某牽引變電所動態(tài)無功補償改造方案

朱小軍，張麗艷，徐瑞林，陳濤

（1.重慶市電力公司電力科學(xué)研究院，重慶401123；2.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都610031）

某牽引變電所動態(tài)無功補償改造方案

朱小軍1，張麗艷2，徐瑞林1，陳濤1

（1.重慶市電力公司電力科學(xué)研究院，重慶401123；2.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都610031）

針對固定的并聯(lián)電容補償裝置不能動態(tài)補償牽引負荷隨機波動的感性無功的缺陷，該文通過采用固定牽引變壓器接線方式下并聯(lián)電容補償設(shè)備容量最小的計算模型及其算法，提出了通過調(diào)節(jié)降壓變壓器低壓側(cè)母線電壓調(diào)節(jié)濾波器無功出力的動態(tài)補償措施。重點設(shè)計了3次固定濾波器加3次可調(diào)濾波器補償方案。利用某牽引變電所的實測數(shù)據(jù)，在技術(shù)指標和經(jīng)濟效益分析、比較的基礎(chǔ)上，驗證了該方法的有效性。

牽引變電所；負序電流；綜合補償；單調(diào)諧濾波器；補償容量

近10年來，我國鐵路電氣化里程成倍增長。由于單相電力牽引負荷和非線性特性晶閘管電力機車的使用，導(dǎo)致了無功功率增大、注入電力系統(tǒng)的負序、諧波含量較大，其涉及范圍隨著鐵路電氣化里程的增長而日益擴展，突出地成為影響牽引供電系統(tǒng)和電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟運行的重要研究課題。因此，結(jié)合電氣化鐵道的系統(tǒng)特點和負荷特點，尋求無功、負序和諧波的綜合補償方法，其意義是重大的[1]。

國內(nèi)外已有大量的參考文獻研究用于牽引供電系統(tǒng)或電力系統(tǒng)的無功補償裝置，主要集中在補償裝置控制策略的研究、各種補償方案的設(shè)計、補償裝置參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計等等[2～5，7～12]。西南交通大學(xué)還提出了同相供電系統(tǒng)，旨在解決電能質(zhì)量的同時，解決機車過分相問題。

由于有源補償裝置復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和高昂的造價、運行費用，使得目前國內(nèi)電氣化鐵道牽引變電所仍普遍采用在27.5 kV母線上并聯(lián)固定容量的高壓電容補償裝置，或采用動態(tài)可調(diào)的無源補償方案。

本文提出通過調(diào)節(jié)降壓變壓器低壓側(cè)的母線電壓來調(diào)節(jié)濾波器的無功出力的動態(tài)補償措施。進而提出了3次固定濾波器FC（fix capacitor）＋3次可調(diào)濾波器TC（thyristor capacitor）補償方案，和在此基礎(chǔ)上省掉固定補償裝置，僅用3次可調(diào)濾波器補償方案。針對這兩種補償方案，在滿足無功補償?shù)那疤嵯拢垂β室驍?shù)達到0.9），采用固定牽引變壓器接線方式下力求并聯(lián)電容補償PCC（parallel capacitor compensation）設(shè)備容量最小的計算模型及其算法，利用某牽引變電所的實測數(shù)據(jù)，通過編程詳細地分析、比較兩種補償方案下取得的技術(shù)指標和經(jīng)濟效益。

1 帶有降壓調(diào)壓變壓器的單調(diào)諧濾波器設(shè)計方法

1.1 降壓可調(diào)濾波器設(shè)計原理

在此采用降壓調(diào)壓變壓器調(diào)節(jié)電容器組的端電壓，調(diào)節(jié)無功出力，達到無功平衡。該補償裝置的原理如圖1所示。補償裝置要求電容器組和電抗器按組成3次濾波支路設(shè)計。如果存在固定的3次濾波支路，也可使電容器組和電抗器按組成5次濾波支路設(shè)計，或按同時存在3次、5次和7次濾波支路設(shè)計[2，3，9]。如果要求補償裝置能夠補償感性無功功率，可考慮使用如圖2所示的補償方案。本文采用是圖1所示的補償原理。

