考慮主變電所資源共享的城市軌道交通供電系統無功補償方案

李立穎 周 丹 林 珊 鄒大云 金海奇 解 凱 戚 賀 張 戩

(1.廣州地鐵設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.西南交通大學電氣工程學院,611756,成都)

為了滿足城市軌道交通(以下簡稱“城軌”)網絡化建設的要求,城軌供電系統的資源網絡共享及其衍生問題具有十分重要的研究意義。目前,針對集中式供電方式,大多數城市已經實施不同線路主變電所的資源共享工程,但當某條線路的主變電所對其他線路進行支援供電時,其PCC(公共連接點)處的功率因數會發生變化。若其功率因數沒有達到供電部門的標準,城軌企業將會收到罰款。因此,在主變電所資源共享的背景下,需研究城軌供電系統無功補償方案。

目前,城軌供電系統的供電方式主要分為分散式供電和集中式供電。文獻[1]分析了分散式和集中式供電方式的功率因數,并指出集中式供電方式需在主變電所35 kV側進行無功補償。文獻[2]根據主變電所進線處的負荷數據推導出了PCC處的功率因數,并獲得了SVG(靜止無功發生器)的安裝容量。文獻[3]分析了集中式供電情況下,采用集中式補償方式的功率因數,研究了其無功補償方案,并提出了無功補償裝置的定容原則。文獻[4]利用逆變回饋裝置在城軌非運營時段進行了分散式無功補償,以減少或取消集中式無功補償裝置的安裝,節省了投資成本。但以上文獻均未考慮主變電所資源共享背景下,城軌供電系統的無功補償方案。

考慮城軌主變電所資源共享的背景下,本文利用SVG和電抗器或電容器對供電系統35 kV側進行補償,在降低SVG安裝容量的同時避免供電部門的罰款,以節約地鐵系統的投資成本和運營成本。本文研究可為主變電所資源共享背景下的城軌供電系統設計提供一定的指導。

1 供電系統功率分布

對城軌供電系統中某一主變電所和其供電分區的某一時段進行功率分析。在該主變壓器共有j個供電分區。根據城軌運營特點,將全天分為i個時段,其中:i=1為高峰運營時段;i=2為低谷運營時段;i=3為非運營時段。第j個供電分區中共有Mj個牽引降壓混合所(以下簡稱“牽混所”)和Nj個降壓變電所(以下簡稱“降壓所”)。Vj,m為第j個供電分區中與主變電所35 kV母線相連的第m個牽混所。Wj,n為第j個供電分區中與主變電所35 kV母線相連的第n個降壓所。

根據列車的發車對數、車輛基本屬性、供電系統結構圖、動力負荷的設計規劃等信息,通過城軌供電系統交直流潮流計算出第i個時段第j個供電分區中與主變電所35 kV母線相連的第m個牽混所的有功功率PVj,m(i)和無功功率QVj,m(i),以及第i個時段第j個供電分區中與主變電所35 kV母線相連的第n個降壓所的有功功率PWj,n(i)和無功功率QWj,n(i)。

城軌供電系統中某主變電所及其供電分區的功率分布示意圖如圖1所示。其中:PC35(i)和PC110(i)為第i個時段35 kV和110 kV電纜的有功功率;QC35(i)和QC110(i)為第i個時段35 kV和110 kV電纜的無功功率;Pb(i)為第i個時段主變電所變壓器上消耗的有功功率;Qb(i)為第i個時段主變電所變壓器上消耗的無功功率;PPCC(i)和QPCC(i)為第i個時段PCC處的有功功率和無功功率。

圖1 某主變電所及其供電分區的功率分布示意圖

PPCC(i)和QPCC(i)可以表示為:

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

(1)

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

(2)

式中:

Qe(i)——第i個時段無功補償裝置補償的無功功率,Qe(i)為正代表感性無功功率,Qe(i)為負代表容性無功功率。

PCC處全日有功電度WPPCC和無功電度WQPCC可以表示為:

(3)

式中:

Ti——第i個時段的運營時長。

PCC處的功率因數λPCC可以表示為:

(4)

2 考慮主變電所資源共享的無功補償方案

城軌運營初期,列車發車對數較少,供電系統中電纜容性無功功率較大,PCC處功率因數偏低。為了使PCC功率因數達標,城軌供電系統需考慮設計安裝無功補償裝置進行無功補償。當主變電所資源共享時,共享前后供電系統結構會發生變化,因此需綜合考慮主變電所共享資源前后的供電系統功率分布,并結合不同類型的無功補償設備,實現PCC處功率因數達標的同時,使供電系統投資成本最低。城軌供電系統中,運營初期列車發車對數最少,因此以下建立的模型僅考慮初期。

