張喜海

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利用中壓能饋裝置分散補(bǔ)償無(wú)功的工程應(yīng)用分析

張喜海

對(duì)中壓能饋裝置分散補(bǔ)償無(wú)功的原理及控制策略進(jìn)行研究，以實(shí)際工程為例進(jìn)行35 kV電纜的充電無(wú)功及功率因數(shù)計(jì)算，分析利用中壓能饋裝置補(bǔ)償無(wú)功存在的問(wèn)題，并對(duì)類(lèi)似地鐵工程建設(shè)提出建議。

地鐵供電系統(tǒng)；功率因數(shù)；電纜充電無(wú)功；中壓能饋裝置

0 引言

主變電所的功率因數(shù)主要由牽引負(fù)荷和動(dòng)力照明負(fù)荷的性質(zhì)決定。對(duì)于牽引負(fù)荷，由于采用24脈波整流方式，理論基波因數(shù)在0.989以上，不可調(diào)變流器的位移因數(shù)在0.95以上，因而其總功率因數(shù)可達(dá)0.96左右；對(duì)于動(dòng)力照明負(fù)荷，隨著應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，照明負(fù)荷功率因數(shù)已達(dá)0.9甚至0.95以上，大部分動(dòng)力負(fù)荷功率因數(shù)達(dá)0.8以上。

在城市軌道交通線路運(yùn)營(yíng)初期，由于感性負(fù)荷較小，35 kV電纜產(chǎn)生的容性無(wú)功無(wú)法被中和，以致被返送至電力系統(tǒng)，如天津津?yàn)I輕軌、廣州地鐵、上海地鐵等，在運(yùn)營(yíng)初期未投入0.4 kV無(wú)功功率補(bǔ)償裝置時(shí)，存在容性無(wú)功返送至電力系統(tǒng)的情況。電力部門(mén)采取“無(wú)功反轉(zhuǎn)正計(jì)”的計(jì)費(fèi)方法，導(dǎo)致主變電所功率因數(shù)達(dá)不到電力部門(mén)的要求，遭受電力部門(mén)的罰款，增加了運(yùn)營(yíng)成本[1，2]。因此，進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償具有重要意義，本文將研究一種中壓能饋裝置無(wú)功補(bǔ)償方案，并對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用分析。

1 中壓能饋裝置無(wú)功補(bǔ)償方案

1.1 工作原理

中壓能饋裝置（又稱(chēng)雙向變流器）的核心是由IBGT元件構(gòu)成的PWM逆變器，它是基于PWM脈寬調(diào)制技術(shù)的一種功率變換裝置，結(jié)構(gòu)上可以簡(jiǎn)化為由一臺(tái)傳統(tǒng)逆變器和一個(gè)三相交流電感L構(gòu)成（圖1）。

圖1 PWM逆變器主電路

由PWM整流器單相等效電路（圖2）可知，在電網(wǎng)電壓a和交流電感一定的情況下，通過(guò)控制a的大小和相位可以控制電流a的大小和相位，進(jìn)而控制變流器傳輸功率及功率因數(shù)[3]。

圖2 PWM整流器單相等效電路

1.2 系統(tǒng)接入方案

中壓逆變回饋型再生電能利用裝置的直流側(cè)與牽引變電所中的整流器直流母線相連，其交流進(jìn)線接至交流電網(wǎng)，將再生電能逆變?yōu)楣ゎl交流電，并回饋至交流電網(wǎng)（圖3）。

1.3 無(wú)功補(bǔ)償策略

地鐵回饋裝置有2種無(wú)功補(bǔ)償策略：（1）定時(shí)、定量無(wú)功補(bǔ)償，即劃分時(shí)間段對(duì)地鐵供電系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。地鐵運(yùn)營(yíng)時(shí)間一般為6：00～22：00，因此可暫定輸出感性無(wú)功的時(shí)間為23：00～次日5：00。根據(jù)對(duì)地鐵供電系統(tǒng)夜間無(wú)功狀況的調(diào)研和全線掛網(wǎng)的地鐵回饋裝置數(shù)量，計(jì)算每臺(tái)地鐵回饋裝置的無(wú)功大??；（2）自動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償，即利用地鐵現(xiàn)有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)無(wú)功功率進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)當(dāng)前主變電所無(wú)功功率之和以及各回饋裝置的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)計(jì)算出平均每臺(tái)回饋裝置的無(wú)功功率設(shè)定值，地鐵回饋裝置根據(jù)后臺(tái)下發(fā)的無(wú)功指令輸出無(wú)功功率，從而實(shí)現(xiàn)主變電所無(wú)功功率的分散補(bǔ)償，提高系統(tǒng)的功率因數(shù)[4]。

