利用雙向變流裝置的分布式無功補償系統(tǒng)方案研究

向 往 廖 鈞

(中鐵二院工程集團有限責任公司,成都 610031)

目前，國內城市軌道交通工程供電系統(tǒng)典型無功補償方案為：(1)中高壓系統(tǒng)采用集中補償方式，即在主變電所或電源開閉所設置中壓無功補償裝置，中壓無功補償裝置采用靜止無功發(fā)生器(SVG)或SVG+并聯電抗器，前者由SVG承擔滿足考核點電能質量要求的諧波治理和無功補償；后者由SVG承擔諧波治理和城市軌道交通工程內部中壓系統(tǒng)的無功補償，由并聯電抗器承擔外部電源線路的無功補償；(2)在各車站、車場降壓變電所的0.4 kV側集中設置低壓無功補償裝置，低壓無功補償裝置通常采用有源濾波裝置(APF)，承擔低壓配電系統(tǒng)中的無功補償和諧波治理；(3)對于功率因數不高的低壓用電設備，采用自備就地無功補償裝置[1-2]。

傳統(tǒng)中壓系統(tǒng)無功補償方案依賴于設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考核要求，但未實現中壓系統(tǒng)無功功率的就地平衡，增加了電壓損失及(有功和無功)功率損耗，節(jié)能效益不佳，且SVG的發(fā)熱及噪聲問題明顯。

實現中壓系統(tǒng)無功功率就地平衡的理想方法是采用分散補償方式。分散補償方式是針對中壓系統(tǒng)部分節(jié)點的無功平衡，適用于負荷分散的情況，在配電網、鐵路電力供配電系統(tǒng)應用廣泛[3-4]。分散補償方式便于實現中壓系統(tǒng)內部無功功率的分區(qū)控制、分區(qū)平衡，減少中壓供電網絡線路的有功損耗和電壓損失，提高供電半徑，經濟效益好，但對于外部電源補償需用量較大的情況，一般不能替代集中補償方式，且由于無功補償裝置需分散安裝，增加了車站(或車場)變電所的電氣和土建投資，不便于運營維護與管理。

本文以國內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)無功補償優(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)和動力照明配電系統(tǒng)共用35 kV供電網絡。牽引供電系統(tǒng)采用DC1500 V架空接觸網供電、走行鋼軌回流方式。

(2)全線共設置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約0.7 km，電纜截面為240 mm2。功率因數考核點設置在公共連接點(PCC)。

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

1.2 無功負荷和無功電源分析

根據供電系統(tǒng)構成，無功負荷主要來自牽引負荷、動力照明負荷、變壓器(變流變壓器、配電變壓器)及電力電纜的無功損耗，無功電源主要來自電力電纜的充電無功功率。

(1)牽引負荷

根據雙向變流器低壓側電壓幅值、相位可控的特點，理論上牽引負荷功率因數可接近于1。

(2)動力照明負荷

動力照明負荷涉及多個用電設備，總功率因數與各用電設備的負荷大小和設備自身功率因數有關。

(3)變壓器及電力電纜的無功損耗

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

變壓器的無功損耗可按式(1)進行計算。

(1)

式中：ΔQT——變壓器中的無功損耗(kvar)；

I0%——變壓器空載電流百分數；

uk%——變壓器阻抗電壓百分數；

Sc——變壓器計算負荷(kVA)；

Sr——變壓器額定容量(kVA)。

電力電纜線路的無功損耗可按式(2)計算。

(2)

式中：QL——三相線路中無功損耗(kvar)；

Ic——計算相電流(A)；

x——線路單位長度的交流電抗(Ω/km)；

l——線路計算長度(km)。

(4)電力電纜線路的充電無功功率

中壓供電環(huán)網電力電纜及低壓電力電纜都能提供充電無功功率，按式(3)進行計算。

(3)

式中：QC——線路充電無功功率(kvar)；

ω——角速度(rad/s)；

C0——線路單位長度等效電容(F/km)；

Un——系統(tǒng)標稱電壓(kV)；

l——線路計算長度(km)。

1.3 原中壓系統(tǒng)無功補償方案

(1)中壓系統(tǒng)采用在電源開閉所設置SVG的集中無功補償方案，結合供電系統(tǒng)內部和外部電源線路，經估算，需設置2×2 Mvar的SVG容量。

(2)每套SVG由1臺隔離變壓器和1臺電壓源換流器組成；2套SVG分別通過斷路器接于不同段35 kV母線。2臺隔離變壓器分別設置于獨立的隔離變壓器室內，2臺電壓源換流器設置于1間無功補償裝置室內。

2 雙向變流裝置的無功補償功能

雙向變流器屬于高功率因數整流器(又稱“單位功率因數整流器”)，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、幾乎不產生諧波的特性可從根本上提高系統(tǒng)自然功率因數，減少電網“諧波污染”，改進整流器自身性能[5-6]。

