考虑主变电所资源共享的城市轨道交通供电系统无功补偿方案

李立颖 周 丹 林 珊 邹大云 金海奇 解 凯 戚 贺 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,611756,成都)

为了满足城市轨道交通(以下简称“城轨”)网络化建设的要求,城轨供电系统的资源网络共享及其衍生问题具有十分重要的研究意义。目前,针对集中式供电方式,大多数城市已经实施不同线路主变电所的资源共享工程,但当某条线路的主变电所对其他线路进行支援供电时,其PCC(公共连接点)处的功率因数会发生变化。若其功率因数没有达到供电部门的标准,城轨企业将会收到罚款。因此,在主变电所资源共享的背景下,需研究城轨供电系统无功补偿方案。

目前,城轨供电系统的供电方式主要分为分散式供电和集中式供电。文献[1]分析了分散式和集中式供电方式的功率因数,并指出集中式供电方式需在主变电所35 kV侧进行无功补偿。文献[2]根据主变电所进线处的负荷数据推导出了PCC处的功率因数,并获得了SVG(静止无功发生器)的安装容量。文献[3]分析了集中式供电情况下,采用集中式补偿方式的功率因数,研究了其无功补偿方案,并提出了无功补偿装置的定容原则。文献[4]利用逆变回馈装置在城轨非运营时段进行了分散式无功补偿,以减少或取消集中式无功补偿装置的安装,节省了投资成本。但以上文献均未考虑主变电所资源共享背景下,城轨供电系统的无功补偿方案。

考虑城轨主变电所资源共享的背景下,本文利用SVG和电抗器或电容器对供电系统35 kV侧进行补偿,在降低SVG安装容量的同时避免供电部门的罚款,以节约地铁系统的投资成本和运营成本。本文研究可为主变电所资源共享背景下的城轨供电系统设计提供一定的指导。

1 供电系统功率分布

对城轨供电系统中某一主变电所和其供电分区的某一时段进行功率分析。在该主变压器共有j个供电分区。根据城轨运营特点,将全天分为i个时段,其中:i=1为高峰运营时段;i=2为低谷运营时段;i=3为非运营时段。第j个供电分区中共有Mj个牵引降压混合所(以下简称“牵混所”)和Nj个降压变电所(以下简称“降压所”)。Vj,m为第j个供电分区中与主变电所35 kV母线相连的第m个牵混所。Wj,n为第j个供电分区中与主变电所35 kV母线相连的第n个降压所。

根据列车的发车对数、车辆基本属性、供电系统结构图、动力负荷的设计规划等信息,通过城轨供电系统交直流潮流计算出第i个时段第j个供电分区中与主变电所35 kV母线相连的第m个牵混所的有功功率PVj,m(i)和无功功率QVj,m(i),以及第i个时段第j个供电分区中与主变电所35 kV母线相连的第n个降压所的有功功率PWj,n(i)和无功功率QWj,n(i)。

城轨供电系统中某主变电所及其供电分区的功率分布示意图如图1所示。其中:PC35(i)和PC110(i)为第i个时段35 kV和110 kV电缆的有功功率;QC35(i)和QC110(i)为第i个时段35 kV和110 kV电缆的无功功率;Pb(i)为第i个时段主变电所变压器上消耗的有功功率;Qb(i)为第i个时段主变电所变压器上消耗的无功功率;PPCC(i)和QPCC(i)为第i个时段PCC处的有功功率和无功功率。

图1 某主变电所及其供电分区的功率分布示意图

PPCC(i)和QPCC(i)可以表示为:

PC35(i)+PC110(i)+Pb(i)

(1)

QC35(i)+QC110(i)+Qe(i)+Qb(i)

(2)

式中:

Qe(i)——第i个时段无功补偿装置补偿的无功功率,Qe(i)为正代表感性无功功率,Qe(i)为负代表容性无功功率。

PCC处全日有功电度WPPCC和无功电度WQPCC可以表示为:

(3)

式中:

Ti——第i个时段的运营时长。

PCC处的功率因数λPCC可以表示为:

(4)

2 考虑主变电所资源共享的无功补偿方案

城轨运营初期,列车发车对数较少,供电系统中电缆容性无功功率较大,PCC处功率因数偏低。为了使PCC功率因数达标,城轨供电系统需考虑设计安装无功补偿装置进行无功补偿。当主变电所资源共享时,共享前后供电系统结构会发生变化,因此需综合考虑主变电所共享资源前后的供电系统功率分布,并结合不同类型的无功补偿设备,实现PCC处功率因数达标的同时,使供电系统投资成本最低。城轨供电系统中,运营初期列车发车对数最少,因此以下建立的模型仅考虑初期。

