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摘要：众所周知，为了提高网络传输能力，减少电压损失，提高电能质量，无功电力宜采用就地平衡的原则，采取分散、集中无功补偿。从而保证电源侧电费计量处的平均功率因数在一个合理的范围内，避免欠补或过补情况的发生。
关键词：城市轨道交通，供电系统，无功补偿
中图分类号：TU984文献标识码： A
前言
苏州轨道交通2号线是轨道交通的南北方向的骨干线路，南至宝带桥南北至高铁苏州北站，全长26.55公里，全线共设22座车站，其中地下站17座，高架站5座。地铁内部供电电压为35kV,结合地铁2号线路总计供电需求,苏州市电力公司共为地铁2号线安排了2座110kV总主变电站—清塘主变电站及施家主变电站,两站的35kv出线承担着为苏州市轨道交通2号线中压环网供电的重要作用,并为四号线及二号线延伸线预留，所带负荷主要为环网中的牵引负荷和动力照明负荷。
1、无功补偿计算
本着低压无功分散补偿、就地平衡的原则,环网中每座35kV配电变电所的400V侧均集中进行了无功补偿,并设置了自动投切的电容补偿装置,且功率因数连续可调,调节范围在0.8-0.9之间,高压进线端功率因数可控制在0.9以上,因此,我们在处理抬高负荷功率因数时,只需要计算把功率因数从0.9抬高到0.95所需的补偿容量即可。以清塘110kV主变电站为例,对无功补偿方案进行分析,首先明确如下边界条件:
l)清塘主变110kV站投产初期轻载按照31.5MVA主变负载率为10%考虑,重载按照50MvA主变70%负载率考虑。
2)经调查,地铁总降站正常工况主变负载一般在30%左右。
3)功率因数的考核点及补偿装置的跟踪检测点均在110kV电源线的进线开关处。
4)110kV站的35kV侧功率因数按照0.9考虑。
5)计算35kv环网电缆充电功率为1.34Mvar,考虑为将来预留2.5倍增长空间可运用于四号线,计算中该部分按照3.35Mvar考虑。依据轻载情况下的计算结果进行感性无功补偿,依据重载情况下的计算结果进行容性无功补偿,计算结果如表1:
对以上结果进行分析,可以得出如下结论:
l)轻载情况负载率在1%一12%区间需要做感性补偿,补偿最大容量为3.037Mvar(实际,在一期项目中,35kV环网电缆充电功率为1.34Mvar,按3.037计算,为后续项目的电缆充电功率留有相当的感性无功补偿裕度)。
2)按35kV电缆容性充电功率3.35Mvar计,正常工况主变(50MVA及31.SMVA)负载率在13%-70%区间均不需要补偿容性无功,计算功率因数在0.9一1.0之间。
3)按35kV电缆容性充电功率1.34Mvar计,正常工况主变(31.SMVA)负载率在56%一70%区间需要补偿容性无功.计算补偿容量为2.394Mvar。
4)考虑当地铁主变增容至50MVA、负载率在41%一70%时,且又无新的馈电输送线路的工况,从经济性和现实性角度考虑,设计不宜将该种工况下的计算结果作为主要补偿判据。
5)计算结果显示:当主变(50MVA)33%负载率时,考核点功率因数为0.95。
2、补偿方案新思路的提出
根据地铁负荷的日时段特性,本着降低成本、节约占地、节能降耗的原则,我们认为比较理想的补偿方案应该能够跟踪负荷的变化,进行随机性适时补偿,维持电压稳定,从而满足轨道交通供电系统无功补偿的双向性(容性、感性),实现从容性到感性的连续、平滑、动态、快速的无功功率补偿。目前在国内外大型钢铁生产企业广泛使用的静止无功补偿器(StatieVarCompensator一SVC)以及代表无功补偿技术领域最新技术成果的静止无功发生器(StatiCVarGenerator一SVG)都能够实现本文上述的补偿方案优化设想。
2.1动态补偿装置工作原理及特性
1)SVC全称为静止型动态无功补偿装置,它是一种可以控制无功功率的补偿装置,也可看成是电纳值能调节的无功元件,利用电力电子元件晶闸管取代早期补偿装置的机械开关,用晶闸管的导通角(0一180o)来实现无功调节。装置以晶闸管控制的电抗器(TCR)、晶闸管投切的电容器(TSC)以及二者的混合装置(TCR+TSC)等三种主要形式存在并使用。SVC优点是作为系统补偿时可以连续调节并与系统进行无功功率交换,同时还具有较快的响应速度,能够维持端电压恒定。SVC虽然能对系统无功进行有效的补偿,但是由于换流元件关断不可控,因而容易产生较大的谐波电流,而且其对电网电压波动的调节能力不够理想。图1即为TCR+ TSC型SVC的基本拓扑结构,它由1台TCR、2台TSC以及2个无源滤波器组成,在实际系统中, TSC及无源滤波的组数可根据需要设置。
