案一將PD變B段20 kV母線段上的補(bǔ)償器及濾波器均退運(yùn),則以該段母線所帶的變流器驅(qū)動(dòng)磁浮列車的運(yùn)行來(lái)測(cè)試各項(xiàng)電能質(zhì)量參數(shù)。測(cè)點(diǎn)位于PD變B段110 kV進(jìn)線處。測(cè)試結(jié)果見表1。其中，電壓總畸變率限值為2.000%，而實(shí)測(cè)值為3.726%。

表1 采用方案一時(shí)的電能質(zhì)量參數(shù)

由測(cè)試結(jié)果可知，試驗(yàn)運(yùn)行的供電系統(tǒng)功率因數(shù)很低,測(cè)得的電網(wǎng)側(cè)(110 kV進(jìn)線側(cè))的電壓畸變率超標(biāo)，11次濾波器與13次濾波器的諧波電壓超標(biāo),諧波電流達(dá)標(biāo)。

3.2 方案二

方案二將PD變B段20 kV母線段上的補(bǔ)償器全部投運(yùn)，濾波器全部退運(yùn),然后運(yùn)行列車來(lái)測(cè)試各項(xiàng)電能質(zhì)量參數(shù)。測(cè)點(diǎn)位于PD變B段110 kV進(jìn)線處。測(cè)試得到數(shù)據(jù)見表2。其中，電壓總畸變率限值為2.00%，而實(shí)測(cè)值為3.726%。

表2 采用方案二時(shí)的電能質(zhì)量參數(shù)

由測(cè)試結(jié)果可見，該試驗(yàn)中電網(wǎng)側(cè)(110 kV進(jìn)線側(cè))的電壓畸變率超標(biāo)，11次濾波器與13次濾波器的諧波電壓超標(biāo),諧波電流達(dá)標(biāo),而電壓和功率因數(shù)滿足要求。

3.3 方案三

方案三將該母線上補(bǔ)償器投運(yùn)一半,而濾波器全部投運(yùn),然后運(yùn)行列車來(lái)測(cè)試各項(xiàng)電能質(zhì)量參數(shù)。測(cè)點(diǎn)位于PD變B段110 kV進(jìn)線處。測(cè)試結(jié)果見表3。其中，電壓總畸變率限值為2.000%，而實(shí)測(cè)值為1.309%。此方案下，如短路容量有變化,則諧波電流限值也變化。

由測(cè)試結(jié)果可見，電網(wǎng)側(cè)(110 kN進(jìn)線側(cè))的電壓畸變率、諧波電壓及諧波電流等參數(shù)均滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.4 方案四

方案四將PD變B段20 kV母線上的補(bǔ)償器投運(yùn)一半,而濾波器全停運(yùn),然后運(yùn)行列車來(lái)測(cè)試各項(xiàng)電能質(zhì)量參數(shù)。測(cè)點(diǎn)位于PD變B段110 kV進(jìn)線處。得到測(cè)試數(shù)據(jù)見表4。其中，電壓總畸變率限值為2.000%，而實(shí)值為3.726%。

表4 采用方案四時(shí)的電能質(zhì)量參數(shù)

由測(cè)試結(jié)果可見,方案四中電網(wǎng)側(cè)的電壓畸變率及諧波電壓、諧波電流等參數(shù)均比方案三有所增大,但仍能滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.5 綜合比較

綜合來(lái)看,當(dāng)PD變B段20 kV母線段上補(bǔ)償器不足10個(gè)單元時(shí),可解開該段上的5次濾波器及7次濾波器，保留11次濾波器。這一措施從理論上具備可行性，不僅能滿足無(wú)功補(bǔ)償?shù)男枰?而且還能滿足濾波的要求。

4 措施的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)效益分析

根據(jù)上述試驗(yàn)，在某月4日夜間列車運(yùn)行結(jié)束后,解開了1段母線上的5次、7次濾波器;在當(dāng)月10日夜間列車運(yùn)行結(jié)束后,同樣解開了另外2段母線上的5次、7次濾波器。之后,進(jìn)行了1次24 h的電能質(zhì)量參數(shù)測(cè)試。測(cè)點(diǎn)位于龍陽(yáng)變點(diǎn)站(以下簡(jiǎn)為“LY變”)B段110 kV進(jìn)線處。測(cè)試結(jié)果見表5。其中電壓總畸變率限值為2.000%，實(shí)測(cè)值為1.970%。