采用线性规划方法,将主变电所资源共享前无功补偿装置补偿的无功功率Qe的绝对值|Qe|作为无功补偿装置SVG加电抗器或电容器的补偿量,约束条件为PCC处功率因数的绝对值不小于0.9。主变电所资源共享前的线性规划模型可以表示为:

min|Qe|

(5)

在资源共享背景下,主变电所需对其他线路进行供电,则资源共享后PCC处的有功电度WPPCC,1和无功电度WQPCC,1会发生改变,根据式(1)—式(5)可以求得在主变电所资源共享后,无功补偿装置需要补偿的无功功率Qe,1。

电抗器和电容器成本较低,但无功补偿出力为固定值,SVG无功补偿出力可调但成本较高。为了节省设备投资,采用SVG加电抗器或电容器的补偿方式进行无功补偿。当Qe和Qe,1正负相同时,选取|Qe|和|Qe,1|中较小的值作为电抗器或电容器的安装容量,|Qe|和|Qe,1|的差值作为SVG的安装容量;当Qe和Qe,1正负不相同时,选取|Qe|和|Qe,1|中较小的值作为SVG的安装容量,|Qe|和|Qe,1|的差值作为电抗器或电容器的安装容量。此时的无功补偿方案可以表示为:

(6)

(7)

式中:

Sx——电抗器或电容器的安装容量;

Ssvg——SVG的安装容量。

考虑主变电所资源共享的无功补偿方案设计流程图如图2所示。

图2 考虑主变电所资源共享的无功补偿方案设计流程图

3 案例分析

某城市地铁线路的供电系统设置3座主变电所,参与主变电所资源共享的主变电所及其供电分区的供电系统示意图如图3所示。该主变电所为主线9个牵引所及支线(被支援线路)中4个牵引所和1个降压所供电。该主变电所110 kV侧的I、II段进线电缆长度分别为8.580 km、3.393 km,主变压器安装容量为2×40 MVA,接线方式为YNd11,变压器的短路百分比为10.5%,短路损耗为150 kW,空载损耗为50 kW。所有牵混所整流机组容量为2×2 500 kW,降压变压器容量均为500 kVA。该供电系统中的接触网电阻为0.017 Ω/km,钢轨电阻为0.020 Ω/km。110 kV电缆的电抗取为0.118 Ω/km,电纳为48.6×10-6S/km。35 kV电缆的电抗取为0.192 Ω/km,电纳为49.7×10-6S/km。该线路初期全日列车运行计划如表1所示,其中主线快车仅在TS1-1和TS2-2停车,普通车每站均停车。

表1 线路初期全日列车运行计划

根据列车牵引计算结果和供电系统结构,通过交直流潮流计算,可以分别得到主线和支线牵混所各时段整流机组每小时的平均功率。降压所的负载率在运营时段设置为0.2,在非运营时段设置为0.1,其功率因数均设置为0.8。

以|λPCC|≥0.9为目标,根据现有各时段牵引负荷、降压负荷和供电系统结构,通过式(1)—式(5)可以推算出主变电所资源共享前后不同运营段PCC处的有功功率和无功功率,如表2所示。主变电所35 kV侧的无功补偿量如表3所示。

表2 主变电所资源共享前后不同运营时段PCC处的有功功率和无功功率

表3 主变电所35 kV侧的无功补偿量

根据表3、式(6)和式(7)对无功补偿装置容量进行配置,1#主变压器需配置5.722 Mvar的电抗器和0.552 Mvar的SVG,2#主变压器需配置2.881 Mvar的电抗器和0.291 Mvar的SVG。考虑SVG和电抗器的实际容量规格,无功补偿装置配置方案如表4所示。该补偿方案将总计容量为9 Mvar的SVG装置替换成电抗器,在满足无功补偿需求的同时降低了投资成本。

表4 无功补偿装置配置方案

4 结语

本文研究了在主变电所资源共享背景下,城轨供电系统的无功补偿方案,并对实际案例进行了分析研究,主要获得以下结论:

1) 根据行车计划和供电系统结构,推算出PCC全日功率因数达标情况下的主变电所资源共享前后的最小无功功率补偿量,并提出了包含多种无功补偿装置的无功补偿方案。所提方案以主变电所资源共享前后的最小无功功率补偿量满足补偿需求为基础,以SVG容量最小为目标,确定SVG和电抗器或电容器的安装容量。

2) 对某城市地铁工程实例进行了仿真分析。根据所提无功补偿方案:1#主变电所主变压器供电分区无功补偿装置的实际配置为电抗器容量为6.0 Mvar、SVG容量为1.0 Mvar;2#主变压器供电分区无功补偿装置的配置为电抗器容量为3.0 Mvar、SVG容量为0.5 Mvar。与只采用SVG进行无功补偿的方案相比,所提方案减少了9.0 Mvar的SVG安装容量,减少了供电系统的投资成本。