2)SVG全称为静止型动态无功发生器,代表着无功补偿领域内最先进的技术。其工作原理是将电压源型逆变器经过电抗器或者变压器并联在电网上,通过调节逆变器交流侧输出电压的幅值和相位,或者直接控制其交流侧电流的幅值和相位,迅速吸收或者发出所需要的无功功率,实现快速动态调节无功的目的。当采用直接电流控制时,直接对交流侧电流进行控制,不仅可以跟踪补偿冲击型负载的冲击电流,而且可以对谐波电流也进行跟踪补偿。
上图为SVG原理图,如果说将系统看作一个电压源,SVG可以看作一个可控电压源,变压器可以等效成一个连接电抗器。
2.2苏州轨道交通2号线清塘主变110kV主变电站补偿方案的提出:
l)考虑地铁负荷的特殊性,建议采用可无级调节的动态跟踪补偿装置SVG。
2)根据计算结果,对本期补偿装置容量建议如下:容性和感性补偿3.6Mvar。
3)考虑到地铁系统到目前尚无完整的中压网络规划安排,未来网络发展的不确定因素较多,所以建议本期补偿装置为将来预留一定的增容和升级空间。
3、SVG与其他补偿方案的技术比较
l)与固定电容器和无源滤波器组的比较固定电容器和无源滤波器组能补偿固定容量的
无功并滤除特定次数的谐波,技术比较成熟,投资相对较低,但占地面积大,易与系统发生谐振,无法实施动态补偿。因此从技术上看与SVG有较大的差距。
2)与SVC的比较
常见的SVC装置有以下几种形式:饱和电抗器(SaturatedReaetor,SR)结构简单,运行维护方便,但由于铁芯处于高饱和状态,噪音大,需采取隔离措施。晶闸管投切电容器(ThyristorSwitehedCapaei-tor,TSC)对系统无干扰,而且不会缩短电容器的寿命,但无功功率的补偿是阶跃式的,并且电容器开断时有残余电荷,下次投人时要考虑残余电压,响应速度差,降低闪变能力不足。晶闸管控制电抗器(ThyristorControlledReae-tor,TCR)是目前应用最广泛的一种形式,用晶闸管控制线性电抗器实现连续的无功调节,用固定的并联电容器组使SVC调节范围扩大到容性区。
结论
通过对地铁特殊負荷性质的分析及无功补偿计算,提出突破传统的依靠机械开关投切固定电容器+电抗器的补偿模式,在轨道交通供电系统中引人连续可调的静止动态无功补偿装置SVG,这一技术的应用避免了传统补偿装置设备冗余,占地面积大,投切频繁等缺陷,为一段时期内的轨道交通供电系统无功补偿提出了新方向。
参考文献
[1] 程浩忠.电力系统无功与电压稳定性[M].北京 :中国电力出版社，2004:168-170.
[2] TJE 米勒.电力系统无功功率控制[M].胡国根 译.北京:水利电力出版社，1990:420-429.
[3] 李鲲鹏,吴柳青.地铁供电系统无功补偿方案[J].低压电器,2006(2):41-46.
关键词：城市轨道交通，供电系统，无功补偿
中图分类号：TU984文献标识码： A
前言
苏州轨道交通2号线是轨道交通的南北方向的骨干线路，南至宝带桥南北至高铁苏州北站，全长26.55公里，全线共设22座车站，其中地下站17座，高架站5座。地铁内部供电电压为35kV,结合地铁2号线路总计供电需求,苏州市电力公司共为地铁2号线安排了2座110kV总主变电站—清塘主变电站及施家主变电站,两站的35kv出线承担着为苏州市轨道交通2号线中压环网供电的重要作用,并为四号线及二号线延伸线预留，所带负荷主要为环网中的牵引负荷和动力照明负荷。
1、无功补偿计算
本着低压无功分散补偿、就地平衡的原则,环网中每座35kV配电变电所的400V侧均集中进行了无功补偿,并设置了自动投切的电容补偿装置,且功率因数连续可调,调节范围在0.8-0.9之间,高压进线端功率因数可控制在0.9以上,因此,我们在处理抬高负荷功率因数时,只需要计算把功率因数从0.9抬高到0.95所需的补偿容量即可。以清塘110kV主变电站为例,对无功补偿方案进行分析,首先明确如下边界条件:
l)清塘主变110kV站投产初期轻载按照31.5MVA主变负载率为10%考虑,重载按照50MvA主变70%负载率考虑。
2)经调查,地铁总降站正常工况主变负载一般在30%左右。
3)功率因数的考核点及补偿装置的跟踪检测点均在110kV电源线的进线开关处。
4)110kV站的35kV侧功率因数按照0.9考虑。
5)计算35kv环网电缆充电功率为1.34Mvar,考虑为将来预留2.5倍增长空间可运用于四号线,计算中该部分按照3.35Mvar考虑。依据轻载情况下的计算结果进行感性无功补偿,依据重载情况下的计算结果进行容性无功补偿,计算结果如表1:
对以上结果进行分析,可以得出如下结论:
l)轻载情况负载率在1%一12%区间需要做感性补偿,补偿最大容量为3.037Mvar(实际,在一期项目中,35kV环网电缆充电功率为1.34Mvar,按3.037计算,为后续项目的电缆充电功率留有相当的感性无功补偿裕度)。
