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        智慧供電系統(tǒng)在高速公路機(jī)電工程中的應(yīng)用

        2022-12-09 08:57:10趙強(qiáng)
        工程建設(shè)與設(shè)計(jì) 2022年21期
        關(guān)鍵詞:市電功率因數(shù)分布式

        趙強(qiáng)

        (中交一公局電氣化工程有限公司,北京 100102)

        1 引言

        監(jiān)控和照明系統(tǒng)是高速公路附屬系統(tǒng)的重要組成部分,是確保高速公路有效運(yùn)行和管理的重要輔助系統(tǒng)。安全高效的供電系統(tǒng)是高速公路各項(xiàng)設(shè)施正常運(yùn)行的重要前提[1]。為降低高速公路中道路和橋梁的供配電系統(tǒng)造價(jià),提升供電節(jié)能水平和質(zhì)量,研究高速公路智慧供電系統(tǒng)非常有必要。

        2 傳統(tǒng)供配電方案

        從供配電基本公式可以知道,輸電功率和電壓平方成正比例關(guān)系,也和導(dǎo)線面積成正比例關(guān)系,但與其長度成反比例;供電功率和電壓成正比例關(guān)系,也與電流成正比例關(guān)系,電流平方則與電阻和線路損耗成正比例關(guān)系。即對于恒定電阻的供電線路而言,在保持輸送的電功率一定的情況下,電壓越高,電流和線路損耗均越小[2]。

        2.1 低壓380 V直接供電方案

        在低壓380 V 的供電系統(tǒng)中,外場設(shè)備一般由低壓配電柜直接進(jìn)行供電,但因存在電壓降,一般情況下,該系統(tǒng)只有4 km 以內(nèi)的供電距離[3]。具體如圖1所示。

        在一套供電系統(tǒng)中,若要保持輸電功率不變,則在越長的供電距離下需要越大的導(dǎo)線面積,或越高的輸送電壓值。但若使導(dǎo)線橫截面積增加,即使電纜線徑增大,則會導(dǎo)致成本有所增加,使施工難度大大提升,因此,一般情況下會增大輸送電壓值。

        低壓380 V 的直接供電的優(yōu)點(diǎn)有: 所用供電電纜和設(shè)施無須較高的耐壓等級,經(jīng)濟(jì)性較強(qiáng);僅需較低的建設(shè)和維護(hù)成本,施工難度不高。但同時(shí)也有較多不足,具體有:一般只能在4 km 以下的距離進(jìn)行供電,僅有較弱的供電能力,負(fù)載端需保持三相平衡,傳輸距離以及負(fù)載情況決定了電纜的成本,變化幅度大。

        2.2 中壓6kV/10kV間接供電方案

        針對距離在4 km 以上的用電設(shè)備,一般采用6 kV 或10 kV的供電電壓,在負(fù)載集中的位置安裝電源,并在該位置安裝6 kV(10 kV)/0.4 kV 變壓器,使其變壓成380 V/220 V,并以此進(jìn)行二次配電,具體如圖2所示。

        通常,在高速公路的大型橋梁中采用中壓10 kV 間接供電方案,該種方案的優(yōu)點(diǎn)主要是有較遠(yuǎn)的傳輸距離,傳輸距離一般在10~14 km 左右,有較強(qiáng)的供電能力。雖然該種方案適合在中長距離的供電中使用,但需要將各變壓設(shè)備設(shè)置到各負(fù)荷區(qū)域中以便于二次配電,并且需要耐壓等級較高的供電電纜和設(shè)備。為確保電壓穩(wěn)定性而配置的隔離變壓器較為昂貴,需要較高的綜合造價(jià)。當(dāng)前,國內(nèi)的6 kV 變壓設(shè)備較為少見,且需要較高造價(jià)。

        2.3 風(fēng)光互補(bǔ)供電方案

        風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)的原理在于將風(fēng)能轉(zhuǎn)變成交流電,將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?,轉(zhuǎn)變后的交流電在整流器的作用下向蓄電池充電,轉(zhuǎn)變后的直流電則直接為蓄電池進(jìn)行充電[4]。在整個(gè)系統(tǒng)中,蓄電池的作用在于進(jìn)行電能的儲存和調(diào)節(jié)。

