地铁无功功率补偿优化策略

李立颖 王洪杰 何治新 邹大云 解 凯 金海奇 曾佳欣 张 戬

(1.广州地铁设计研究院股份有限公司, 510010, 广州; 2.南京南瑞继保电气有限公司, 211102, 南京; 3.西南交通大学电气工程学院, 610031, 成都∥第一作者, 高级工程师)

在地铁线路运营的高峰时段,列车的整流机组等装置会产生大量的感性无功功率,供电系统的功率因数可以超过0.9,而在非高峰时段或夜间休车时段,由电缆产生的容性无功功率占比将会提高,导致系统功率因数有所降低,进而出现无功返送的现象,影响电能质量。根据《功率因数调整电费办法》的规定,功率因数低于0.9的用户将会面临处罚。因此,对于地铁无功补偿的研究是非常必要的。

地铁牵引供电系统的无功补偿方案分为集中式补偿、分区集中式补偿及分布式补偿。集中式补偿常在主变电站附近安装无功补偿装置,从而对整个系统进行无功补偿。由于集中式补偿的设备投入和占地面积均较少,其投资金额在3种补偿方案中最小,因此本文以集中式补偿方案为例进行研究。

无功补偿装置主要包括固定电容、SVG(静止无功发生器)、磁控电抗器、逆变回馈装置和有源滤波装置等。SVG技术具有感性容性双补偿、连续调节、谐波含量低、占地面积小和功耗低等优点,是目前主流的无功补偿技术。在地铁供电系统中,SVG连接在主变电所35 kV或33 kV的中压母线上。

文献[1]根据主所进线处的实测数据计算了PCC(公共连接点)处的功率因数,并评估了SVG安装容量。文献[2]研究了SVG控制策略,并通过试验加以验证。文献[3]研究了双向变流器分布式补偿策略,并计算了工程实例中无功补偿所需容量。文献[4]研究了基于逆变回馈装置的城市轨道交通无功补偿策略,利用逆变回馈装置在城市轨道交通非运营时段进行分布式无功补偿,以减少集中式无功补偿装置的安装容量,节省系统投资成本。上述研究对地铁当前运营阶段的无功补偿定容研究较多,但并未综合考虑地铁在不同运行时段及运营时期的无功补偿容量设计。

本文以广州地铁某运营线路为例,分别对其运营初期高峰和低谷时段的某牵引降压混合变电所(以下简称“牵混所”)运行实测数据进行分析,掌握其负荷分布情况。然后,基于城市轨道交通直流牵引供电仿真平台,结合列车实际运行计划对实测数据进行还原。最后,基于该线路的近期、远期行车计划,提出无功补偿优化策略,对其中一座主变电所的SVG容量配置方案进行设计。本研究可为集中式补偿方案下地铁线路的SVG容量设计提供技术指导。

1 广州地铁负荷分布实测分析

测试线路全长26 km,共设置3座主变电所,27个牵混所,采用直流1 500 V架空接触网授流,钢轨回流。该线路全天采用的发车间隔为525 s,其简化供电系统结构图如图1所示。其中,主变电所MSUB2通过牵混所TS4-1分别引出两条电缆对支路运营线路进行供电。

注:TSi-j表示该线路中第i个供电分区的第j个牵混所;MSUBx表示该线路中第x座主变电所。

对牵混所TS4-1进行现场测试,在整流机组整流变压器33 kV侧安装电流传感器,在33 kV交流母线侧安装电压传感器,同步监测整流机组负荷过程。牵混所TS4-1监测点位置如图2所示。牵混所TS4-1处高峰及低谷时段的整流变压器负荷过程如图3所示。由图3可知:牵混所TS4-1高峰及低谷时段的负荷波动均具有一定的周期性;其无功负荷在低谷时段波动更为剧烈,这是因为低谷时段的感性牵引负荷较小,电缆发出的容性无功功率占比较大。

图2 牵混所TS4-1监测点位置

a) 高峰时段有功功率负荷过程

2 基于交直流交替迭代方法的无功补偿仿真模型

测试线路列车为6节编组,4动2拖,B型车。列车质量为219.44 t,列车长度为100 m,最高运行速度为120 km/h。根据列车的取流特性曲线可在城市轨道交通直流牵引供电仿真平台中构建出相应的地铁列车仿真模型。

地铁交直流潮流交替迭代流程图如图4所示。若牵混所中装有逆变回馈装置,在调整牵混所工作状态时,为提高计算收敛性,可以采用基于滞环比较的牵引变电所状态确定方法[5]。基于以上计算流程,根据该地铁线路运营初期高峰时段(07:30—08:30)及低谷时段(20:30—21:30)多列车运行图,对测试线路进行供电仿真,牵混所TS4-1处高峰及低谷时段整流变压器仿真结果如图5所示。由图5可知,牵混所TS4-1处高峰时段及低谷时段负荷过程波形走势基本一致,此结果验证了本文算法的有效性。

