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        磁控電抗器式動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置在牽引變電所無功補(bǔ)償中的工程應(yīng)用

        2022-05-18 06:14:12郭云飛
        科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2022年15期

        郭云飛

        (河南城際鐵路有限公司,河南 鄭州 450000)

        1 概述

        功率因數(shù)一直是電氣化鐵路電能質(zhì)量領(lǐng)域的最重要的問題之一。當(dāng)功率因數(shù)較低時(shí),一方面會(huì)嚴(yán)重影響牽引供電系統(tǒng)的供電質(zhì)量,另一方面電力部門會(huì)根據(jù)牽引變電所功率因數(shù)的高低進(jìn)行獎(jiǎng)懲,因此,有必要在牽引變電所安裝無功補(bǔ)償治理裝置來提高功率因數(shù)[1-2]。

        目前國(guó)內(nèi)有多種無功補(bǔ)償裝置在電氣化鐵路中得以應(yīng)用,但在實(shí)際應(yīng)用中各有優(yōu)劣。本文分析了不同類型的無功補(bǔ)償裝置,重點(diǎn)介紹了磁控電抗器式動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的原理和特點(diǎn),并結(jié)合具體工程,研究了該裝置在電氣化鐵路中的應(yīng)用效果,為無功補(bǔ)償裝置在電氣化鐵路電能質(zhì)量治理中的實(shí)際應(yīng)用提供一定的參考。

        2 電氣化鐵路常用的無功補(bǔ)償方式

        2.1 幾種無功補(bǔ)償方式的比較

        目前多種動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償方式在我國(guó)電氣化鐵路領(lǐng)域已有運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn),最常用的有SVG 和SVC 型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置[3-4]。

        SVG 型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置,采用電力電子器件逆變器構(gòu)成。由于需要采用大功率電力電子元件實(shí)現(xiàn)無功輸出容量的變換,其優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間短、速度快,缺點(diǎn)是電力電子元件對(duì)電壓電流劇烈波動(dòng)十分敏感,其冷卻和保護(hù)電路比較復(fù)雜,一次性投入及運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本較高,且實(shí)際運(yùn)行中故障發(fā)生率較高。

        SVC 型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝裝置根據(jù)調(diào)節(jié)方式的不同主要有兩類:一類是以晶閘管控制電抗器的TCR 型SVC為代表,利用晶閘管相控技術(shù)控制電抗器的輸入從而對(duì)輸出無功進(jìn)行調(diào)節(jié);另一類是以磁控式電抗器MCR 型SVC 為代表,通過改變可控硅的觸發(fā)角來改變直流勵(lì)磁的大小,進(jìn)而改變鐵心的飽和度,達(dá)到調(diào)節(jié)無功的目的。

        相較于TCR 型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝裝置,MCR 型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝裝置由于不需要晶閘管等大功率設(shè)備,具有占地面積小、功耗低、價(jià)格低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)。

        2.2 MCR 型動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置

        MCR 型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償成套裝置將電容器連接在電力系統(tǒng)中,通過調(diào)整與其并聯(lián)的可控電抗器來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)無功功率的目的,是一種新型的靜止無功補(bǔ)償裝置(SVC)[5-6]。當(dāng)電力機(jī)車進(jìn)入牽引變電所所轄范圍時(shí),固定電容器充分補(bǔ)充機(jī)車感性無功,磁控電抗器的容量調(diào)到最??;當(dāng)電力機(jī)車駛出所轄范圍后,電容器向系統(tǒng)倒送無功。在電力機(jī)車負(fù)荷變化過程中,磁控電抗器快速跟蹤補(bǔ)償剩余容性無功,從而保證功率因數(shù)穩(wěn)定。其系統(tǒng)框圖如圖1。

        圖1 MCR 無功補(bǔ)償裝置系統(tǒng)框圖

        3 無功補(bǔ)償裝置相關(guān)參數(shù)計(jì)算

        3.1 平均有功功率計(jì)算

        式中,PL:平均有功功率(kW);

        Ip:供電臂平均電流(A);

        UM:牽引變電所母線額定電壓(kV);

        cosφ1:補(bǔ)償前-牽引變電所平均功率因數(shù);

        cosφ2:補(bǔ)償后-牽引變電所平均功率因數(shù);

        3.2 無功補(bǔ)償容量計(jì)算[1]

        3.3 電容器安裝容量計(jì)算

        式中,Uch:電容器組額定電壓(kV);

        3.4 經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算

        ①根據(jù)電費(fèi)收取政策,則增加補(bǔ)償裝置后從電費(fèi)中得到的經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算公式為[1]:

        式中,P:用電量(103kwh);

        f1:補(bǔ)償前所增收的電費(fèi)系數(shù);

        f2:補(bǔ)償后所減收的電費(fèi)系數(shù);

        w:有功電度單價(jià)(元/103kwh);

        ②無功電度的成本計(jì)算式為:

        式中,S:補(bǔ)償裝置投資綜合造價(jià)(元);

        h1:補(bǔ)償裝置折舊費(fèi)以及維護(hù)費(fèi)(元/年);

        h2:補(bǔ)償裝置自耗電費(fèi)(元/年)。

        4 工程實(shí)例

        本文以某既有單線電氣化鐵路項(xiàng)目為例,對(duì)MCR型補(bǔ)償裝置的應(yīng)用效果進(jìn)行研究分析。該單線鐵路每日開行8 對(duì)客貨列車,機(jī)車機(jī)型為HXD 型,設(shè)計(jì)最高運(yùn)行速度為160km/h。

