利用雙向變流裝置的分布式無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)方案研究

向 往 廖 鈞

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,成都 610031)

目前，國(guó)內(nèi)城市軌道交通工程供電系統(tǒng)典型無(wú)功補(bǔ)償方案為：(1)中高壓系統(tǒng)采用集中補(bǔ)償方式，即在主變電所或電源開閉所設(shè)置中壓無(wú)功補(bǔ)償裝置，中壓無(wú)功補(bǔ)償裝置采用靜止無(wú)功發(fā)生器(SVG)或SVG+并聯(lián)電抗器，前者由SVG承擔(dān)滿足考核點(diǎn)電能質(zhì)量要求的諧波治理和無(wú)功補(bǔ)償；后者由SVG承擔(dān)諧波治理和城市軌道交通工程內(nèi)部中壓系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償，由并聯(lián)電抗器承擔(dān)外部電源線路的無(wú)功補(bǔ)償；(2)在各車站、車場(chǎng)降壓變電所的0.4 kV側(cè)集中設(shè)置低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置，低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置通常采用有源濾波裝置(APF)，承擔(dān)低壓配電系統(tǒng)中的無(wú)功補(bǔ)償和諧波治理；(3)對(duì)于功率因數(shù)不高的低壓用電設(shè)備，采用自備就地?zé)o功補(bǔ)償裝置[1-2]。

傳統(tǒng)中壓系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償方案依賴于設(shè)置在主變電所或電源開閉所中壓母線的SVG，雖然能滿足電力部門功率因數(shù)考核要求，但未實(shí)現(xiàn)中壓系統(tǒng)無(wú)功功率的就地平衡，增加了電壓損失及(有功和無(wú)功)功率損耗，節(jié)能效益不佳，且SVG的發(fā)熱及噪聲問(wèn)題明顯。

實(shí)現(xiàn)中壓系統(tǒng)無(wú)功功率就地平衡的理想方法是采用分散補(bǔ)償方式。分散補(bǔ)償方式是針對(duì)中壓系統(tǒng)部分節(jié)點(diǎn)的無(wú)功平衡，適用于負(fù)荷分散的情況，在配電網(wǎng)、鐵路電力供配電系統(tǒng)應(yīng)用廣泛[3-4]。分散補(bǔ)償方式便于實(shí)現(xiàn)中壓系統(tǒng)內(nèi)部無(wú)功功率的分區(qū)控制、分區(qū)平衡，減少中壓供電網(wǎng)絡(luò)線路的有功損耗和電壓損失，提高供電半徑，經(jīng)濟(jì)效益好，但對(duì)于外部電源補(bǔ)償需用量較大的情況，一般不能替代集中補(bǔ)償方式，且由于無(wú)功補(bǔ)償裝置需分散安裝，增加了車站(或車場(chǎng))變電所的電氣和土建投資，不便于運(yùn)營(yíng)維護(hù)與管理。

本文以國(guó)內(nèi)某有軌電車工程為例，提出利用雙向變流裝置的中壓系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償優(yōu)化方案。

1 工程概況

1.1 供電系統(tǒng)概況

(1)供電系統(tǒng)采用35 kV分散供電方式，牽引供電系統(tǒng)和動(dòng)力照明配電系統(tǒng)共用35 kV供電網(wǎng)絡(luò)。牽引供電系統(tǒng)采用DC1500 V架空接觸網(wǎng)供電、走行鋼軌回流方式。

(2)全線共設(shè)置1座電源開閉所，11座牽引降壓混合變電所(其中正線10座，車輛基地1座)，1座跟隨式降壓變電所，如圖1所示。車輛基地電源開閉所與同址的牽引降壓混合變電所整合。

圖1 交流供電系統(tǒng)圖

(3)上級(jí)110 kV變電站35 kV兩段母線各出1回35 kV線路至車輛基地電源開閉所。外部電源電纜線路長(zhǎng)約0.7 km，電纜截面為240 mm2。功率因數(shù)考核點(diǎn)設(shè)置在公共連接點(diǎn)(PCC)。