圖3 中壓能饋吸收裝置系統(tǒng)接線

2 工程應(yīng)用分析

呼和浩特地鐵2號(hào)線一期線路全長(zhǎng)27.3 km，全部為地下線。車(chē)輛采用我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)B型車(chē)，最高運(yùn)行速度80 km/h，初、近、遠(yuǎn)期均采用6輛編組方案，高峰時(shí)最大行車(chē)密度為30對(duì)/h。供電系統(tǒng)采用集中式110 /35 kV兩級(jí)供電，牽引、動(dòng)力照明混合網(wǎng)絡(luò)供電方式。全線共設(shè)2座主變電所，分別為成吉思汗廣場(chǎng)主所和嘉茂購(gòu)物中心主所；正線設(shè)11座牽引變電所，停車(chē)場(chǎng)和車(chē)輛段各設(shè)1座牽引變電所。正線牽引所均設(shè)置再生能量吸收裝置，其額定容量為1 000 kW，間歇功率為2 000 kW。

2.1 無(wú)功計(jì)算

由于呼和浩特地鐵2號(hào)線無(wú)功考核點(diǎn)位于主變電所110 kV電纜進(jìn)線側(cè)，因此不再考慮外部電源進(jìn)線電纜無(wú)功補(bǔ)償。動(dòng)力照明系統(tǒng)采用就地平衡、分散補(bǔ)償原則，在各降壓變電所0.4 kV側(cè)設(shè)置有源濾波器，同時(shí)兼作無(wú)功補(bǔ)償裝置，使功率因數(shù)不低于0.9?；诖?，中壓能饋裝置補(bǔ)充無(wú)功僅需考慮35 kV電纜產(chǎn)生的無(wú)功功率。

呼和浩特地鐵2號(hào)線35 kV中壓環(huán)網(wǎng)采用2種截面電纜，分別為185和300 mm2，其單位電容分別為0.194 5和0.166 5mF/km。

中壓環(huán)網(wǎng)電纜充電無(wú)功功率按夜間停運(yùn)，輕負(fù)荷計(jì)算，計(jì)算式為

CD= 2po2（1）

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 中壓環(huán)網(wǎng)電纜充電無(wú)功功率

2.2 功率因數(shù)計(jì)算

2.2.1 計(jì)算原則

電通至試運(yùn)營(yíng)期間，主變電所帶電后，全線負(fù)荷主要為車(chē)站照明、通風(fēng)、調(diào)試、列車(chē)試跑所產(chǎn)生的負(fù)荷，其動(dòng)力照明負(fù)荷估算為運(yùn)營(yíng)后負(fù)荷的20%，牽引能耗按全天1列車(chē)試跑計(jì)算。

在試運(yùn)營(yíng)期間，全線動(dòng)力照明負(fù)荷估算為運(yùn)營(yíng)后負(fù)荷的60%，牽引能耗按50對(duì)列車(chē)全天運(yùn)行 10 h計(jì)算。

各運(yùn)營(yíng)年度，動(dòng)力照明負(fù)荷變化不大，而牽引負(fù)荷由于全日運(yùn)行列車(chē)對(duì)數(shù)相差較大，負(fù)荷相差較大。低壓動(dòng)力照明負(fù)荷按全天運(yùn)行18 h計(jì)算。

2.2.2 功率因數(shù)計(jì)算

根據(jù)式（2）進(jìn)行功率因數(shù)計(jì)算，以嘉茂購(gòu)物中心主所為例，計(jì)算各年度供電系統(tǒng)體現(xiàn)在110 kV主所內(nèi)計(jì)量側(cè)的功率因數(shù)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 嘉茂購(gòu)物中心主所各年度功率因數(shù)

2.3 中壓能饋無(wú)功補(bǔ)償方案

由于呼和浩特地鐵2號(hào)線功率因數(shù)考核點(diǎn)設(shè)在主變電所內(nèi)進(jìn)線側(cè)，未考慮外部電源進(jìn)線無(wú)功功率，通過(guò)功率因數(shù)計(jì)算可知，在運(yùn)營(yíng)初期供電系統(tǒng)內(nèi)部基本滿足0.95的功率因數(shù)要求?？紤]到SVG設(shè)備投資較大，且線路運(yùn)營(yíng)初期已基本滿足電網(wǎng)要求，呼和浩特地鐵2號(hào)線擬采用中壓能饋裝置進(jìn)行供電系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償。進(jìn)行中壓能饋裝置設(shè)置方案設(shè)計(jì)時(shí)，考慮車(chē)輛制動(dòng)能量?jī)?yōu)先為400 V系統(tǒng)使用，且故障時(shí)不影響整流機(jī)組正常運(yùn)行，呼和浩特地鐵2號(hào)線牽引所內(nèi)中壓能饋裝置設(shè)置在整流機(jī)組對(duì)側(cè)母線，設(shè)置方案如圖4所示。

