牽引變電所綜合補(bǔ)償容量確定方法①

鄒大云， 李群湛， 張麗艷， 唐開(kāi)林， 劉 黎

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院， 成都 610031)

牽引變電所綜合補(bǔ)償容量確定方法①

鄒大云， 李群湛， 張麗艷， 唐開(kāi)林， 劉 黎

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院， 成都 610031)

給出一種可調(diào)無(wú)功補(bǔ)償方案，克服了現(xiàn)有牽引變電所固定并聯(lián)電容補(bǔ)償?shù)娜毕荨；趯?shí)測(cè)數(shù)據(jù)，給出一種配置補(bǔ)償裝置補(bǔ)償容量的方法。以固定補(bǔ)償情況下功率因數(shù)最高時(shí)的補(bǔ)償容量作為補(bǔ)償裝置固定補(bǔ)償部分的容量，以可調(diào)補(bǔ)償兩臂補(bǔ)償容量理論值的95%概率大值作為可調(diào)補(bǔ)償部分的補(bǔ)償容量。并以在兩臂設(shè)置3次固定濾波器、3次可調(diào)濾波器和可調(diào)電抗器(FC3+TC3+TL)為例，通過(guò)分析其技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)效益，驗(yàn)證了該方案的優(yōu)越性和可行性。

牽引變電所； 可調(diào)補(bǔ)償； 無(wú)功； 負(fù)序； 諧波

整流型牽引負(fù)荷功率因數(shù)低，諧波含量豐富，其單相獨(dú)立性又通過(guò)牽引變電所在系統(tǒng)中產(chǎn)生負(fù)序電流，形成了交流牽引供電系統(tǒng)的三大技術(shù)課題，因此需要在牽引供電系統(tǒng)中采用新技術(shù)、新措施，以期得到綜合解決[1]。

我國(guó)現(xiàn)行的牽引變電所一般采用固定并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償，但是，由于補(bǔ)償裝置不可調(diào)，在現(xiàn)行的無(wú)功電量“返送正計(jì)”計(jì)量方式下，固定補(bǔ)償方式難以滿(mǎn)足變電所功率因數(shù)指標(biāo)要求，甚至出現(xiàn)負(fù)面影響，很多論文已經(jīng)給了驗(yàn)證[3，4]。

現(xiàn)今可調(diào)無(wú)功補(bǔ)償逐漸興起，但這些方案大多是以?xún)杀圬?fù)荷無(wú)功功率的平均值或95%概率大值來(lái)配置補(bǔ)償裝置的容量[4～6]，這樣常常使無(wú)功、負(fù)序達(dá)不到要求，因此合理配置兩臂補(bǔ)償容量變得很重要。

據(jù)此，本文給出一種可調(diào)無(wú)功補(bǔ)償補(bǔ)償容量的配置方案。以成昆線(xiàn)上某牽引變電所一天的實(shí)測(cè)運(yùn)行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種可調(diào)無(wú)功補(bǔ)償方案，并與傳統(tǒng)的配置補(bǔ)償容量的方式進(jìn)行比較。通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真，對(duì)兩種方案的技術(shù)性能進(jìn)行分析比較，驗(yàn)證了本文所給方案的有效性。

1 最佳補(bǔ)償容量的確定

1.1 功率因數(shù)最高時(shí)的補(bǔ)償容量

針對(duì)成昆線(xiàn)上某牽引變電所，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(測(cè)試儀器為西南交大制造的BDC-5型變電站電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀)對(duì)它的固定并聯(lián)電容補(bǔ)償進(jìn)行有效性評(píng)價(jià)，得到功率因數(shù)最高時(shí)對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償容量。

根據(jù)文獻(xiàn)[3，7]建立無(wú)功返送正計(jì)功率因數(shù)計(jì)算模型，由基波電壓、電流幅值和相角計(jì)算得到功率因數(shù)與安裝容量的關(guān)系曲線(xiàn)如圖1所示。

圖1 變電所功率因數(shù)與并聯(lián)電容器補(bǔ)償容量的關(guān)系Fig.1 Relationship between power factor and compensationcapacity of the parallel capacitor