(4)每座牽引變電所分別設(shè)置1套1×1 650 kVA雙向變流裝置，雙向變流裝置由1臺(tái)變流變壓器和1面雙向變流器柜組成；每座降壓變電所設(shè)置2臺(tái)配電變壓器。

1.2 無(wú)功負(fù)荷和無(wú)功電源分析

根據(jù)供電系統(tǒng)構(gòu)成，無(wú)功負(fù)荷主要來(lái)自牽引負(fù)荷、動(dòng)力照明負(fù)荷、變壓器(變流變壓器、配電變壓器)及電力電纜的無(wú)功損耗，無(wú)功電源主要來(lái)自電力電纜的充電無(wú)功功率。

(1)牽引負(fù)荷

根據(jù)雙向變流器低壓側(cè)電壓幅值、相位可控的特點(diǎn)，理論上牽引負(fù)荷功率因數(shù)可接近于1。

(2)動(dòng)力照明負(fù)荷

動(dòng)力照明負(fù)荷涉及多個(gè)用電設(shè)備，總功率因數(shù)與各用電設(shè)備的負(fù)荷大小和設(shè)備自身功率因數(shù)有關(guān)。

(3)變壓器及電力電纜的無(wú)功損耗

變壓器、電力電纜線路消耗無(wú)功功率。變壓器消耗的無(wú)功功率分為空載無(wú)功損耗和負(fù)載無(wú)功損耗。

變壓器的無(wú)功損耗可按式(1)進(jìn)行計(jì)算。

(1)

式中：ΔQT——變壓器中的無(wú)功損耗(kvar)；

I0%——變壓器空載電流百分?jǐn)?shù)；

uk%——變壓器阻抗電壓百分?jǐn)?shù)；

Sc——變壓器計(jì)算負(fù)荷(kVA)；

Sr——變壓器額定容量(kVA)。

電力電纜線路的無(wú)功損耗可按式(2)計(jì)算。

(2)

式中：QL——三相線路中無(wú)功損耗(kvar)；

Ic——計(jì)算相電流(A)；

x——線路單位長(zhǎng)度的交流電抗(Ω/km)；

l——線路計(jì)算長(zhǎng)度(km)。

(4)電力電纜線路的充電無(wú)功功率

中壓供電環(huán)網(wǎng)電力電纜及低壓電力電纜都能提供充電無(wú)功功率，按式(3)進(jìn)行計(jì)算。

(3)

式中：QC——線路充電無(wú)功功率(kvar)；

ω——角速度(rad/s)；

C0——線路單位長(zhǎng)度等效電容(F/km)；

Un——系統(tǒng)標(biāo)稱電壓(kV)；

l——線路計(jì)算長(zhǎng)度(km)。

1.3 原中壓系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償方案

(1)中壓系統(tǒng)采用在電源開閉所設(shè)置SVG的集中無(wú)功補(bǔ)償方案，結(jié)合供電系統(tǒng)內(nèi)部和外部電源線路，經(jīng)估算，需設(shè)置2×2 Mvar的SVG容量。

(2)每套SVG由1臺(tái)隔離變壓器和1臺(tái)電壓源換流器組成；2套SVG分別通過(guò)斷路器接于不同段35 kV母線。2臺(tái)隔離變壓器分別設(shè)置于獨(dú)立的隔離變壓器室內(nèi)，2臺(tái)電壓源換流器設(shè)置于1間無(wú)功補(bǔ)償裝置室內(nèi)。

2 雙向變流裝置的無(wú)功補(bǔ)償功能

雙向變流器屬于高功率因數(shù)整流器(又稱“單位功率因數(shù)整流器”)，與采用不可控整流器或相控整流器相比，雙向變流裝置高功率因數(shù)、幾乎不產(chǎn)生諧波的特性可從根本上提高系統(tǒng)自然功率因數(shù)，減少電網(wǎng)“諧波污染”，改進(jìn)整流器自身性能[5-6]。