雙向變流器實質上是四象限運行的PWM整流器，除了可以運行于整流、逆變、感性無功功補償和容性無功補償4個特殊的工作狀態(tài)點外，還可以運行于整流兼感性無功補償、整流兼容性無功補償、逆變兼感性無功補償、逆變兼容性無功補償4種疊加工作狀態(tài)[5]。在無功補償方面，雙向變流裝置與SVG技術同源，具備感性無功和容性無功雙向補償功能，且具有響應速度快、自身諧波含量小等優(yōu)點，可滿足實際應用需求。同時可根據系統(tǒng)需求進行更為靈活和有針對性的無功補償方案設計，實現系統(tǒng)的無功功率優(yōu)化。

3 分布式無功補償

近年來，得益于SVC、SVG等動態(tài)無功補償技術的成熟，分布式無功補償方案在智能配電網和分布式發(fā)電領域正日漸興起，成為一種先進的系統(tǒng)動態(tài)分散補償技術。[7]分布式無功補償方案可根據控制目標自動調節(jié)系統(tǒng)各節(jié)點的無功補償容量。不僅可提高中壓系統(tǒng)內部各節(jié)點功率因數，改善電壓損失，實現中壓系統(tǒng)內部無功功率的分區(qū)控制、分區(qū)平衡，減少中壓供電網絡線路有功損耗，提升經濟效益，還可減少無功功率在中壓系統(tǒng)節(jié)點間的傳輸，減少集中補償需用量。

當功率因數考核點設置在PCC時，利用靠近考核點無功補償裝置的富余能力，在一定條件下，可取消集中補償，系統(tǒng)接線如圖2所示。

圖2 取消集中補償的系統(tǒng)接線示意圖

忽略變壓器和電力電纜線路的無功損耗，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)標稱電壓(kV)；

lS——外部電源線路計算長度(km)；

C0.S——外部電源線路單位長度等效電容(F/km)；

Un.P——中壓供電網絡系統(tǒng)標稱電壓(kV)；

li——除外部電源線路外，考核點至無功補償裝置安裝位置第i段中壓供電網絡線路的計算長度(km)；

C0.i——除外部電源線路外，考核點至無功補償裝置安裝位置第i段中壓供電網絡線路的單位長度等效電容(F/km)；

Pc——考核點最大負荷有功功率(kW)；

tanφ1——考核點最大負荷功率因數角正切值；

tanφ2——考核點要求達到的功率因數角正切值；

QC.j——靠近考核點第j臺無功補償裝置的容性無功補償剩余容量(kvar)；

QL.j——靠近考核點第j臺無功補償裝置的感性無功補償剩余容量(kvar)。

4 中壓系統(tǒng)節(jié)點功率因數和綜合有功損耗

4.1 中壓系統(tǒng)節(jié)點功率因數

在無功補償前，通過對遠期不同行車對數和非運行時段工況進行模擬計算，本文僅列舉35 kV Ⅱ段各節(jié)點功率因數，如圖2所示。

圖2的模擬計算結果表明，中壓系統(tǒng)內部無功功率平衡狀況與牽引負荷輕重有關，僅當牽引負荷適中時，中壓系統(tǒng)內部的無功功率接近自然平衡；在其他時段，均需采用無功補償措施來改善中壓系統(tǒng)內部的無功功率平衡。本文提出利用雙向變流裝置的工作特性和分散安裝條件，實現中壓系統(tǒng)內部的無功功率平衡，提高中壓系統(tǒng)各節(jié)點功率因數。

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、電力電纜線路產生有功損耗。

變壓器有的功損耗可按式(5)計算。

圖3 中壓系統(tǒng)節(jié)點功率因數圖

(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——變壓器負載有功損耗(kW)；

Sc——變壓器計算負荷(kVA)；

Sr——變壓器額定容量(kVA)。

電力電纜線路的有功損耗可按(6)計算。

(6)

式中：ΔPL——三相線路中無功損耗(kW)；

Ic——計算相電流(A)；

r——線路單位長度的交流電阻(Ω/km)；

l——線路計算長度(km)。

配電變壓器的有功損耗相對固定。雙向變流裝置的無功補償作用使電力電纜線路的負載電流和有功損耗減少、變流變壓器的負載電流增大、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)補償、就地平衡為原則。

(2)以滿足電力部門考核功率因數要求為前提，并且不向電力系統(tǒng)倒送無功功率(過補償)：在運行時段，功率因數≥0.95(滯后)，在非運行時段，功率因數≤0.95(滯后)[8]。

(3)盡量減少中壓系統(tǒng)內部綜合有功損耗。

5.2 補償策略構思

在滿足PCC總功率因數考核要求的前提下，按照分布式無功補償的不同控制目標，本文提出兩種策略。

(1)局部補償策略

分布式無功補償從局部角度出發(fā)，以各套雙向變流裝置所在35 kV母線均達到目標功率因數為控制目標。

(2)全局補償策略

分布式無功補償從全局角度出發(fā)，以減少中壓系統(tǒng)綜合有功損耗為控制目標。全局補償策略可有多種規(guī)則，其中一個較簡單的規(guī)則是：從中壓系統(tǒng)末端節(jié)點開始，順次判斷相應節(jié)點是否需要進行無功補償。假設使該節(jié)點位置的雙向變流裝置所在35 kV母線達到目標功率因數，若該節(jié)點位置的雙向變流裝置的無功補償出力將不會引起中壓系統(tǒng)的綜合有功損耗增加，則該節(jié)點位置的雙向變流裝置進行無功補償；反之，則該節(jié)點位置的雙向變流裝置不進行無功補償。此后再判斷倒數第二個節(jié)點位置是否需要進行無功補償，并以此類推。