功率因數(shù)最大值為0.88，對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償容量為2500 kvar。該結(jié)果說(shuō)明，固定并聯(lián)電容補(bǔ)償不能達(dá)到供電部門(mén)規(guī)定的功率因數(shù)不小于0.9的要求，需換用可調(diào)補(bǔ)償。在此補(bǔ)償容量下，牽引變電所功率因數(shù)最高，所以可考慮將此最佳補(bǔ)償容量作為補(bǔ)償裝置固定補(bǔ)償部分的補(bǔ)償容量，只需在兩臂合理分配以使負(fù)序降到最小即可。

1.2 合理分配兩臂補(bǔ)償容量

該牽引變電所的主變接線(xiàn)形式為YN，d11。a、b相供電臂固定并聯(lián)電容器組的安裝容量分別為

2400 kvar和2800 kvar。根據(jù)牽引負(fù)荷及牽引網(wǎng)電壓的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，由[1]

(1)

圖2 變電所負(fù)序電流與并聯(lián)電容器安裝容量的關(guān)系Fig.2 Relationship between negative phasecurrent and fixed capacity of the parallelcapacitor used in substation

從圖2可看出，隨著a相固定并聯(lián)電容器組容量的增加，負(fù)序電流呈上升趨勢(shì)，即當(dāng)a相安裝容量為0時(shí)，負(fù)序電流最小，為21.19 A。而現(xiàn)有的該牽引變電所a相安裝容量為2400 kvar，對(duì)應(yīng)的負(fù)序電流為23.47 A，所以現(xiàn)行固定并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置對(duì)負(fù)序補(bǔ)償不利，應(yīng)該集中滯后相補(bǔ)償。

1.3 可調(diào)補(bǔ)償補(bǔ)償容量的確定

對(duì)于YN，d11接線(xiàn)牽引變壓器，根據(jù)文獻(xiàn)[1]各供電臂可調(diào)補(bǔ)償容量可由式(2)確定。

(2)

其中：KC為無(wú)功補(bǔ)償度[8]；KN為負(fù)序補(bǔ)償度[8]，二者均可在[0，1]間取值；s1，s2為負(fù)荷容量；φ1，φ2為負(fù)荷功率因數(shù)；sa，sb，sc為各端口補(bǔ)償容量；為節(jié)約成本，通常只在a、b兩相設(shè)置補(bǔ)償裝置。

計(jì)算中設(shè)定KC，KN值，則可得每時(shí)刻a、b兩相補(bǔ)償容量的理論值，文中取a、b兩相補(bǔ)償容量的95%概率大值作為可調(diào)補(bǔ)償裝置全部投入時(shí)的補(bǔ)償容量。

2 動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)

2.1 幾個(gè)定義

(3)

定義2諧波支路的濾波率(分流率)

(4)

其中，ZSn為系統(tǒng)阻抗，ZFn為濾波器n次諧波阻抗。

定義3端口k相對(duì)無(wú)功補(bǔ)償量

(5)

式中，Q=UBB×IR為基波補(bǔ)償容量，S=UBB×I為平均牽引負(fù)荷容量，UBB為端口電壓，IR為端口基波電流，I為總牽引負(fù)荷電流。

2.2 補(bǔ)償支路參數(shù)配置

若端口的濾波支路為基波容性，則其中電容器組基波容抗為

(6)

串聯(lián)電抗器基波感抗為

(7)

(8)