雙向變流器實(shí)質(zhì)上是四象限運(yùn)行的PWM整流器，除了可以運(yùn)行于整流、逆變、感性無(wú)功功補(bǔ)償和容性無(wú)功補(bǔ)償4個(gè)特殊的工作狀態(tài)點(diǎn)外，還可以運(yùn)行于整流兼感性無(wú)功補(bǔ)償、整流兼容性無(wú)功補(bǔ)償、逆變兼感性無(wú)功補(bǔ)償、逆變兼容性無(wú)功補(bǔ)償4種疊加工作狀態(tài)[5]。在無(wú)功補(bǔ)償方面，雙向變流裝置與SVG技術(shù)同源，具備感性無(wú)功和容性無(wú)功雙向補(bǔ)償功能，且具有響應(yīng)速度快、自身諧波含量小等優(yōu)點(diǎn)，可滿足實(shí)際應(yīng)用需求。同時(shí)可根據(jù)系統(tǒng)需求進(jìn)行更為靈活和有針對(duì)性的無(wú)功補(bǔ)償方案設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無(wú)功功率優(yōu)化。

3 分布式無(wú)功補(bǔ)償

近年來(lái)，得益于SVC、SVG等動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的成熟，分布式無(wú)功補(bǔ)償方案在智能配電網(wǎng)和分布式發(fā)電領(lǐng)域正日漸興起，成為一種先進(jìn)的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分散補(bǔ)償技術(shù)。[7]分布式無(wú)功補(bǔ)償方案可根據(jù)控制目標(biāo)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的無(wú)功補(bǔ)償容量。不僅可提高中壓系統(tǒng)內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)功率因數(shù)，改善電壓損失，實(shí)現(xiàn)中壓系統(tǒng)內(nèi)部無(wú)功功率的分區(qū)控制、分區(qū)平衡，減少中壓供電網(wǎng)絡(luò)線路有功損耗，提升經(jīng)濟(jì)效益，還可減少無(wú)功功率在中壓系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)間的傳輸，減少集中補(bǔ)償需用量。

當(dāng)功率因數(shù)考核點(diǎn)設(shè)置在PCC時(shí)，利用靠近考核點(diǎn)無(wú)功補(bǔ)償裝置的富余能力，在一定條件下，可取消集中補(bǔ)償，系統(tǒng)接線如圖2所示。

圖2 取消集中補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)接線示意圖

忽略變壓器和電力電纜線路的無(wú)功損耗，其判斷條件如式(4)所示。

(4)

式中：ω——角速度(rad/s)；

Un.S——外部電源系統(tǒng)標(biāo)稱電壓(kV)；

lS——外部電源線路計(jì)算長(zhǎng)度(km)；

C0.S——外部電源線路單位長(zhǎng)度等效電容(F/km)；

Un.P——中壓供電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)標(biāo)稱電壓(kV)；

li——除外部電源線路外，考核點(diǎn)至無(wú)功補(bǔ)償裝置安裝位置第i段中壓供電網(wǎng)絡(luò)線路的計(jì)算長(zhǎng)度(km)；

C0.i——除外部電源線路外，考核點(diǎn)至無(wú)功補(bǔ)償裝置安裝位置第i段中壓供電網(wǎng)絡(luò)線路的單位長(zhǎng)度等效電容(F/km)；

Pc——考核點(diǎn)最大負(fù)荷有功功率(kW)；

tanφ1——考核點(diǎn)最大負(fù)荷功率因數(shù)角正切值；

tanφ2——考核點(diǎn)要求達(dá)到的功率因數(shù)角正切值；

QC.j——靠近考核點(diǎn)第j臺(tái)無(wú)功補(bǔ)償裝置的容性無(wú)功補(bǔ)償剩余容量(kvar)；

QL.j——靠近考核點(diǎn)第j臺(tái)無(wú)功補(bǔ)償裝置的感性無(wú)功補(bǔ)償剩余容量(kvar)。

4 中壓系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)功率因數(shù)和綜合有功損耗

4.1 中壓系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)功率因數(shù)