表5 24 h電能質(zhì)量參數(shù)

從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，在調(diào)整濾波器運(yùn)行方式之后,電網(wǎng)側(cè)的諧波電壓及諧波電流含量均符合標(biāo)準(zhǔn),總的電壓畸變率也符合標(biāo)準(zhǔn)。通過觀察發(fā)現(xiàn),電氣設(shè)備的運(yùn)行安全穩(wěn)定?？梢姡瑴y(cè)試數(shù)據(jù)及設(shè)備運(yùn)行都驗(yàn)證了該措施的技術(shù)可行性及可靠性。

該方案執(zhí)行后,供電系統(tǒng)的功率因數(shù)明顯提高,主變電所分解頭每天的動(dòng)作次數(shù)顯著減少。主變電所分接頭動(dòng)作次數(shù)的顯著下降，可延長(zhǎng)設(shè)備壽命,減少滅弧次數(shù)，延長(zhǎng)主變電所中變壓器油的使用壽命。濾波器運(yùn)行容量的降低使母線的有功消耗降低,節(jié)約了電費(fèi)支出。而提高后的功率因數(shù)滿足了電網(wǎng)公司的要求，避免了高額罰款。濾波器運(yùn)行容量的降低也可使母線的有功消耗降低,進(jìn)一步節(jié)約電費(fèi)。具體技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益見表6。

從表6可以看出，調(diào)整濾波器的運(yùn)行方式后,電費(fèi)罰款減少額度約為29萬(wàn)元;電費(fèi)支出金額減少約70萬(wàn)元。即當(dāng)月電費(fèi)罰款及電費(fèi)支出共節(jié)省約為99萬(wàn)元。

5 濾波及無(wú)功補(bǔ)償設(shè)計(jì)改進(jìn)

從設(shè)計(jì)角度可對(duì)供電系統(tǒng)的濾波及無(wú)功補(bǔ)償進(jìn)行如下改進(jìn):

(1) 在既有系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,改變無(wú)功過補(bǔ)償?shù)臓顟B(tài)。在滿足濾波及無(wú)功補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上,對(duì)設(shè)備容量配置上進(jìn)行優(yōu)化,適當(dāng)降低濾波器的容量,或者適當(dāng)提高動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器的容量,改變無(wú)功過補(bǔ)償?shù)臓顟B(tài)。

(2) 改變既有系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式?？刹挥肍C(Filter Compensatior)濾波器加動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器的方式,而采用有源濾波器(APF)。此時(shí)，需結(jié)合磁浮列車的運(yùn)行特點(diǎn),來(lái)考慮APF的過載能力。

表6 調(diào)整濾波器運(yùn)行方式后的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益數(shù)據(jù)

6 結(jié)語(yǔ)

分析了上海磁浮列車示范運(yùn)營(yíng)線供電系統(tǒng)濾波及無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)特點(diǎn),及其在運(yùn)行中的問題,并從運(yùn)行角度提出了提高供電系統(tǒng)功率因數(shù)的措施——解開5次、7次濾波器、保留11次濾波器運(yùn)行。該方案經(jīng)試驗(yàn)證實(shí)在技術(shù)上可行可靠,且具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

此外，還從設(shè)計(jì)角度提出了改進(jìn)建議——在原設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上需優(yōu)化容量配置，進(jìn)而改變過補(bǔ)償?shù)臓顩r；或者采用新的APF方案。

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Measure to Raise Power Factors of Maglev Transportation Power Supply System

YAN Gongsheng

According to the designing of harmonic restraining and reactive power compensation, the low power factors of power supply system in high-speed maglev transportation are analysed, the measures to raise power factors are proposed, the technical and economical benefits of which are analysed. Finally, advices for optimizing the harmonic restraining and reactive power compensation are put forward.

power supply system of high-speed maglev transportation; filter; compensator; power factor

Shanghai Maglev Transportation Development Co.,Ltd., 201204, Shanghai,China

U 237.8

10.16037/j.1007-869x.2017.03.016

2015-05-21)