        對于不便于接入外電的區(qū)域,結(jié)合所在地域特點(diǎn),可采用純風(fēng)電或太陽能等供電方式。風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)能源豐富,且無污染,布線及后期維護(hù)均較為簡單。但該系統(tǒng)轉(zhuǎn)化太陽能的效率較低,且供電質(zhì)量不高,造價(jià)較高,設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。

        2.4 傳統(tǒng)供電方案的不足

        傳統(tǒng)供電方案的不足包括:(1)造價(jià)高,需二次配電及相關(guān)變壓設(shè)備,電纜用量大;(2)配置難,需要較為復(fù)雜的設(shè)計(jì)和施工;(3)大損耗,系統(tǒng)功率因數(shù)較低,有較大的無功損耗,需較高的電費(fèi)成本。

        3 分布式智慧節(jié)能供電系統(tǒng)

        基于傳統(tǒng)供電方案存在的缺點(diǎn),經(jīng)深入調(diào)研后,了解到分布式智慧節(jié)能供電系統(tǒng)可較好地解決所存在的不足。

        3.1 系統(tǒng)介紹

        在分布式智慧節(jié)能供電系統(tǒng)的輸入中使用的是三相380 V(可以選擇10 kV 或6 kV),輸出使用的是上端電源柜的單相3.3 kV 電壓,具體如圖3所示。

        以電纜的方式進(jìn)行各用電點(diǎn)電力的輸送。用電點(diǎn)3.3 kV的電壓通過下端電源箱可以有效轉(zhuǎn)化成380 V/220 V 電壓,以為負(fù)載供電,具體如圖4所示。

        分布式智慧節(jié)能供電系統(tǒng)方案如圖5所示。分布式智慧節(jié)能供電系統(tǒng)中的上位機(jī)的串并聯(lián)高頻變換器可以實(shí)現(xiàn)對市電電能質(zhì)量電壓和電流的綜合補(bǔ)償,在不考慮市電電壓波動和輸入電流各分量等的情況下,當(dāng)市電電壓波動在±15%區(qū)間時(shí),負(fù)載電壓穩(wěn)定精度可基本處于±1%的范圍。

        在遠(yuǎn)距離輸電中通過提高輸電線路電壓可以較好地解決各項(xiàng)問題,并使各項(xiàng)線路損耗有所減小,但不可將輸電線路電壓隨意進(jìn)行提高,原因在于高壓電絕緣要求較高,輸電線路電壓等級的提升會導(dǎo)致相關(guān)造價(jià)不斷增加。

        在分布式智慧節(jié)能供電系統(tǒng)中,可以根據(jù)帶載負(fù)荷以及傳輸距離選擇傳輸電壓。對于有著較大帶載負(fù)荷的全程照明系統(tǒng)而言,小于1 kV 的電壓傳輸往往難以符合供電要求,基于經(jīng)濟(jì)性的考慮可以選擇3 300 V 可用于用戶側(cè)的電壓等級作為輸電線路電壓。通過該等級電壓進(jìn)行輸電,既不需要高造價(jià)的高壓電纜,也不需要較粗線徑的低壓電纜,可有效減小造價(jià)。

        3.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

        3.2.1 單相傳輸

        在傳統(tǒng)供配電方案里,如出現(xiàn)不平衡的三相負(fù)載將會有如下危害出現(xiàn):線路和配電變壓器電耗升高、配變出現(xiàn)零序電流等。而在分布式智慧節(jié)能供電系統(tǒng)中,通過上位機(jī)對三相380 V 市電進(jìn)行處理可以使其有效轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗? 300 V 中壓,除了可以使電源負(fù)載三相平衡之外,還可以使電纜芯數(shù)得到節(jié)約。

        3.2.2 高供電質(zhì)量

        高次諧波可通過上位機(jī)進(jìn)行處理,可以對市電浪涌電流起到較好的抵抗效果,電壓輸出穩(wěn)定,可以有效確保用電設(shè)備的安全,使設(shè)備使用壽命有所增加。在分布式智慧節(jié)能供電系統(tǒng)中,功率因數(shù)通過基于IGBT+PWM 技術(shù)的有源功率補(bǔ)償電路得到改善,可以使功率因數(shù)在0.95 以上,使用電設(shè)備能耗有所減小,大大延長使用壽命。

