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(shè)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(xué)電氣工程學(xué)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(dǎo)致系統(tǒng)功率因數(shù)有所降低,進(jìn)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(jìn)行無功補償。由于集中式補償?shù)脑O(shè)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(jìn)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(shù)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(shù)。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(xiàn)[1]根據(jù)主所進(jìn)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(xiàn)[2]研究了SVG控制策略,并通過試驗加以驗證。文獻(xiàn)[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(xiàn)[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(jìn)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(dāng)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(shè)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(jìn)行分析,掌握其負(fù)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(jié)合列車實際運行計劃對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行還原。最后,基于該線路的近期、遠(yuǎn)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(jìn)行設(shè)計。本研究可為集中式補償方案下地鐵線路的SVG容量設(shè)計提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 廣州地鐵負(fù)荷分布實測分析

測試線路全長26 km,共設(shè)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(jié)構(gòu)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(jìn)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(jìn)行現(xiàn)場測試,在整流機組整流變壓器33 kV側(cè)安裝電流傳感器,在33 kV交流母線側(cè)安裝電壓傳感器,同步監(jiān)測整流機組負(fù)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(fù)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(fù)荷波動均具有一定的周期性;其無功負(fù)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(fù)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(fù)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(gòu)建出相應(yīng)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(jìn)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(jié)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(fù)荷過程波形走勢基本一致,此結(jié)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(shè)計方法

考慮測試線路近期、遠(yuǎn)期行車計劃,對該線路分時期進(jìn)行供電仿真,并基于仿真結(jié)果優(yōu)化MSUB2 35 kV側(cè)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(dá)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(dāng)?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(fù)荷負(fù)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(cè)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(jìn)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(jìn)線電纜的長度。

步驟5 根據(jù)步驟2—步驟4的計算結(jié)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(dāng)?shù)罔F供電系統(tǒng)處于運營近期時,重復(fù)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(dāng)?shù)罔F供電系統(tǒng)處于運營遠(yuǎn)期時,重復(fù)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(jìn)行設(shè)備選型,給出最終的SVG安裝容量設(shè)計方案。

根據(jù)以上步驟并結(jié)合具體參數(shù)可以獲得該線路運營初期、近期和遠(yuǎn)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(cè)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(cè)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(yuǎn)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(cè)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(yuǎn)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(yuǎn)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(jié)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(yuǎn)期,MSUB2的左變壓器35 kV側(cè)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(cè)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(jìn)行設(shè)備選型,則MSUB2的左、右變壓器35 kV側(cè)SVG的安裝容量分別為8.00 Mvar和3.00 Mvar。

4 結(jié)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(fù)荷分布(初期)進(jìn)行實測?；诔鞘熊壍澜煌ㄖ绷鳡恳╇姺抡嫫脚_,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(fù)荷過程,并通過實測數(shù)據(jù)驗證了仿真模型的準(zhǔn)確性。

2) 進(jìn)一步對該線路近期、遠(yuǎn)期的負(fù)荷過程進(jìn)行仿真分析,提出無功補償容量設(shè)計方法。綜合考慮線路運營初期、近期和遠(yuǎn)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(yuǎn)期,MSUB2的左變壓器35 kV側(cè)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(cè)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(jìn)行設(shè)備選型,則MSUB2的左、右變壓器35 kV側(cè)SVG的安裝容量分別為8.00 Mvar和3.00 Mvar。