圖1 TC補償原理Fig.1TC compensation principle

圖2 TC+TL可調(diào)補償原理Fig.2TC+TL compensation principle

該補償裝置可根據(jù)具體變電所的實際負荷和諧波情況進行組合。對于諧波較嚴重的變電所，從濾波的安全性和有效性出發(fā)，還可采用固定的多次單調(diào)諧濾波器，濾波支路可根據(jù)需要采用3次，3、5次，或3、5、7次濾波器。

圖1所示的可調(diào)補償裝置在牽引端口的等效電路如圖3所示。這里用晶閘管交流開關(guān)實現(xiàn)投切，即晶閘管投切電容器TSC（thyristor-switched capacitor）。其工作電壓選擇為2.5 kV～2.75 kV。

圖3 晶閘管投切的負荷端口諧波等效回路Fig.3Harmonic equivalent circuit of load port switched by thyristor

圖3中，XT為降壓變壓器基波漏抗，XCk和XLk分別為k次濾波支路電容器組和串聯(lián)電抗器的基波容抗和感抗，XS為從牽引端口看出的包含牽引變壓器在內(nèi)的系統(tǒng)短路阻抗，將阻抗歸算到27.5 kV下，則n次諧波下3、5、7次濾波支路的等效阻抗為

只有3、5次濾波器時的等效阻抗為

整個濾波支路的等效阻抗為

濾波率計算式為

1.2 降壓變壓器變比的確定

降壓變壓器低壓側(cè)的抽頭方式可有兩種：線性變比抽頭或非線性變比抽頭。

設(shè)分m個等級（1級為最低級，m級為最高級），線性抽頭是指各級的電壓呈線性，因此各級的輸出容量非線性；非線性抽頭其各級電壓呈非線性，而各級的容量線性。調(diào)壓變壓器在不同抽頭方式下不同等級對應(yīng)的等效變比如表1所示。

表1 不同抽頭方式對應(yīng)的不同等級的等效變比Tab.1Equivalent ratios of different grades under different tapping modes

2 并聯(lián)電容補償裝置（PCC）的計算模型

通常情況下，無功和負序伴隨牽引負荷同時出現(xiàn)[1]，綜合補償無功和負序是目標。投入的補償裝置，應(yīng)力求提高補償系統(tǒng)的經(jīng)濟性能，即“投入少，產(chǎn)出多”，所以，本文采用了固定牽引變壓器接線方式（即給定端口）下力求PRC設(shè)備總?cè)萘繛樽钚〉挠嬎隳Ｐ图捌渌惴ā?/p>

在牽引負荷及其功率因數(shù)已知時，接線方式的確定又使接線角ψp（p=1，2，…，n）成為已知，有效利用并聯(lián)無功補償PRC（parallel reactive compensation）設(shè)備容量在于盡可能地補償牽引負荷產(chǎn)生的負序功率，再兼補無功[1]。計算模型要求PRC系統(tǒng)產(chǎn)生的合成負序（功率或電流）與牽引負荷產(chǎn)生的合成負序共線反向，并兼顧無功補償。

以YNd11接線為例，設(shè)I1、I3在a相，I2、I4在c相，按端口電壓的規(guī)格化標向，取ψ1=ψ3=0°，ψ2= ψ4=-120°（超前U˙a）。取a、c兩相為牽引負荷相，其中c為超前相，a為滯后相。則建造的計算模型的解[1，13，14]為

式中：KN為安裝PRC系統(tǒng)后負序補償量（下降量）與原有負序的比值，且KN∈[0，1][1]；KC為安裝PRC系統(tǒng)后無功補償量（下降量）與原有負荷無功功率的比值，且KC∈[0，1][2]。

只要約束PRC（并聯(lián)無功補償）只在容性范圍內(nèi)取值，及Ik≥0，k=3，4，就能在PRC的模型上建造PCC模型。

3 實例分析

現(xiàn)以某牽引變電所實際參數(shù)和實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行補償方案效果仿真。