在無(wú)功補(bǔ)償前，通過(guò)對(duì)遠(yuǎn)期不同行車對(duì)數(shù)和非運(yùn)行時(shí)段工況進(jìn)行模擬計(jì)算，本文僅列舉35 kV Ⅱ段各節(jié)點(diǎn)功率因數(shù)，如圖2所示。

圖2的模擬計(jì)算結(jié)果表明，中壓系統(tǒng)內(nèi)部無(wú)功功率平衡狀況與牽引負(fù)荷輕重有關(guān)，僅當(dāng)牽引負(fù)荷適中時(shí)，中壓系統(tǒng)內(nèi)部的無(wú)功功率接近自然平衡；在其他時(shí)段，均需采用無(wú)功補(bǔ)償措施來(lái)改善中壓系統(tǒng)內(nèi)部的無(wú)功功率平衡。本文提出利用雙向變流裝置的工作特性和分散安裝條件，實(shí)現(xiàn)中壓系統(tǒng)內(nèi)部的無(wú)功功率平衡，提高中壓系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)功率因數(shù)。

4.2 中壓系統(tǒng)綜合有功損耗

中壓系統(tǒng)中主要由變壓器、電力電纜線路產(chǎn)生有功損耗。

變壓器有的功損耗可按式(5)計(jì)算。

圖3 中壓系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)功率因數(shù)圖

(5)

式中：ΔPT——變壓器中的有功損耗(kW)；

ΔP0——變壓器空載有功損耗(kW)；

ΔPk——變壓器負(fù)載有功損耗(kW)；

Sc——變壓器計(jì)算負(fù)荷(kVA)；

Sr——變壓器額定容量(kVA)。

電力電纜線路的有功損耗可按(6)計(jì)算。

(6)

式中：ΔPL——三相線路中無(wú)功損耗(kW)；

Ic——計(jì)算相電流(A)；

r——線路單位長(zhǎng)度的交流電阻(Ω/km)；

l——線路計(jì)算長(zhǎng)度(km)。

配電變壓器的有功損耗相對(duì)固定。雙向變流裝置的無(wú)功補(bǔ)償作用使電力電纜線路的負(fù)載電流和有功損耗減少、變流變壓器的負(fù)載電流增大、有功損耗增加。中壓系統(tǒng)綜合有功損耗的增減主要由變流變壓器和電力電纜線路的有功損耗決定。

5 優(yōu)化方案

5.1 優(yōu)化思路

(1)以分區(qū)補(bǔ)償、就地平衡為原則。

(2)以滿足電力部門考核功率因數(shù)要求為前提，并且不向電力系統(tǒng)倒送無(wú)功功率(過(guò)補(bǔ)償)：在運(yùn)行時(shí)段，功率因數(shù)≥0.95(滯后)，在非運(yùn)行時(shí)段，功率因數(shù)≤0.95(滯后)[8]。

(3)盡量減少中壓系統(tǒng)內(nèi)部綜合有功損耗。

5.2 補(bǔ)償策略構(gòu)思

在滿足PCC總功率因數(shù)考核要求的前提下，按照分布式無(wú)功補(bǔ)償?shù)牟煌刂颇繕?biāo)，本文提出兩種策略。

(1)局部補(bǔ)償策略

分布式無(wú)功補(bǔ)償從局部角度出發(fā)，以各套雙向變流裝置所在35 kV母線均達(dá)到目標(biāo)功率因數(shù)為控制目標(biāo)。

(2)全局補(bǔ)償策略

分布式無(wú)功補(bǔ)償從全局角度出發(fā)，以減少中壓系統(tǒng)綜合有功損耗為控制目標(biāo)。全局補(bǔ)償策略可有多種規(guī)則，其中一個(gè)較簡(jiǎn)單的規(guī)則是：從中壓系統(tǒng)末端節(jié)點(diǎn)開始，順次判斷相應(yīng)節(jié)點(diǎn)是否需要進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。假設(shè)使該節(jié)點(diǎn)位置的雙向變流裝置所在35 kV母線達(dá)到目標(biāo)功率因數(shù)，若該節(jié)點(diǎn)位置的雙向變流裝置的無(wú)功補(bǔ)償出力將不會(huì)引起中壓系統(tǒng)的綜合有功損耗增加，則該節(jié)點(diǎn)位置的雙向變流裝置進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償；反之，則該節(jié)點(diǎn)位置的雙向變流裝置不進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。此后再判斷倒數(shù)第二個(gè)節(jié)點(diǎn)位置是否需要進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，并以此類推。