        本次研究選擇其中的1 座牽引變電所作為研究對(duì)象(牽引變電所A),該牽引變電所主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

        表1 典型牽引變電所主要技術(shù)指標(biāo)

        4.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

        通過對(duì)牽引變電所A 電度表數(shù)據(jù)的采集,得到了該所在2018 年3 月-6 月未投入動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償時(shí)的有功功率和無功功率,并計(jì)算出牽引變電所A 的月功率因數(shù)分別為0.47、0.44、0.40、0.43,具體詳見表2。

        表2 牽引變電所A 典型月份的功率因數(shù)

        4.2 解決方案

        根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況得知,目前該線路所在地區(qū)相鄰路網(wǎng)尚未建成,且該線路為單線,每日僅開行8 對(duì)HXD電力機(jī)車,牽引供電系統(tǒng)的負(fù)荷波動(dòng)較大,當(dāng)供電臂過車時(shí)無功為感性,無車時(shí)系統(tǒng)又呈容性,長(zhǎng)時(shí)間空載給系統(tǒng)返送的無功量較大。因此,實(shí)際運(yùn)行中系統(tǒng)功率因數(shù)較低,影響供電質(zhì)量并造成罰款。

        經(jīng)研究,可以通過在牽引變電所內(nèi)加裝償裝置來改善電能質(zhì)量,提高功率因數(shù),降低運(yùn)營(yíng)成本?,F(xiàn)場(chǎng)采用MCR 型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置。根據(jù)公式(2)(3),對(duì)該牽引所所需無功量進(jìn)行計(jì)算,得出補(bǔ)償容量Q 為2234 kvar,取整為2300 kvar,電容器組安裝容量為2640 kvar,取整為2800kvar。

        本次設(shè)計(jì)在牽引變電所A 的27.5kV 側(cè)兩相母線分別增設(shè)兩套動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置,主接線圖如圖2 所示[1,7]。

        圖2 無功補(bǔ)償裝置主接線圖

        4.3 應(yīng)用效益分析

        4.3.1 供電可靠性

        牽引變電所A 在未投入動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償前,空載時(shí)由于牽引線路長(zhǎng),對(duì)地電容大,功率因數(shù)較小,在0.40~0.47 之間波動(dòng),從而導(dǎo)致電壓損失增大;另一方面變壓器的供電能力未得到有效利用,容量利用率較低。動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)耐度胧沟脽o功達(dá)到就地平衡,改進(jìn)后功率因數(shù)提高到0.97 左右,且牽引變電所A 的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置運(yùn)行期間,無功功率調(diào)節(jié)可靠,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,使整個(gè)供電系統(tǒng)的有功損耗減??;電壓波動(dòng)減小,設(shè)備利用率增大,從而提高了供電的可靠性。

        4.3.2 經(jīng)濟(jì)效益

        功率因數(shù)的改善也帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益,依據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司下達(dá)文件《功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)辦法》,牽引變電所A 適用于以0.90 為標(biāo)準(zhǔn)值的功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)表,如圖3 所示。

        圖3 功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)

        根據(jù)該辦法,本工程改進(jìn)前后功率因數(shù)及功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)比較見表3。

        表3 牽引變電所A 補(bǔ)償前后電費(fèi)情況一覽表

        由上表數(shù)據(jù)可得,未安裝動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置前,月平均功率因數(shù)為0.45,罰款系數(shù)為0.55,補(bǔ)償后,功率因數(shù)大于0.95 時(shí),獎(jiǎng)勵(lì)系數(shù)為0.0075。牽引變電所A 未安裝動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置前,月平均罰款約33 萬元,一年的罰款金額為396 萬。安裝動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置后因功率因數(shù)提高到0.95以上,每月可獲得獎(jiǎng)勵(lì)電費(fèi)約4800 元,全年約5.8 萬元。因投入動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置,每月消耗的(取10kW)電費(fèi)約3522 元,全年約4.2 萬元。每年直接經(jīng)濟(jì)效益約為398 萬元。

        該線路所在省電網(wǎng)110-220kV 大工業(yè)用電平段電度電價(jià)為0.587 元/kWh;無功補(bǔ)償裝置按300 萬元/所(兩套),使用壽命按20 年計(jì),則無功補(bǔ)償裝置每年折舊費(fèi)15 萬元,每年維護(hù)費(fèi)用和損耗支出共計(jì)5 萬元,則折合無功補(bǔ)償裝置每年成本為20 萬元。根據(jù)公式(4)(5)可得,本次工程無功補(bǔ)償設(shè)備運(yùn)行1.3 年即可收回投資,如表4 所示。

        表4 項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益參數(shù)計(jì)算

        5 結(jié)論

        本文將MCR 型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置應(yīng)用到某具體工程,合理確定了變電所無功補(bǔ)償容量、補(bǔ)償結(jié)構(gòu)等重要參數(shù),研究表明,牽引變電所動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置投入運(yùn)行后有效提高了功率因數(shù),改善了牽引供電系統(tǒng)電能質(zhì)量,節(jié)省了運(yùn)營(yíng)成本,可見,該動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置在電氣化鐵路牽引變電所的無功補(bǔ)償中具有廣闊的應(yīng)用前景。

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