提高磁浮交通供電系統功率因數的措施

閆功勝

(上海磁浮交通發展有限公司,201204,上海//工程師)

提高磁浮交通供電系統功率因數的措施

閆功勝

(上海磁浮交通發展有限公司,201204,上海//工程師)

針對上海高速磁浮交通供電系統的濾波、無功補償設計的特點,分析了供電系統功率因數較低的原因,提出了提高功率因數的技術措施,并分析了該措施的技術、經濟效益。最后給出了改進濾波、補償系統設計的建議。

高速磁浮交通供電系統; 濾波器; 補償器; 功率因數

1 現有濾波及無功補償設計

磁浮列車載客運行時,起動、制動及停止頻繁。這決定了其牽引系統需面對沖擊性的大功率負荷。頻繁的功率沖擊會影響整個供電系統的電壓。磁浮供電系統的主變壓器為有載調壓變壓器。列車在起動期間,功率因數很低,故沖擊性無功功率會使供電系統的電壓發生劇烈波動。在這種情況下,主變壓器的分接頭將會頻繁動作。另外,牽引系統的變流器是系統中主要的諧波源。

為了穩定供電系統的電壓，提高功率因數,并減少供電系統注入電網的諧波,上海磁浮列車示范運營線(以下簡為“上海磁浮線”)供電系統設計的無功補償器及濾波器,同牽引變流器并聯在20 kV母線上。其供電系統設計了2座主變電站及2座牽引變電站。主變電站內配置2臺110 kV/20 kV有載調壓變壓器,對應的2段20 kV母線在就近的牽引變電站內。濾波器在諧波抑制的同時還可兼顧無功補償及調壓的需要。在每段20 kV母線上配置5次、7次及11次諧波濾波器,其容量分別為1.023 MVar、1 MVar及4 MVar,總容量約為6 MVar。補償器采用IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)動態補償,在每段20 kV母線上配置10個功率補償單元,其總調節容量為±6 MVar。每段20 kV母線的濾波及無功補償配置見圖1。

圖1 每段20 kV母線上的濾波及無功補償配置示意圖

2 濾波及無功補償裝置存在的問題

濾波器及無功補償器可使系統的諧波達標，而且能較好地穩定系統電壓。在磁浮列車運行的過程中,濾波器及無功補償器能提供0～12 MVar的無功功率。通過實際的測試數據可以看出,補償容量遠大于列車運行實際需要的無功,即目前上海磁浮線正處于過補償狀態。另外,牽引變流器僅在牽引列車時產生諧波與無功電流。因而在列車非運行期間的系統無功過補償狀態更為明顯。由于濾波器產生的無功需由補償器來抵消,故補償器常處于滿負荷運行的狀態。系統無功過補償的狀況帶來如下問題:

(1) 增加了電能消耗。沒有列車運行時,補償器處于滿負荷運行狀態,其電能消耗較浪費。該項損耗約為動態補償容量的4%。

(2) 系統可靠性低。由于補償器大部分時間在滿負荷甚至超負荷運行,故補償器的功率模塊故障率很高,導致設備可靠性降低。

(3) 供電系統功率因數低。由于系統為無功過補償狀態,故當較多的補償器因故障退出運行后，這種情況更為嚴重。供電系統向電網補償過多的無功功率導致供電系統的功率因數很低。

(4) 主變分接頭動作頻繁。系統過無功補償狀態使母線電壓較高。這會造成主變分接頭動作頻繁,從而影響設備的壽命及主變油的品質。

(5) 增加運營成本。由于電能損耗增加,而且系統功率因數低于電網公司的要求。這樣不僅增加了電費支出,而且每個月還會遭受電網公司高額的電費罰款。

3 提高功率因數的措施

如果能改變供電系統無功過補償的狀態,使其與電網之間的無功交換減少,就能解決功率因數較低及母線電壓不穩所導致的主變電站分接頭動作頻繁問題。為此,本文基于補償器因故障而有較多單元退運的情況,提議適當減少濾波器運行的容量——將2個牽引變電所內3段20 kV母線(帶有少于10個單元補償器)上的5次、7次濾波器解開,僅保留11次濾波器的運行。其中，由于浦東機場主變電站(以下簡為“PD變”)B段20 kV母線上帶有滿容量的補償器,且其功率因數較高,故不作調整。解開上述2個濾波器后,無功補償總容量為10 MVar,仍滿足系統無功補償的需要。此時需檢驗調整濾波器運行方式之后的濾波要求是否能得到滿足。為了驗證措施的可行性,進行了相應的試驗。試驗中,列車均以430 km/h的速度運行。

3.1 方案一

方案一將PD變B段20 kV母線段上的補償器及濾波器均退運,則以該段母線所帶的變流器驅動磁浮列車的運行來測試各項電能質量參數。測點位于PD變B段110 kV進線處。測試結果見表1。其中，電壓總畸變率限值為2.000%，而實測值為3.726%。