5.3 補(bǔ)償策略初步分析

根據(jù)牽引供電系統(tǒng)模擬計(jì)算結(jié)果，對(duì)遠(yuǎn)期、非運(yùn)行時(shí)段中壓系統(tǒng)分別采用SVG集中補(bǔ)償方案、局部分布式補(bǔ)償方案和全局分布式補(bǔ)償方案的節(jié)能效果進(jìn)行了估算，分別如表1、表2所示。

表1 三種無(wú)功補(bǔ)償方案節(jié)能效果對(duì)比表(遠(yuǎn)期)

表2 三種無(wú)功補(bǔ)償方案節(jié)能效果對(duì)比表(非運(yùn)行時(shí)段)

表1、表2的模擬計(jì)算結(jié)果表明，中壓系統(tǒng)采用雙向變流裝置的分布式無(wú)功補(bǔ)償可滿足電力部門對(duì)PCC總功率因數(shù)的考核要求，且不向電力系統(tǒng)倒送無(wú)功功率(過(guò)補(bǔ)償)，可替代采用SVG集中補(bǔ)償。

按照“無(wú)功功率就地平衡”的思路，局部分布式無(wú)功補(bǔ)償是無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖罾硐敕桨竅6]，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)不敏感，不需要多套雙向變流裝置協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單，能夠減少中壓系統(tǒng)電力電纜線路有功損耗。但雙向變流裝置的無(wú)功補(bǔ)償出力將影響其視在功率，使其負(fù)載電流和有功損耗增加，由此引起中壓系統(tǒng)的綜合有功損耗增加，在節(jié)能方面有些得不償失。

全局分布式無(wú)功補(bǔ)償方案存在對(duì)系統(tǒng)參數(shù)較敏感、需要全線的雙向變流裝置協(xié)同工作、實(shí)現(xiàn)方法較復(fù)雜等缺點(diǎn)，但從全局角度出發(fā)，能夠減少中壓系統(tǒng)綜合有功損耗，經(jīng)濟(jì)效益更優(yōu)。

5.4 無(wú)功補(bǔ)償容量

根據(jù)牽引供電系統(tǒng)模擬計(jì)算結(jié)果，按照滿足PCC總功率因數(shù)考核要求，對(duì)遠(yuǎn)期高峰時(shí)段、非運(yùn)行時(shí)段(動(dòng)力照明用電低谷)的無(wú)功補(bǔ)償需用量和雙向變流裝置需用容量進(jìn)行了估算，結(jié)果如表3、表4所示。

表3 無(wú)功補(bǔ)償需用量估算表(遠(yuǎn)期高峰時(shí)段)

表4 無(wú)功補(bǔ)償需用量估算表(非運(yùn)行時(shí)段)

表3、表4模擬計(jì)算結(jié)果表明，雙向變流裝置容量滿足整流兼無(wú)功補(bǔ)償(或逆變兼無(wú)功補(bǔ)償)的工作要求。

5.5 方案對(duì)比

(1)電能質(zhì)量

根據(jù)牽引供電系統(tǒng)模擬計(jì)算結(jié)果，對(duì)遠(yuǎn)期高峰時(shí)段中壓系統(tǒng)采用SVG的集中無(wú)功補(bǔ)償后與采用局部分布式補(bǔ)償后的中壓網(wǎng)絡(luò)累計(jì)電壓損失進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如表5所示。