2.3 補(bǔ)償支路濾波器尋優(yōu)設(shè)計(jì)程序算法

考慮到牽引變電所3次諧波含量最為豐富，本文只在兩供電臂設(shè)置3次濾波支路。算法步驟：

步驟1輸入已知數(shù)據(jù)，由綜合頻偏±δf按式(3)定t3，由式(8)定d3；

步驟4根據(jù)確定的t3、d3計(jì)算有關(guān)技術(shù)參數(shù)；

步驟5實(shí)際電容器和電抗器選擇；

步驟6必要的技術(shù)校驗(yàn)；

步驟7輸出有關(guān)參數(shù)及濾波效果技術(shù)指標(biāo)。

2.4 降壓調(diào)壓變壓器低壓側(cè)抽頭控制策略

固定補(bǔ)償始終投入運(yùn)行，參與補(bǔ)償無(wú)功與濾波。可調(diào)濾波器支路與可調(diào)電抗器支路根據(jù)實(shí)測(cè)無(wú)功的大小決定分接開(kāi)關(guān)的切換，通過(guò)晶閘管開(kāi)關(guān)的分合實(shí)現(xiàn)降壓調(diào)壓變壓器的無(wú)載調(diào)壓，從而改變可調(diào)濾波器或可調(diào)電抗器支路的功率輸出。本文根據(jù)文獻(xiàn)[7]設(shè)置降壓調(diào)壓變壓器的變比，采用非線(xiàn)性變比，5級(jí)可調(diào)。采用文獻(xiàn)[6]的控制策略對(duì)低壓側(cè)抽頭的換檔進(jìn)行控制。按照上述控制策略根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，分接開(kāi)關(guān)切換延時(shí)設(shè)為6 s。無(wú)功補(bǔ)償延時(shí)按30 s進(jìn)行仿真[9]。

3 算例仿真

3.1 補(bǔ)償裝置參數(shù)配置

該牽引變電所主變接線(xiàn)形式為YN，d11，容量為16 MVA，單臺(tái)主變壓器運(yùn)行。變電所進(jìn)線(xiàn)為110 kV，電力系統(tǒng)三相短路容量為500 MVA。變電所無(wú)功計(jì)量方式采用“返送正計(jì)”計(jì)量。變電所a相有補(bǔ)償裝置容量為2400 kvar，b相有補(bǔ)償裝置容量為2800 kvar。調(diào)諧率均為12%，電容器組額定電壓為4×10.5 kV。

負(fù)荷過(guò)程曲線(xiàn)如圖3所示。

(a) a相電流電壓實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)過(guò)程曲線(xiàn)

(b) b相電流電壓實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)過(guò)程曲線(xiàn)圖3 變電所兩供電臂電壓電流實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)過(guò)程曲線(xiàn)Fig.3 Measured voltage and current dataof two feeders in substation

為了驗(yàn)證本方法的有效性，本文以在兩臂設(shè)計(jì)3次固定濾波器，3次可調(diào)濾波器和可調(diào)電抗器(FC3+TC3+TL)為例，對(duì)兩種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較。第一種方案采用文獻(xiàn)[4，6]所給配置補(bǔ)償容量的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)；第二種方案用本文所給方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

方案1以?xún)杀蹱恳?fù)荷無(wú)功功率平均值來(lái)配置兩臂固定補(bǔ)償容量，以95%概率大值配置可調(diào)補(bǔ)償容量。設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 方案1參數(shù)列表Tab.1 Parameters of scheme 1

注：表中數(shù)據(jù)均歸算至27.5kV側(cè)。

方案2為了使補(bǔ)償無(wú)功和負(fù)序達(dá)到最佳效果，利用1.1和1.2的結(jié)果，以使兩臂固定補(bǔ)償容量之和為2500 kvar，且集中滯后相補(bǔ)償來(lái)配置補(bǔ)償裝置固定補(bǔ)償部分的參數(shù)，以1.3的結(jié)果來(lái)配置補(bǔ)償裝置可調(diào)補(bǔ)償部分的參數(shù)。為使超前相也有濾波能力，所以在超前相配置容量較小的補(bǔ)償裝置。設(shè)計(jì)參數(shù)如表2。補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

表2 方案2參數(shù)列表Tab.2 Parameters of scheme 2

注：表中數(shù)據(jù)均歸算至27.5kV側(cè)。

圖4 補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of compensation equipment

3.2 仿真結(jié)果分析

兩種方案的補(bǔ)償容量均能隨負(fù)荷動(dòng)態(tài)變化，當(dāng)牽引負(fù)荷空載或較小，機(jī)車(chē)產(chǎn)生的感性無(wú)功小于或等于固定補(bǔ)償裝置補(bǔ)償?shù)娜菪詿o(wú)功即“過(guò)補(bǔ)償”時(shí)，投入可調(diào)補(bǔ)償裝置電抗器調(diào)壓。當(dāng)牽引負(fù)荷較大，機(jī)車(chē)產(chǎn)生的感性無(wú)功大于固定無(wú)功補(bǔ)償裝置補(bǔ)償?shù)娜菪詿o(wú)功即“欠補(bǔ)償”時(shí)，分級(jí)調(diào)節(jié)并聯(lián)電容器組的端電壓，使其輸出適量的感性無(wú)功，實(shí)現(xiàn)無(wú)功大致平衡。

