地鐵無功功率補償優(yōu)化策略

李立穎 王洪杰 何治新 鄒大云 解 凱 金海奇 曾佳欣 張 戩

(1.廣州地鐵設計研究院股份有限公司, 510010, 廣州; 2.南京南瑞繼保電氣有限公司, 211102, 南京; 3.西南交通大學電氣工程學院, 610031, 成都∥第一作者, 高級工程師)

在地鐵線路運營的高峰時段,列車的整流機組等裝置會產(chǎn)生大量的感性無功功率,供電系統(tǒng)的功率因數(shù)可以超過0.9,而在非高峰時段或夜間休車時段,由電纜產(chǎn)生的容性無功功率占比將會提高,導致系統(tǒng)功率因數(shù)有所降低,進而出現(xiàn)無功返送的現(xiàn)象,影響電能質(zhì)量。根據(jù)《功率因數(shù)調(diào)整電費辦法》的規(guī)定,功率因數(shù)低于0.9的用戶將會面臨處罰。因此,對于地鐵無功補償?shù)难芯渴欠浅１匾摹?/p>

地鐵牽引供電系統(tǒng)的無功補償方案分為集中式補償、分區(qū)集中式補償及分布式補償。集中式補償常在主變電站附近安裝無功補償裝置,從而對整個系統(tǒng)進行無功補償。由于集中式補償?shù)脑O備投入和占地面積均較少,其投資金額在3種補償方案中最小,因此本文以集中式補償方案為例進行研究。

無功補償裝置主要包括固定電容、SVG(靜止無功發(fā)生器)、磁控電抗器、逆變回饋裝置和有源濾波裝置等。SVG技術具有感性容性雙補償、連續(xù)調(diào)節(jié)、諧波含量低、占地面積小和功耗低等優(yōu)點,是目前主流的無功補償技術。在地鐵供電系統(tǒng)中,SVG連接在主變電所35 kV或33 kV的中壓母線上。

文獻[1]根據(jù)主所進線處的實測數(shù)據(jù)計算了PCC(公共連接點)處的功率因數(shù),并評估了SVG安裝容量。文獻[2]研究了SVG控制策略,并通過試驗加以驗證。文獻[3]研究了雙向變流器分布式補償策略,并計算了工程實例中無功補償所需容量。文獻[4]研究了基于逆變回饋裝置的城市軌道交通無功補償策略,利用逆變回饋裝置在城市軌道交通非運營時段進行分布式無功補償,以減少集中式無功補償裝置的安裝容量,節(jié)省系統(tǒng)投資成本。上述研究對地鐵當前運營階段的無功補償定容研究較多,但并未綜合考慮地鐵在不同運行時段及運營時期的無功補償容量設計。

本文以廣州地鐵某運營線路為例,分別對其運營初期高峰和低谷時段的某牽引降壓混合變電所(以下簡稱“牽混所”)運行實測數(shù)據(jù)進行分析,掌握其負荷分布情況。然后,基于城市軌道交通直流牽引供電仿真平臺,結合列車實際運行計劃對實測數(shù)據(jù)進行還原。最后,基于該線路的近期、遠期行車計劃,提出無功補償優(yōu)化策略,對其中一座主變電所的SVG容量配置方案進行設計。本研究可為集中式補償方案下地鐵線路的SVG容量設計提供技術指導。

1 廣州地鐵負荷分布實測分析

測試線路全長26 km,共設置3座主變電所,27個牽混所,采用直流1 500 V架空接觸網(wǎng)授流,鋼軌回流。該線路全天采用的發(fā)車間隔為525 s,其簡化供電系統(tǒng)結構圖如圖1所示。其中,主變電所MSUB2通過牽混所TS4-1分別引出兩條電纜對支路運營線路進行供電。

注:TSi-j表示該線路中第i個供電分區(qū)的第j個牽混所;MSUBx表示該線路中第x座主變電所。

對牽混所TS4-1進行現(xiàn)場測試,在整流機組整流變壓器33 kV側安裝電流傳感器,在33 kV交流母線側安裝電壓傳感器,同步監(jiān)測整流機組負荷過程。牽混所TS4-1監(jiān)測點位置如圖2所示。牽混所TS4-1處高峰及低谷時段的整流變壓器負荷過程如圖3所示。由圖3可知:牽混所TS4-1高峰及低谷時段的負荷波動均具有一定的周期性;其無功負荷在低谷時段波動更為劇烈,這是因為低谷時段的感性牽引負荷較小,電纜發(fā)出的容性無功功率占比較大。

圖2 牽混所TS4-1監(jiān)測點位置

a) 高峰時段有功功率負荷過程

2 基于交直流交替迭代方法的無功補償仿真模型

測試線路列車為6節(jié)編組,4動2拖,B型車。列車質(zhì)量為219.44 t,列車長度為100 m,最高運行速度為120 km/h。根據(jù)列車的取流特性曲線可在城市軌道交通直流牽引供電仿真平臺中構建出相應的地鐵列車仿真模型。

地鐵交直流潮流交替迭代流程圖如圖4所示。若牽混所中裝有逆變回饋裝置,在調(diào)整牽混所工作狀態(tài)時,為提高計算收斂性,可以采用基于滯環(huán)比較的牽引變電所狀態(tài)確定方法[5]?；谝陨嫌嬎懔鞒?根據(jù)該地鐵線路運營初期高峰時段(07:30—08:30)及低谷時段(20:30—21:30)多列車運行圖,對測試線路進行供電仿真,牽混所TS4-1處高峰及低谷時段整流變壓器仿真結果如圖5所示。由圖5可知,牽混所TS4-1處高峰時段及低谷時段負荷過程波形走勢基本一致,此結果驗證了本文算法的有效性。