采用線性規劃方法,將主變電所資源共享前無功補償裝置補償的無功功率Qe的絕對值|Qe|作為無功補償裝置SVG加電抗器或電容器的補償量,約束條件為PCC處功率因數的絕對值不小于0.9。主變電所資源共享前的線性規劃模型可以表示為:

min|Qe|

(5)

在資源共享背景下,主變電所需對其他線路進行供電,則資源共享后PCC處的有功電度WPPCC,1和無功電度WQPCC,1會發生改變,根據式(1)—式(5)可以求得在主變電所資源共享后,無功補償裝置需要補償的無功功率Qe,1。

電抗器和電容器成本較低,但無功補償出力為固定值,SVG無功補償出力可調但成本較高。為了節省設備投資,采用SVG加電抗器或電容器的補償方式進行無功補償。當Qe和Qe,1正負相同時,選取|Qe|和|Qe,1|中較小的值作為電抗器或電容器的安裝容量,|Qe|和|Qe,1|的差值作為SVG的安裝容量;當Qe和Qe,1正負不相同時,選取|Qe|和|Qe,1|中較小的值作為SVG的安裝容量,|Qe|和|Qe,1|的差值作為電抗器或電容器的安裝容量。此時的無功補償方案可以表示為:

(6)

(7)

式中:

Sx——電抗器或電容器的安裝容量;

Ssvg——SVG的安裝容量。

考慮主變電所資源共享的無功補償方案設計流程圖如圖2所示。

圖2 考慮主變電所資源共享的無功補償方案設計流程圖

3 案例分析

某城市地鐵線路的供電系統設置3座主變電所,參與主變電所資源共享的主變電所及其供電分區的供電系統示意圖如圖3所示。該主變電所為主線9個牽引所及支線(被支援線路)中4個牽引所和1個降壓所供電。該主變電所110 kV側的I、II段進線電纜長度分別為8.580 km、3.393 km,主變壓器安裝容量為2×40 MVA,接線方式為YNd11,變壓器的短路百分比為10.5%,短路損耗為150 kW,空載損耗為50 kW。所有牽混所整流機組容量為2×2 500 kW,降壓變壓器容量均為500 kVA。該供電系統中的接觸網電阻為0.017 Ω/km,鋼軌電阻為0.020 Ω/km。110 kV電纜的電抗取為0.118 Ω/km,電納為48.6×10-6S/km。35 kV電纜的電抗取為0.192 Ω/km,電納為49.7×10-6S/km。該線路初期全日列車運行計劃如表1所示,其中主線快車僅在TS1-1和TS2-2停車,普通車每站均停車。

表1 線路初期全日列車運行計劃

根據列車牽引計算結果和供電系統結構,通過交直流潮流計算,可以分別得到主線和支線牽混所各時段整流機組每小時的平均功率。降壓所的負載率在運營時段設置為0.2,在非運營時段設置為0.1,其功率因數均設置為0.8。

以|λPCC|≥0.9為目標,根據現有各時段牽引負荷、降壓負荷和供電系統結構,通過式(1)—式(5)可以推算出主變電所資源共享前后不同運營段PCC處的有功功率和無功功率,如表2所示。主變電所35 kV側的無功補償量如表3所示。

表2 主變電所資源共享前后不同運營時段PCC處的有功功率和無功功率

表3 主變電所35 kV側的無功補償量

根據表3、式(6)和式(7)對無功補償裝置容量進行配置,1#主變壓器需配置5.722 Mvar的電抗器和0.552 Mvar的SVG,2#主變壓器需配置2.881 Mvar的電抗器和0.291 Mvar的SVG?？紤]SVG和電抗器的實際容量規格,無功補償裝置配置方案如表4所示。該補償方案將總計容量為9 Mvar的SVG裝置替換成電抗器,在滿足無功補償需求的同時降低了投資成本。

表4 無功補償裝置配置方案

4 結語

本文研究了在主變電所資源共享背景下,城軌供電系統的無功補償方案,并對實際案例進行了分析研究,主要獲得以下結論:

1) 根據行車計劃和供電系統結構,推算出PCC全日功率因數達標情況下的主變電所資源共享前后的最小無功功率補償量,并提出了包含多種無功補償裝置的無功補償方案。所提方案以主變電所資源共享前后的最小無功功率補償量滿足補償需求為基礎,以SVG容量最小為目標,確定SVG和電抗器或電容器的安裝容量。

2) 對某城市地鐵工程實例進行了仿真分析。根據所提無功補償方案:1#主變電所主變壓器供電分區無功補償裝置的實際配置為電抗器容量為6.0 Mvar、SVG容量為1.0 Mvar;2#主變壓器供電分區無功補償裝置的配置為電抗器容量為3.0 Mvar、SVG容量為0.5 Mvar。與只采用SVG進行無功補償的方案相比,所提方案減少了9.0 Mvar的SVG安裝容量,減少了供電系統的投資成本。