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。