結(jié)合中壓能饋裝置既可吸收再生制動(dòng)能量，還可補(bǔ)償無(wú)功的雙重功能，呼和浩特地鐵2號(hào)線工程將中壓能饋裝置的作用按照白天和夜間進(jìn)行劃分：白天利用中壓能饋裝置重點(diǎn)吸收再生制動(dòng)能量，夜間利用該裝置進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，補(bǔ)償中壓環(huán)網(wǎng)產(chǎn)生的容性無(wú)功。

圖4 中壓能饋逆變裝置設(shè)置示意圖

2.4 補(bǔ)償裝置容量選擇

根據(jù)供電系統(tǒng)中壓能饋裝置設(shè)置方案及中壓環(huán)網(wǎng)無(wú)功功率計(jì)算結(jié)果，理論上按照分區(qū)內(nèi)中壓能饋裝置平均分配補(bǔ)償無(wú)功功率原則，其容量選擇見(jiàn)表3。

表3 中壓能饋裝置補(bǔ)償無(wú)功功率

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，中壓能饋裝置需補(bǔ)償最大容量為0.9 Mvar。

3 存在問(wèn)題分析

3.1 設(shè)備動(dòng)作優(yōu)先級(jí)方面

線路開(kāi)通初期列車(chē)運(yùn)行密度較小時(shí)，既要滿足再生能量吸收又要滿足功率因數(shù)要求，若采用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)補(bǔ)償策略，中壓能饋裝置需頻繁切換2個(gè)狀態(tài)，且裝置設(shè)定啟動(dòng)條件時(shí)需要判定吸收再生能量?jī)?yōu)先還是無(wú)功補(bǔ)償優(yōu)先，控制程序較為繁瑣。

3.2 設(shè)備壽命方面

無(wú)功補(bǔ)償主要在夜間對(duì)電纜充電無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償，再生能量吸收裝置開(kāi)啟無(wú)功補(bǔ)償功能對(duì)裝置核心器件IGBT的使用壽命帶來(lái)不利影響，降低了裝置的可靠性，增加了故障率，影響其使用壽命。

3.3 補(bǔ)償效果方面

由表2可知，電通及試運(yùn)營(yíng)期近一年內(nèi)，發(fā)車(chē)對(duì)數(shù)較少，電纜充電無(wú)功較高，全天功率因數(shù)不達(dá)標(biāo)，可將中壓能饋裝置完全用于補(bǔ)償無(wú)功功率。

利用中壓能饋裝置補(bǔ)償無(wú)功功率，按照就近補(bǔ)償原則，若主變電所距離車(chē)站較遠(yuǎn)，35 kV出線端至車(chē)站電纜較長(zhǎng)，則與之相近的中壓能饋裝置無(wú)功補(bǔ)償量較大。

采用中壓能饋裝置進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，可以對(duì)本區(qū)段的功率因數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，使之達(dá)標(biāo)，但無(wú)法保證全線整個(gè)系統(tǒng)的功率因數(shù)達(dá)標(biāo)。

3.4 工程適應(yīng)性方面

在進(jìn)行共享主變電所的其他后續(xù)線路建設(shè)時(shí)，若主所內(nèi)未預(yù)留集中無(wú)功補(bǔ)償裝置安裝位置，后續(xù)線路則必須采用分散補(bǔ)償，受再生能量吸收裝置設(shè)置方案影響較大，工程適應(yīng)性較差。

4 結(jié)論及建議

由以上分析可知，利用中壓能饋裝置基本可以實(shí)現(xiàn)呼和浩特地鐵2號(hào)線電纜無(wú)功功率的補(bǔ)償，但考慮后續(xù)線路建設(shè)及再生能量吸收裝置發(fā)展趨勢(shì)，應(yīng)在每座主變電所內(nèi)預(yù)留SVG補(bǔ)償裝置安裝位置。在其他軌道交通線路運(yùn)用中壓能饋裝置補(bǔ)償無(wú)功功率時(shí)，若功率因數(shù)考核點(diǎn)位于主變電所對(duì)側(cè)且電源進(jìn)線較長(zhǎng)時(shí)，建議設(shè)置大容量補(bǔ)償裝置進(jìn)行集中補(bǔ)償，保留裝置的該項(xiàng)功能，后續(xù)根據(jù)裝置的應(yīng)用情況和運(yùn)營(yíng)維護(hù)效果適時(shí)啟用分散式無(wú)功補(bǔ)償功能，以滿足電網(wǎng)功率要求。

[1] 于松偉，楊興山，韓連祥，等. 城市軌道交通供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理與應(yīng)用[M]. 成都：西南交通大學(xué)出版社，2008.

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Through researches of principles and control strategy of distributed reactive power compensation by medium voltage energy feedback device, the charging reactive power and power factors of 35 kV cable of a practical project is calculated; and proposals for the similar projects are put forward on the basis of analyzing the existed problems of reactive power compensation by medium voltage energy feedback device.

Subway power supply system; power factor; cable charging reactive power; medium voltage energy feedback device

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.03.016

U231.8

B

1007-936X(2018)03-0051-03

2018-01-07

張喜海.中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，工程師。