注:t為仿真時間;T0為仿真時長。

a) 高峰時段

3 無功補償容量設計方法

考慮測試線路近期、遠期行車計劃,對該線路分時期進行供電仿真,并基于仿真結果優(yōu)化MSUB2 35 kV側左、右段母線SVG的安裝容量,使其在滿足無功補償需求且PCC處功率因數(shù)達到要求的前提下,SVG的安裝容量最小。

具體的無功補償策略為:

步驟1 當?shù)罔F供電系統(tǒng)處于運營初期時,高峰小時列車運行對數(shù)為H1,低谷小時列車運行對數(shù)為H2,非運行時段列車運行對數(shù)為H0,其值為0。令車站動力負荷負載率為L。在H1行車組織模式下,通過交直流潮流交替迭代可求得MSUB2左、右主變壓器110 kV側的有功功率P110,i,L、P110,i,R和無功功率Q110,i,L、Q110,i,R。根據(jù)110 kV進線電纜等值模型可以推算PCC處的左、右段母線有功功率PPCC,i,L、PPCC,i,R和無功功率QPCC,i,L、QPCC,i,R。主變電所至PCC處的功率分布示意圖如圖6所示。

注:dc110為110 kV進線電纜的長度。

步驟5 根據(jù)步驟2—步驟4的計算結果,取無功功率的最大絕對值作為運營初期SVG需要補償?shù)臒o功功率。

步驟6 當?shù)罔F供電系統(tǒng)處于運營近期時,重復步驟1—步驟5,計算出該運營時期下,SVG裝置需要補償?shù)臒o功功率。

步驟7 當?shù)罔F供電系統(tǒng)處于運營遠期時,重復步驟1—步驟5,計算出該運營時期下,SVG裝置需要補償?shù)臒o功功率。

步驟8 綜合對比由步驟5、步驟6和步驟7可以獲得3個運營時期下,SVG裝置需要補償?shù)臒o功功率,取三者中的最大值即為MSUB2處SVG所需補償?shù)臒o功功率?？紤]10%左右的裕度進行設備選型,給出最終的SVG安裝容量設計方案。

根據(jù)以上步驟并結合具體參數(shù)可以獲得該線路運營初期、近期和遠期時,高峰、低谷時段PCC處的有功功率、無功功率及功率因數(shù),其估算值分別如表1—表3所示。其中:PL、QL、λL分別為與MSUB2的110 kV側左段母線相連的PCC處總有功功率、總無功功率、功率因數(shù);PR、QR、λR分別為與MSUB2的110 kV側右段母線相連的PCC處總有功功率、總無功功率、功率因數(shù)。

表1 運營初期高峰和低谷時段PCC處的功率及功率因數(shù)估算值

表3 運營遠期高峰和低谷時段PCC處的功率及功率因數(shù)估算值

MSUB2 110 kV側左、右段母線分別通過長度為8.580 km、 3.393 km的電纜與PCC連接,電纜單位長度線路的電阻、電抗和電納值分別為0.036 6 Ω/km、0.127 5 Ω/km、55.606 2×10-6S/km。令λ為0.95,根據(jù)無功補償優(yōu)化策略可以計算出運營初期、近期、遠期下高峰、低谷時段MSUB2處SVG所需補償?shù)臒o功功率,如表4所示。其中:Qphigh、Qplow分別為運營初期高峰、低谷時段的SVG所需補償?shù)臒o功功率;Qrhigh、Qrlow分別為運營近期高峰、低谷時段的SVG所需補償?shù)臒o功功率;Qfhigh、Qflow分別為運營遠期高峰、低谷時段的SVG所需補償?shù)臒o功功率。非運營時段PCC處的功率及功率因數(shù)估算值如表5所示。令λ為0.95,通過計算可知,非運營時段,MSUB2左、右變壓器SVG所需補償?shù)臒o功功率分別為7.19 Mvar和2.81 Mvar。

表4 高峰、低谷時段MSUB2處SVG無功功率補償量

表5 非運營時段PCC處功率及功率因數(shù)估算值

根據(jù)步驟8,同時結合表4及非運營時段MSUB2左、右變壓器SVG所需補償?shù)臒o功功率可知,在算例線路運營初期、近期、遠期,MSUB2的左變壓器35 kV側SVG所需補償?shù)臒o功功率最大值為7.19 Mvar,其右變壓器35 kV側SVG所需補償?shù)臒o功功率最大值為2.81 Mvar?？紤]10%左右的裕度,對SVG進行設備選型,則MSUB2的左、右變壓器35 kV側SVG的安裝容量分別為8.00 Mvar和3.00 Mvar。

4 結論

1) 以廣州某地鐵線路為例,對某牽混所高峰時段和低谷時段的負荷分布(初期)進行實測。基于城市軌道交通直流牽引供電仿真平臺,采用交直流交替迭代的潮流計算方法獲得該地鐵線路初期的負荷過程,并通過實測數(shù)據(jù)驗證了仿真模型的準確性。

2) 進一步對該線路近期、遠期的負荷過程進行仿真分析,提出無功補償容量設計方法。綜合考慮線路運營初期、近期和遠期運行計劃,同時根據(jù)無功功率補償需求及PCC處功率因數(shù)要求,在算例線路運營初期、近期、遠期,MSUB2的左變壓器35 kV側SVG所需補償?shù)臒o功功率最大值為7.19 Mvar,其右變壓器35 kV側SVG所需補償?shù)臒o功功率最大值為2.81 Mvar。考慮10%左右的裕度,對SVG進行設備選型,則MSUB2的左、右變壓器35 kV側SVG的安裝容量分別為8.00 Mvar和3.00 Mvar。