        3.2.3 智能化

        所采用的電能數(shù)據(jù)采集和智能電源控制技術(shù)可以有效實(shí)現(xiàn)軟啟動等各項(xiàng)功能,無須額外設(shè)置其他設(shè)備。上下端電源具有智能通信與控制等功能。其智能通信的方式可以有效實(shí)現(xiàn)上端電源柜對下端電源箱的控制等功能。此外,下端電源箱可進(jìn)行各回路信息的采集,并以電力載波的方式輸送到上端電源柜中,以便于上端電源柜的監(jiān)測和分析等功能的開展。

        3.2.4 兼容性好

        上端電源柜除了可以在多路市電中接入之外,還可在各項(xiàng)應(yīng)急發(fā)電設(shè)備中接入,在因故障而較長時(shí)間斷開市電時(shí),也可以有效確保用戶側(cè)可以正常運(yùn)行各項(xiàng)用電設(shè)備。所配置的蓄電池可在市電出現(xiàn)故障時(shí)確保UPS 和EPS 等功能的正常運(yùn)行。且可直接并網(wǎng)其他發(fā)電方法,實(shí)現(xiàn)即發(fā)即用。

        4 供電方案比選

        4.1 能效對比

        以主成分分析法[5]對比分布式智慧節(jié)能供電系統(tǒng)和10 kV供電方案的能效,分析不同供電方式下的電力狀態(tài)。分布式電力監(jiān)控系統(tǒng)在供配電方案不同時(shí)所采集得到的實(shí)時(shí)電力狀態(tài)如圖6所示。圖6中,實(shí)線表示負(fù)載供電電壓U 波形,虛線表示供電回路電流I 波形。

        從結(jié)果可以看見,電力系統(tǒng)功率因數(shù)在10 kV 供電方案中較低,僅有0.622。分析圖6中的波動情況可以看出,電力系統(tǒng)的感性負(fù)載較多,導(dǎo)致難以提高該方案的功率因數(shù)。因此,可以通過將容性負(fù)載添加到供電回路的方式使供電方案有所改變,以使電能質(zhì)量有所提高。在分布式智慧節(jié)能供電方案中,因?yàn)閷⑷菪载?fù)載添加到供電回路中,使得功率因數(shù)有所提高,約為0.984,用電效率得到有效提高。

        在同一高速公路電力系統(tǒng)中以不同供電方式進(jìn)行供能,所得結(jié)果如圖7所示。其中,實(shí)線表示負(fù)載電壓波形,虛線表示供電回路電流波形。

        10 kV 供電方案的功率因數(shù)為0.882,電流波形有所前置,且存在高次諧波,即電能質(zhì)量較差,會使各機(jī)電設(shè)備使用壽命有所降低。分布式智慧節(jié)能供電系統(tǒng)中有0.900 的功率因數(shù),該系統(tǒng)的供電回路中配置有感性負(fù)載,雖然功率因數(shù)提升較小,但電力和電流有較為契合的波形,能夠較大幅度地提升電能質(zhì)量。

        4.2 經(jīng)濟(jì)性對比

        對比上述兩種供電方案所需的工程造價(jià)可知,中壓10 kV間接供電方案需要840 萬元的造價(jià),分布式智慧節(jié)能供電方案需要720 萬元的造價(jià),兩者相比之下有120 萬元的差值,即分布式智慧節(jié)能供電方案可以使造價(jià)節(jié)約至少14.3%。

        5 結(jié)語

        隨著不斷增大的智慧高速公路的需求量,高速公路各項(xiàng)感知設(shè)備的數(shù)量不斷增多,對供電系統(tǒng)提出了更高的要求。其中,智慧遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)無疑是優(yōu)先選擇的方案,有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。本文通過對比供電方案,提出低造價(jià)、施工簡便的智慧遠(yuǎn)程節(jié)能供電系統(tǒng),為高速公路設(shè)備的遠(yuǎn)程供電提供借鑒。

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