表5 中壓網(wǎng)絡(luò)累計(jì)電壓損失對(duì)比表

從表5可以看出，采用全局分布式補(bǔ)償方案僅在部分節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，其中壓供電網(wǎng)絡(luò)電壓損失介于SVG集中補(bǔ)償方案與局部分布式補(bǔ)償方案之間。中壓系統(tǒng)采用分布式無(wú)功補(bǔ)償方案后，能進(jìn)一步降低中壓供電網(wǎng)絡(luò)的電壓損失。

(2)建設(shè)成本

分布式無(wú)功補(bǔ)償方案替代SVG集中無(wú)功補(bǔ)償方案后，可減少2套SVG、2面40.5 kV GIS開關(guān)柜、2套35 kV電流保護(hù)裝置及相關(guān)設(shè)備之間的連接電纜，并能取消隔離變壓器室、無(wú)功補(bǔ)償裝置室配套的通風(fēng)、動(dòng)力照明等機(jī)電設(shè)施，合計(jì)節(jié)約建設(shè)成本約450萬(wàn)元。

(3)運(yùn)營(yíng)成本

分布式無(wú)功補(bǔ)償方案替代SVG集中無(wú)功補(bǔ)償方案后，完全消除了SVG的有功損耗，在無(wú)功補(bǔ)償方面可付出更小的有功“代價(jià)”，并減少了中壓供電網(wǎng)絡(luò)電力電纜線路的有功損耗。運(yùn)營(yíng)各期節(jié)省的用電量估算如表6所示。

表6 運(yùn)營(yíng)各期兩種分布式補(bǔ)償方案全年節(jié)能表

以30 a運(yùn)營(yíng)期估算，當(dāng)分布式無(wú)功補(bǔ)償采用局部補(bǔ)償策略時(shí)，節(jié)省電費(fèi)約250萬(wàn)元；當(dāng)分布式無(wú)功補(bǔ)償采用全局補(bǔ)償策略時(shí)，節(jié)省電費(fèi)約265萬(wàn)元，節(jié)能效果提升約5%。

(4)其他

目前，國(guó)內(nèi)SVG大多采用強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱方式，存在設(shè)備用房排熱量大、裝置噪聲大等缺點(diǎn)。分布式無(wú)功補(bǔ)償方案替代SVG集中無(wú)功補(bǔ)償方案將有助于創(chuàng)造更良好的運(yùn)營(yíng)環(huán)境。

6 結(jié)論與展望

本文利用雙向變流裝置四象限變流的工作特性和多套雙向變流裝置的協(xié)同工作優(yōu)勢(shì)，結(jié)合城市軌道交通運(yùn)行特點(diǎn)，制定了分布式無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)方案，研究得出以下主要結(jié)論：

(1)城市軌道交通中壓系統(tǒng)采用雙向變流裝置的分布式無(wú)功補(bǔ)償方案可滿足電力部門功率因數(shù)考核要求，且雙向變流裝置的無(wú)功補(bǔ)償出力較小，不影響其設(shè)備安裝容量選擇。

(2)利用雙向變流裝置進(jìn)行分布式無(wú)功補(bǔ)償可減少集中補(bǔ)償需用量，在一定條件下，甚至可取消集中補(bǔ)償，在電能質(zhì)量、建設(shè)成本、運(yùn)營(yíng)成本、運(yùn)營(yíng)環(huán)境等方面均優(yōu)于僅采用集中無(wú)功補(bǔ)償方案。

(3)城市軌道交通供電系統(tǒng)采用雙向變流裝置，除利用其高功率因數(shù)特性及逆變功能外，還可采用分布式無(wú)功補(bǔ)償方案挖掘系統(tǒng)節(jié)能潛力，并充分發(fā)揮多套雙向變流裝置的協(xié)同工作優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。

無(wú)功功率優(yōu)化問(wèn)題是一個(gè)多變量、多約束的混合非線性規(guī)劃問(wèn)題，因此，適用于城市軌道交通工程供電系統(tǒng)的分布式無(wú)功補(bǔ)償策略還有待進(jìn)一步優(yōu)化和完善。