5.3 補償策略初步分析

根據牽引供電系統(tǒng)模擬計算結果，對遠期、非運行時段中壓系統(tǒng)分別采用SVG集中補償方案、局部分布式補償方案和全局分布式補償方案的節(jié)能效果進行了估算，分別如表1、表2所示。

表1 三種無功補償方案節(jié)能效果對比表(遠期)

表2 三種無功補償方案節(jié)能效果對比表(非運行時段)

表1、表2的模擬計算結果表明，中壓系統(tǒng)采用雙向變流裝置的分布式無功補償可滿足電力部門對PCC總功率因數的考核要求，且不向電力系統(tǒng)倒送無功功率(過補償)，可替代采用SVG集中補償。

按照“無功功率就地平衡”的思路，局部分布式無功補償是無功補償的最理想方案[6]，對系統(tǒng)參數不敏感，不需要多套雙向變流裝置協(xié)同工作，實現方法簡單，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功補償出力將影響其視在功率，使其負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。

全局分布式無功補償方案存在對系統(tǒng)參數較敏感、需要全線的雙向變流裝置協(xié)同工作、實現方法較復雜等缺點，但從全局角度出發(fā)，能夠減少中壓系統(tǒng)綜合有功損耗，經濟效益更優(yōu)。

5.4 無功補償容量

根據牽引供電系統(tǒng)模擬計算結果，按照滿足PCC總功率因數考核要求，對遠期高峰時段、非運行時段(動力照明用電低谷)的無功補償需用量和雙向變流裝置需用容量進行了估算，結果如表3、表4所示。

表3 無功補償需用量估算表(遠期高峰時段)

表4 無功補償需用量估算表(非運行時段)

表3、表4模擬計算結果表明，雙向變流裝置容量滿足整流兼無功補償(或逆變兼無功補償)的工作要求。

5.5 方案對比

(1)電能質量

根據牽引供電系統(tǒng)模擬計算結果，對遠期高峰時段中壓系統(tǒng)采用SVG的集中無功補償后與采用局部分布式補償后的中壓網絡累計電壓損失進行了對比，結果如表5所示。

表5 中壓網絡累計電壓損失對比表

從表5可以看出，采用全局分布式補償方案僅在部分節(jié)點進行無功補償，其中壓供電網絡電壓損失介于SVG集中補償方案與局部分布式補償方案之間。中壓系統(tǒng)采用分布式無功補償方案后，能進一步降低中壓供電網絡的電壓損失。

(2)建設成本

分布式無功補償方案替代SVG集中無功補償方案后，可減少2套SVG、2面40.5 kV GIS開關柜、2套35 kV電流保護裝置及相關設備之間的連接電纜，并能取消隔離變壓器室、無功補償裝置室配套的通風、動力照明等機電設施，合計節(jié)約建設成本約450萬元。

(3)運營成本

分布式無功補償方案替代SVG集中無功補償方案后，完全消除了SVG的有功損耗，在無功補償方面可付出更小的有功“代價”，并減少了中壓供電網絡電力電纜線路的有功損耗。運營各期節(jié)省的用電量估算如表6所示。

表6 運營各期兩種分布式補償方案全年節(jié)能表

以30 a運營期估算，當分布式無功補償采用局部補償策略時，節(jié)省電費約250萬元；當分布式無功補償采用全局補償策略時，節(jié)省電費約265萬元，節(jié)能效果提升約5%。

(4)其他

目前，國內SVG大多采用強迫風冷散熱方式，存在設備用房排熱量大、裝置噪聲大等缺點。分布式無功補償方案替代SVG集中無功補償方案將有助于創(chuàng)造更良好的運營環(huán)境。

6 結論與展望

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，結合城市軌道交通運行特點，制定了分布式無功補償系統(tǒng)方案，研究得出以下主要結論：

(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功補償方案可滿足電力部門功率因數考核要求，且雙向變流裝置的無功補償出力較小，不影響其設備安裝容量選擇。

(2)利用雙向變流裝置進行分布式無功補償可減少集中補償需用量，在一定條件下，甚至可取消集中補償，在電能質量、建設成本、運營成本、運營環(huán)境等方面均優(yōu)于僅采用集中無功補償方案。

(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特性及逆變功能外，還可采用分布式無功補償方案挖掘系統(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，實現經濟效益最大化。

無功功率優(yōu)化問題是一個多變量、多約束的混合非線性規(guī)劃問題，因此，適用于城市軌道交通工程供電系統(tǒng)的分布式無功補償策略還有待進一步優(yōu)化和完善。