補(bǔ)償前后變電所功率因數(shù)、負(fù)序、諧波指標(biāo)比較如表3所示。

表3 補(bǔ)償前后技術(shù)指標(biāo)比較Tab.3 Technical specification comprison betweenwith and without compensation

由表3可看出，兩種方案補(bǔ)償后均能使功率因數(shù)達(dá)到0.9以上，滿(mǎn)足供電部門(mén)規(guī)定的不小于0.9的要求。但方案2的功率因數(shù)高于方案1，說(shuō)明按方案2的容量配置對(duì)補(bǔ)償無(wú)功有效，方案2補(bǔ)償前后無(wú)功功率曲線(xiàn)如圖5所示。

圖5 變電所補(bǔ)償前后無(wú)功功率曲線(xiàn)Fig.5 Var curves of substation with andwithout compensation

方案1補(bǔ)償后的負(fù)序電流高于補(bǔ)償前的電流，對(duì)負(fù)序補(bǔ)償無(wú)效。而方案2使負(fù)序電流由補(bǔ)償前的23.48 A下降為21.22 A，負(fù)序電壓不平衡度95%概率大值為1.81%，且滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)規(guī)定的小于2%要求， 驗(yàn)證了集中滯后相補(bǔ)償?shù)挠行浴７桨?補(bǔ)償前后兩相3次諧波電流曲線(xiàn)如圖6所示。

本文主要考慮濾除3次諧波。從表2可看出，補(bǔ)償后諧波電流減小明顯，兩種方案均有效。對(duì)方案2，最大相諧波電壓畸變率95%概率大值由補(bǔ)償前的3.46%下降到補(bǔ)償后的2.56%，低于國(guó)標(biāo)限值，對(duì)濾波有較好的作用。

文獻(xiàn)[1，6]給出了綜合補(bǔ)償經(jīng)濟(jì)效益的評(píng)價(jià)方法，在本文中由表1和表2可知，兩種方案所用設(shè)備大體相同，只是方案2中補(bǔ)償支路電容器組安裝容量比方案1少，即固定成本將比方案1略低；另外，由于方案2補(bǔ)償后功率因數(shù)高于方案1，即由功率因數(shù)提高所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益方案2也比方案1高。

(a) a相3次諧波電流

(b) b相3次諧波電流圖6 濾波前后a,b兩相3次諧波電流曲線(xiàn)Fig.6 Third harmonic current curves of phase a andphase b with and without filtering

4 結(jié)語(yǔ)

本文給出了一種配置補(bǔ)償裝置固定和可調(diào)補(bǔ)償部分補(bǔ)償容量的方法。以在兩臂設(shè)置3次固定濾波器+3次可調(diào)濾波器+可調(diào)電抗器(FC3+TC3+TL)為例，對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明能使無(wú)功、負(fù)序、諧波達(dá)到要求，實(shí)現(xiàn)了綜合治理無(wú)功、負(fù)序、諧波的目的。

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MethodoftheDeterminationofComprehensiveCompensationinTractionSubstation

ZOU Da-yun， LI Qun-zhan， ZHANG Li-yan， TANG Kai-lin， LIU Li

(School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

An adjustable reactive power compensation scheme was proposed in this paper to overcome the defect of the fixed parallel capacitor compensation used in traction substation. Based on measured data, a method to deploy the compensation capacity of compensation equipment was given. The compensation capacity when the power factor arriving the maximum in deploying is used as the fixed compensation part of adjustable compensation devices. Taking the 95% maximum probability theoretical value of two phases when adjustable compensation as the adjustable compensation part. A compensation scheme simulation of the third fixed filter, the third adjustable filter and adjustable reactors(FC3+TC3+TL)set in two phases is designed, and validates its effectiveness and feasibility by technical and economic analysis.

traction substation； adjustable compensation； reactive power； negative sequence； harmonic

2009-11-06

2010-04-06

“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2007BAA12B05)

TM631

A

1003-8930(2011)02-0013-05

鄒大云(1986-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姎饣F路綜合補(bǔ)償及諧波抑制。Email:zoudayun1986630@163.com

李群湛(1957-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闋恳╇娤到y(tǒng)供電理論、電能質(zhì)量與控制。Email:lqz3431@263.net

張麗艷(1979-)，女，講師，博士，研究方向?yàn)殡姎饣F路無(wú)功及諧波控制、電能質(zhì)量預(yù)測(cè)。Email:xphfy@home.swjtu.edu.cn