磁控电抗器式动态无功补偿装置在牵引变电所无功补偿中的工程应用

2022-05-18郭云飞

科学技术创新 2022年15期

郭云飞

（河南城际铁路有限公司，河南郑州 450000）

1 概述

功率因数一直是电气化铁路电能质量领域的最重要的问题之一。当功率因数较低时，一方面会严重影响牵引供电系统的供电质量，另一方面电力部门会根据牵引变电所功率因数的高低进行奖惩，因此，有必要在牵引变电所安装无功补偿治理装置来提高功率因数[1-2]。

目前国内有多种无功补偿装置在电气化铁路中得以应用，但在实际应用中各有优劣。本文分析了不同类型的无功补偿装置，重点介绍了磁控电抗器式动态无功补偿装置的原理和特点，并结合具体工程，研究了该装置在电气化铁路中的应用效果，为无功补偿装置在电气化铁路电能质量治理中的实际应用提供一定的参考。

2 电气化铁路常用的无功补偿方式

2.1 几种无功补偿方式的比较

目前多种动态无功补偿方式在我国电气化铁路领域已有运营经验，最常用的有SVG 和SVC 型动态无功补偿装置[3-4]。

SVG 型动态无功补偿装置，采用电力电子器件逆变器构成。由于需要采用大功率电力电子元件实现无功输出容量的变换，其优点是响应时间短、速度快，缺点是电力电子元件对电压电流剧烈波动十分敏感，其冷却和保护电路比较复杂，一次性投入及运营维护成本较高，且实际运行中故障发生率较高。

SVC 型动态无功补偿装装置根据调节方式的不同主要有两类：一类是以晶闸管控制电抗器的TCR 型SVC为代表，利用晶闸管相控技术控制电抗器的输入从而对输出无功进行调节；另一类是以磁控式电抗器MCR 型SVC 为代表，通过改变可控硅的触发角来改变直流励磁的大小，进而改变铁心的饱和度，达到调节无功的目的。

相较于TCR 型动态无功补偿装装置，MCR 型动态无功补偿装装置由于不需要晶闸管等大功率设备，具有占地面积小、功耗低、价格低廉等诸多优点。

2.2 MCR 型动态补偿装置

MCR 型动态无功补偿成套装置将电容器连接在电力系统中，通过调整与其并联的可控电抗器来实现调节无功功率的目的，是一种新型的静止无功补偿装置（SVC）[5-6]。当电力机车进入牵引变电所所辖范围时，固定电容器充分补充机车感性无功，磁控电抗器的容量调到最小；当电力机车驶出所辖范围后，电容器向系统倒送无功。在电力机车负荷变化过程中，磁控电抗器快速跟踪补偿剩余容性无功，从而保证功率因数稳定。其系统框图如图1。

图1 MCR 无功补偿装置系统框图

3 无功补偿装置相关参数计算

3.1 平均有功功率计算

式中，PL：平均有功功率（kW）；

Ip：供电臂平均电流（A）；

UM：牵引变电所母线额定电压（kV）；

cosφ1：补偿前-牵引变电所平均功率因数；

cosφ2：补偿后-牵引变电所平均功率因数；

3.2 无功补偿容量计算[1]

3.3 电容器安装容量计算

式中，Uch：电容器组额定电压（kV）；

3.4 经济效益计算

①根据电费收取政策，则增加补偿装置后从电费中得到的经济效益计算公式为[1]：

式中，P：用电量（103kwh）；

f1：补偿前所增收的电费系数；

f2：补偿后所减收的电费系数；

w：有功电度单价（元/103kwh）；

②无功电度的成本计算式为：

式中，S：补偿装置投资综合造价（元）；

h1：补偿装置折旧费以及维护费（元/年）；

h2：补偿装置自耗电费（元/年）。

4 工程实例

本文以某既有单线电气化铁路项目为例，对MCR型补偿装置的应用效果进行研究分析。该单线铁路每日开行8 对客货列车，机车机型为HXD 型，设计最高运行速度为160km/h。

本次研究选择其中的1 座牵引变电所作为研究对象（牵引变电所A），该牵引变电所主要技术指标如表1所示。

表1 典型牵引变电所主要技术指标

4.1 现场测试结果

通过对牵引变电所A 电度表数据的采集，得到了该所在2018 年3 月-6 月未投入动态无功补偿时的有功功率和无功功率，并计算出牵引变电所A 的月功率因数分别为0.47、0.44、0.40、0.43，具体详见表2。

表2 牵引变电所A 典型月份的功率因数

4.2 解决方案

根据现场运行情况得知，目前该线路所在地区相邻路网尚未建成，且该线路为单线，每日仅开行8 对HXD电力机车，牵引供电系统的负荷波动较大，当供电臂过车时无功为感性，无车时系统又呈容性，长时间空载给系统返送的无功量较大。因此，实际运行中系统功率因数较低，影响供电质量并造成罚款。

经研究，可以通过在牵引变电所内加装偿装置来改善电能质量，提高功率因数，降低运营成本。现场采用MCR 型动态无功补偿装置。根据公式（2）（3），对该牵引所所需无功量进行计算，得出补偿容量Q 为2234 kvar，取整为2300 kvar，电容器组安装容量为2640 kvar，取整为2800kvar。

本次设计在牵引变电所A 的27.5kV 侧两相母线分别增设两套动态无功补偿装置，主接线图如图2 所示[1，7]。

图2 无功补偿装置主接线图

4.3 应用效益分析

4.3.1 供电可靠性

牵引变电所A 在未投入动态无功补偿前，空载时由于牵引线路长，对地电容大，功率因数较小，在0.40～0.47 之间波动，从而导致电压损失增大；另一方面变压器的供电能力未得到有效利用，容量利用率较低。动态无功补偿的投入使得无功达到就地平衡，改进后功率因数提高到0.97 左右，且牵引变电所A 的动态无功补偿装置运行期间，无功功率调节可靠，系统运行稳定，使整个供电系统的有功损耗减小；电压波动减小，设备利用率增大，从而提高了供电的可靠性。

4.3.2 经济效益

功率因数的改善也带来了可观的经济效益，依据国家电网公司下达文件《功率因数调整电费办法》，牵引变电所A 适用于以0.90 为标准值的功率因数调整电费表，如图3 所示。

图3 功率因数调整电费标准

根据该办法，本工程改进前后功率因数及功率因数调整电费比较见表3。

表3 牵引变电所A 补偿前后电费情况一览表

由上表数据可得，未安装动态补偿装置前，月平均功率因数为0.45，罚款系数为0.55，补偿后，功率因数大于0.95 时，奖励系数为0.0075。牵引变电所A 未安装动态补偿装置前，月平均罚款约33 万元，一年的罚款金额为396 万。安装动态补偿装置后因功率因数提高到0.95以上，每月可获得奖励电费约4800 元，全年约5.8 万元。因投入动态补偿装置，每月消耗的（取10kW）电费约3522 元，全年约4.2 万元。每年直接经济效益约为398 万元。

该线路所在省电网110-220kV 大工业用电平段电度电价为0.587 元/kWh；无功补偿装置按300 万元/所（两套），使用寿命按20 年计，则无功补偿装置每年折旧费15 万元，每年维护费用和损耗支出共计5 万元，则折合无功补偿装置每年成本为20 万元。根据公式（4）（5）可得，本次工程无功补偿设备运行1.3 年即可收回投资，如表4 所示。