3.1 牽引變電所參數(shù)

某牽引變電所實際參數(shù)如表2所示。

表2 某牽引變電所實際參數(shù)Tab.2Actual parameter of a traction substation

3.2 測試數(shù)據(jù)

牽引變電所的測試數(shù)據(jù)如圖4所示。

根據(jù)實測的日負荷曲線，設(shè)補償后功率因數(shù)要求達到0.9，并力求全部補償負序，根據(jù)式（5），統(tǒng)計各供電臂所需的補償電流如表3所示。

圖4 某牽引變電所測試數(shù)據(jù)Fig.4Test data of a traction substation

表3 補償電流概率特征值Tab.3Probabilistic eigenvalues of compensation current

3.3 補償裝置參數(shù)設(shè)計

限于篇幅，本文以3次固定濾波器（FC3）＋3次可調(diào)濾波器（TC3）方案為例，詳細討論了補償裝置參數(shù)的設(shè)置。該補償方案的接線原理如圖5所示。

圖5 FC3+TC3原理接線圖Fig.5FC3+TC3 compensation principle diagram

固定補償裝置中電容器組選擇單個電容器的額定容量為100 kvar，額定電壓為10.5 kV，降壓調(diào)壓變壓器額定電壓為27.5 kV/2.75 kV，低壓側(cè)按照非線性變比抽頭，分5個等級，短路電壓百分比采用4%；低壓側(cè)的可調(diào)補償裝置支路選擇單個電容器的額定容量為100 kvar，額定電壓為1.05 kV。

設(shè)綜合頻偏δf＝0.02，則調(diào)協(xié)系數(shù)t3為0.12。

根據(jù)所需補償電流概率特征值估計各相補償裝置中電容器組總安裝容量QT，則可估計各相可調(diào)補償裝置中電容器組的安裝容量為

式中，QFC為固定電容補償裝置總安裝容量。

根據(jù)估計容量可確定3次可調(diào)支路電容器組的具體構(gòu)成及相應(yīng)串聯(lián)電抗器的有關(guān)參數(shù)。注意，在確定電容器組的電容器串聯(lián)個數(shù)時，應(yīng)使其額定電壓略大于所承受的最高工作電壓。如電容器額定電壓超過最高工作電壓過多，電容器出力將降低，因而不經(jīng)濟。如電容器額定電壓低于最高工作電壓，則電容器壽命縮短，不能保證安全運行。

在確定最高工作電壓時應(yīng)考慮：①牽引變電所母線最高電壓；②并聯(lián)電容無功補償裝置中串入電抗器后電容器組的端壓的升高；③諧波電流的影響。

在電容器類型、安裝容量Q及串聯(lián)的個數(shù)i確定以后，并聯(lián)支路數(shù)j計算式為

式中，Q0為單個電容器的標稱容量。

實際補償裝置的參數(shù)設(shè)計如表4所示。

表4 FC3+TC3補償方案Tab.4FC3+TC3 compensation scheme

確定了實際補償裝置的參數(shù)后，即可確定補償裝置的實際補償電流（實際無功出力），圖6繪出了所需補償電流與實際補償電流的比較曲線。

圖7 實際補償電流和所需補償電流的比較曲線Fig.7Comparison curves between actual compensation current and required compensation current

分析可得，a相可調(diào)補償裝置的最大實際無功補償電流為56.69 A，最大實際無功出力為1 558.96 kvar；b相可調(diào)補償裝置的最大實際無功補償電流為42.52 A，最大實際無功出力為1 169.22 kvar?？紤]采用最大出力下選擇變壓器額定容量的原則，確定降壓變壓器的額定容量為：a相1 600 kvar；b相為1 200 kvar。