注:t为仿真时间;T0为仿真时长。

a) 高峰时段

3 无功补偿容量设计方法

考虑测试线路近期、远期行车计划,对该线路分时期进行供电仿真,并基于仿真结果优化MSUB2 35 kV侧左、右段母线SVG的安装容量,使其在满足无功补偿需求且PCC处功率因数达到要求的前提下,SVG的安装容量最小。

具体的无功补偿策略为:

步骤1 当地铁供电系统处于运营初期时,高峰小时列车运行对数为H1,低谷小时列车运行对数为H2,非运行时段列车运行对数为H0,其值为0。令车站动力负荷负载率为L。在H1行车组织模式下,通过交直流潮流交替迭代可求得MSUB2左、右主变压器110 kV侧的有功功率P110,i,L、P110,i,R和无功功率Q110,i,L、Q110,i,R。根据110 kV进线电缆等值模型可以推算PCC处的左、右段母线有功功率PPCC,i,L、PPCC,i,R和无功功率QPCC,i,L、QPCC,i,R。主变电所至PCC处的功率分布示意图如图6所示。

注:dc110为110 kV进线电缆的长度。

步骤5 根据步骤2—步骤4的计算结果,取无功功率的最大绝对值作为运营初期SVG需要补偿的无功功率。

步骤6 当地铁供电系统处于运营近期时,重复步骤1—步骤5,计算出该运营时期下,SVG装置需要补偿的无功功率。

步骤7 当地铁供电系统处于运营远期时,重复步骤1—步骤5,计算出该运营时期下,SVG装置需要补偿的无功功率。

步骤8 综合对比由步骤5、步骤6和步骤7可以获得3个运营时期下,SVG装置需要补偿的无功功率,取三者中的最大值即为MSUB2处SVG所需补偿的无功功率。考虑10%左右的裕度进行设备选型,给出最终的SVG安装容量设计方案。

根据以上步骤并结合具体参数可以获得该线路运营初期、近期和远期时,高峰、低谷时段PCC处的有功功率、无功功率及功率因数,其估算值分别如表1—表3所示。其中:PL、QL、λL分别为与MSUB2的110 kV侧左段母线相连的PCC处总有功功率、总无功功率、功率因数;PR、QR、λR分别为与MSUB2的110 kV侧右段母线相连的PCC处总有功功率、总无功功率、功率因数。

表1 运营初期高峰和低谷时段PCC处的功率及功率因数估算值

表3 运营远期高峰和低谷时段PCC处的功率及功率因数估算值

MSUB2 110 kV侧左、右段母线分别通过长度为8.580 km、 3.393 km的电缆与PCC连接,电缆单位长度线路的电阻、电抗和电纳值分别为0.036 6 Ω/km、0.127 5 Ω/km、55.606 2×10-6S/km。令λ为0.95,根据无功补偿优化策略可以计算出运营初期、近期、远期下高峰、低谷时段MSUB2处SVG所需补偿的无功功率,如表4所示。其中:Qphigh、Qplow分别为运营初期高峰、低谷时段的SVG所需补偿的无功功率;Qrhigh、Qrlow分别为运营近期高峰、低谷时段的SVG所需补偿的无功功率;Qfhigh、Qflow分别为运营远期高峰、低谷时段的SVG所需补偿的无功功率。非运营时段PCC处的功率及功率因数估算值如表5所示。令λ为0.95,通过计算可知,非运营时段,MSUB2左、右变压器SVG所需补偿的无功功率分别为7.19 Mvar和2.81 Mvar。

表4 高峰、低谷时段MSUB2处SVG无功功率补偿量

表5 非运营时段PCC处功率及功率因数估算值

根据步骤8,同时结合表4及非运营时段MSUB2左、右变压器SVG所需补偿的无功功率可知,在算例线路运营初期、近期、远期,MSUB2的左变压器35 kV侧SVG所需补偿的无功功率最大值为7.19 Mvar,其右变压器35 kV侧SVG所需补偿的无功功率最大值为2.81 Mvar。考虑10%左右的裕度,对SVG进行设备选型,则MSUB2的左、右变压器35 kV侧SVG的安装容量分别为8.00 Mvar和3.00 Mvar。

4 结论

1) 以广州某地铁线路为例,对某牵混所高峰时段和低谷时段的负荷分布(初期)进行实测。基于城市轨道交通直流牵引供电仿真平台,采用交直流交替迭代的潮流计算方法获得该地铁线路初期的负荷过程,并通过实测数据验证了仿真模型的准确性。

2) 进一步对该线路近期、远期的负荷过程进行仿真分析,提出无功补偿容量设计方法。综合考虑线路运营初期、近期和远期运行计划,同时根据无功功率补偿需求及PCC处功率因数要求,在算例线路运营初期、近期、远期,MSUB2的左变压器35 kV侧SVG所需补偿的无功功率最大值为7.19 Mvar,其右变压器35 kV侧SVG所需补偿的无功功率最大值为2.81 Mvar。考虑10%左右的裕度,对SVG进行设备选型,则MSUB2的左、右变压器35 kV侧SVG的安装容量分别为8.00 Mvar和3.00 Mvar。