表1 采用方案一時的電能質量參數

由測試結果可知，試驗運行的供電系統功率因數很低,測得的電網側(110 kV進線側)的電壓畸變率超標，11次濾波器與13次濾波器的諧波電壓超標,諧波電流達標。

3.2 方案二

方案二將PD變B段20 kV母線段上的補償器全部投運，濾波器全部退運,然后運行列車來測試各項電能質量參數。測點位于PD變B段110 kV進線處。測試得到數據見表2。其中，電壓總畸變率限值為2.00%，而實測值為3.726%。

表2 采用方案二時的電能質量參數

由測試結果可見，該試驗中電網側(110 kV進線側)的電壓畸變率超標，11次濾波器與13次濾波器的諧波電壓超標,諧波電流達標,而電壓和功率因數滿足要求。

3.3 方案三

方案三將該母線上補償器投運一半,而濾波器全部投運,然后運行列車來測試各項電能質量參數。測點位于PD變B段110 kV進線處。測試結果見表3。其中，電壓總畸變率限值為2.000%，而實測值為1.309%。此方案下，如短路容量有變化,則諧波電流限值也變化。

由測試結果可見，電網側(110 kN進線側)的電壓畸變率、諧波電壓及諧波電流等參數均滿足國家標準要求。

3.4 方案四

方案四將PD變B段20 kV母線上的補償器投運一半,而濾波器全停運,然后運行列車來測試各項電能質量參數。測點位于PD變B段110 kV進線處。得到測試數據見表4。其中，電壓總畸變率限值為2.000%，而實值為3.726%。

表4 采用方案四時的電能質量參數

由測試結果可見,方案四中電網側的電壓畸變率及諧波電壓、諧波電流等參數均比方案三有所增大,但仍能滿足國家標準要求。

3.5 綜合比較

綜合來看,當PD變B段20 kV母線段上補償器不足10個單元時,可解開該段上的5次濾波器及7次濾波器，保留11次濾波器。這一措施從理論上具備可行性，不僅能滿足無功補償的需要,而且還能滿足濾波的要求。

4 措施的技術及經濟效益分析

根據上述試驗，在某月4日夜間列車運行結束后,解開了1段母線上的5次、7次濾波器;在當月10日夜間列車運行結束后,同樣解開了另外2段母線上的5次、7次濾波器。之后,進行了1次24 h的電能質量參數測試。測點位于龍陽變點站(以下簡為“LY變”)B段110 kV進線處。測試結果見表5。其中電壓總畸變率限值為2.000%，實測值為1.970%。

表5 24 h電能質量參數

從測試數據可以看出，在調整濾波器運行方式之后,電網側的諧波電壓及諧波電流含量均符合標準,總的電壓畸變率也符合標準。通過觀察發現,電氣設備的運行安全穩定。可見，測試數據及設備運行都驗證了該措施的技術可行性及可靠性。

該方案執行后,供電系統的功率因數明顯提高,主變電所分解頭每天的動作次數顯著減少。主變電所分接頭動作次數的顯著下降，可延長設備壽命,減少滅弧次數，延長主變電所中變壓器油的使用壽命。濾波器運行容量的降低使母線的有功消耗降低,節約了電費支出。而提高后的功率因數滿足了電網公司的要求，避免了高額罰款。濾波器運行容量的降低也可使母線的有功消耗降低,進一步節約電費。具體技術經濟效益見表6。

從表6可以看出，調整濾波器的運行方式后,電費罰款減少額度約為29萬元;電費支出金額減少約70萬元。即當月電費罰款及電費支出共節省約為99萬元。

5 濾波及無功補償設計改進

從設計角度可對供電系統的濾波及無功補償進行如下改進:

(1) 在既有系統設計的基礎上,改變無功過補償的狀態。在滿足濾波及無功補償的基礎上,對設備容量配置上進行優化,適當降低濾波器的容量,或者適當提高動態補償器的容量,改變無功過補償的狀態。

(2) 改變既有系統的設計方式。可不用FC(Filter Compensatior)濾波器加動態補償器的方式,而采用有源濾波器(APF)。此時，需結合磁浮列車的運行特點,來考慮APF的過載能力。

表6 調整濾波器運行方式后的技術經濟效益數據

6 結語

分析了上海磁浮列車示范運營線供電系統濾波及無功補償的設計特點,及其在運行中的問題,并從運行角度提出了提高供電系統功率因數的措施——解開5次、7次濾波器、保留11次濾波器運行。該方案經試驗證實在技術上可行可靠,且具有良好的技術經濟效益。

此外，還從設計角度提出了改進建議——在原設計方案基礎上需優化容量配置，進而改變過補償的狀況；或者采用新的APF方案。

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Measure to Raise Power Factors of Maglev Transportation Power Supply System

YAN Gongsheng

According to the designing of harmonic restraining and reactive power compensation, the low power factors of power supply system in high-speed maglev transportation are analysed, the measures to raise power factors are proposed, the technical and economical benefits of which are analysed. Finally, advices for optimizing the harmonic restraining and reactive power compensation are put forward.

power supply system of high-speed maglev transportation; filter; compensator; power factor

Shanghai Maglev Transportation Development Co.,Ltd., 201204, Shanghai,China

U 237.8

10.16037/j.1007-869x.2017.03.016

2015-05-21)