3.4投切控制規(guī)則

（1）方案中有固定濾波器時，固定濾波器始終投入運行，參與無功補償與濾波。

（2）對于可調(diào)濾波器支路，當牽引負荷產(chǎn)生的感性無功大于固定濾波器支路補償?shù)娜菪詿o功時，決定投入可調(diào)濾波器支路。可調(diào)濾波器支路根據(jù)實際所需無功的大小決定分接開關(guān)的切換，通過晶閘管開關(guān)的分合實現(xiàn)變壓器的無載調(diào)壓，從而改變可調(diào)濾波器的功率輸出。

（3）由于分接開關(guān)的切換有延時，因此無功補償也應(yīng)有延時，在一定范圍內(nèi)，延時越短，實時性越好，分接開關(guān)切換的頻率越高，補償效果也越好。超過一定范圍，分接開關(guān)切換頻率越高，有效投入時間越少，從而影響補償與濾波效果。另一方面，從機械開關(guān)的壽命考慮，切換次數(shù)越少越好。因此，應(yīng)在達到預(yù)期補償效果的前提下盡可能地減少切換次數(shù)。

3.5 技術(shù)指標和經(jīng)濟效益分析計算

確定了實際的補償電流后，就可對并聯(lián)電容補償裝置作用后的技術(shù)指標和經(jīng)濟性能做出比較全面的分析。以便為其實際應(yīng)用提供決策依據(jù)。

針對3次固定濾波器（FC3）＋3次可調(diào)濾波器（TC3）和3次可調(diào)濾波器（TC3）兩種補償方案對其技術(shù)指標和經(jīng)濟性能進行分析計算如表6所示。

表6 技術(shù)、經(jīng)濟效益分析計算統(tǒng)計表Tab.6Statistical table of technical and economic benefit analysis calculation

由表6可見，針對本文提出的兩種補償方案，都對無功、負序和諧波具有明顯的改善作用，證實了方法的有效性。兩種方法補償效果相當，補償方案的選擇應(yīng)兼顧技術(shù)指標和經(jīng)濟效益，綜合必選，本文推薦該牽引變電所采用3次固定濾波器（FC3）＋3次可調(diào)濾波器（TC3）補償方案。

4 結(jié)語

針對目前我國提出的各種無功、負序和諧波的綜合補償方案，其基本原理都是力求基波下補償牽引負荷的感性無功功率，提高功率因數(shù)，降低負序，并構(gòu)成有效的濾波通路，濾除（或抵消）指定諧波。單調(diào)諧濾波器在基波下表現(xiàn)為并聯(lián)電容的補償特性，可將諧波的補償與無功、負序的補償相互關(guān)聯(lián)起來。

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Research of Dynamic Reactive Power Compensation in Traction Substation

ZHU Xiao-jun1，ZHANG Li-yan2，XU Rui-lin1，CHEN Tao1
（1.State Grid Chongqing Electric Power Co.Electric Power Research Institute，Chongqing 401123，China；2.School of Electrical Engineering，Southwest JiaotongUniversity，Chengdu610031，China）

The fixed parallel capacitor compensation device can not compensate the motioning inductive reactive power，and aiming for solving this problem，the models and algorithms for parallel capacitor compensation device with the smallest capacity were adopted by using the fixed traction transformer connection in this paper.The dynamic compensation measures by adjusting the low side bus voltage of step-down transformer to regulate reactive power were put forward.The third-harmonic fixed filter and third-harmonic adjustable filter compensation scheme was mainly designed. By using the measured data of traction substation and on the basis of the analysis and comparison of technical index and recommendation，the validity of the method was verified.

traction substation；negative-sequence current；comprehensive compensation；single tunable filter；compensation capacity

TM922.42

A

1003-8930（2014）02-0071-06

朱小軍（1981—），男，碩士，工程師，研究方向為電力系統(tǒng)仿真計算分析與電能質(zhì)量研究。Email：44981052@qq.com

2012-02-27；

2012-05-11

張麗艷（1979—），女，博士，講師，研究方向為電能質(zhì)量預(yù)測與無功補償。Email：xphfy@swjtu.cn

徐瑞林（1965—），男，碩士，高級工程師，研究方向為電網(wǎng)調(diào)度與電力系統(tǒng)仿真計算分析。Email：xrl@cq.sgcc.com.cn