2)按35kV电缆容性充电功率3.35Mvar计,正常工况主变(50MVA及31.SMVA)负载率在13%-70%区间均不需要补偿容性无功,计算功率因数在0.9一1.0之间。
3)按35kV电缆容性充电功率1.34Mvar计,正常工况主变(31.SMVA)负载率在56%一70%区间需要补偿容性无功.计算补偿容量为2.394Mvar。
4)考虑当地铁主变增容至50MVA、负载率在41%一70%时,且又无新的馈电输送线路的工况,从经济性和现实性角度考虑,设计不宜将该种工况下的计算结果作为主要补偿判据。
5)计算结果显示:当主变(50MVA)33%负载率时,考核点功率因数为0.95。
2、补偿方案新思路的提出
根据地铁负荷的日时段特性,本着降低成本、节约占地、节能降耗的原则,我们认为比较理想的补偿方案应该能够跟踪负荷的变化,进行随机性适时补偿,维持电压稳定,从而满足轨道交通供电系统无功补偿的双向性(容性、感性),实现从容性到感性的连续、平滑、动态、快速的无功功率补偿。目前在国内外大型钢铁生产企业广泛使用的静止无功补偿器(StatieVarCompensator一SVC)以及代表无功补偿技术领域最新技术成果的静止无功发生器(StatiCVarGenerator一SVG)都能够实现本文上述的补偿方案优化设想。
2.1动态补偿装置工作原理及特性
1)SVC全称为静止型动态无功补偿装置,它是一种可以控制无功功率的补偿装置,也可看成是电纳值能调节的无功元件,利用电力电子元件晶闸管取代早期补偿装置的机械开关,用晶闸管的导通角(0一180o)来实现无功调节。装置以晶闸管控制的电抗器(TCR)、晶闸管投切的电容器(TSC)以及二者的混合装置(TCR+TSC)等三种主要形式存在并使用。SVC优点是作为系统补偿时可以连续调节并与系统进行无功功率交换,同时还具有较快的响应速度,能够维持端电压恒定。SVC虽然能对系统无功进行有效的补偿,但是由于换流元件关断不可控,因而容易产生较大的谐波电流,而且其对电网电压波动的调节能力不够理想。图1即为TCR+ TSC型SVC的基本拓扑结构,它由1台TCR、2台TSC以及2个无源滤波器组成,在实际系统中, TSC及无源滤波的组数可根据需要设置。
2)SVG全称为静止型动态无功发生器,代表着无功补偿领域内最先进的技术。其工作原理是将电压源型逆变器经过电抗器或者变压器并联在电网上,通过调节逆变器交流侧输出电压的幅值和相位,或者直接控制其交流侧电流的幅值和相位,迅速吸收或者发出所需要的无功功率,实现快速动态调节无功的目的。当采用直接电流控制时,直接对交流侧电流进行控制,不仅可以跟踪补偿冲击型负载的冲击电流,而且可以对谐波电流也进行跟踪补偿。
上图为SVG原理图,如果说将系统看作一个电压源,SVG可以看作一个可控电压源,变压器可以等效成一个连接电抗器。
2.2苏州轨道交通2号线清塘主变110kV主变电站补偿方案的提出:
l)考虑地铁负荷的特殊性,建议采用可无级调节的动态跟踪补偿装置SVG。
2)根据计算结果,对本期补偿装置容量建议如下:容性和感性补偿3.6Mvar。
3)考虑到地铁系统到目前尚无完整的中压网络规划安排,未来网络发展的不确定因素较多,所以建议本期补偿装置为将来预留一定的增容和升级空间。
3、SVG与其他补偿方案的技术比较
l)与固定电容器和无源滤波器组的比较固定电容器和无源滤波器组能补偿固定容量的
无功并滤除特定次数的谐波,技术比较成熟,投资相对较低,但占地面积大,易与系统发生谐振,无法实施动态补偿。因此从技术上看与SVG有较大的差距。
2)与SVC的比较
常见的SVC装置有以下几种形式:饱和电抗器(SaturatedReaetor,SR)结构简单,运行维护方便,但由于铁芯处于高饱和状态,噪音大,需采取隔离措施。晶闸管投切电容器(ThyristorSwitehedCapaei-tor,TSC)对系统无干扰,而且不会缩短电容器的寿命,但无功功率的补偿是阶跃式的,并且电容器开断时有残余电荷,下次投人时要考虑残余电压,响应速度差,降低闪变能力不足。晶闸管控制电抗器(ThyristorControlledReae-tor,TCR)是目前应用最广泛的一种形式,用晶闸管控制线性电抗器实现连续的无功调节,用固定的并联电容器组使SVC调节范围扩大到容性区。
结论
通过对地铁特殊負荷性质的分析及无功补偿计算,提出突破传统的依靠机械开关投切固定电容器+电抗器的补偿模式,在轨道交通供电系统中引人连续可调的静止动态无功补偿装置SVG,这一技术的应用避免了传统补偿装置设备冗余,占地面积大,投切频繁等缺陷,为一段时期内的轨道交通供电系统无功补偿提出了新方向。
参考文献
[1] 程浩忠.电力系统无功与电压稳定性[M].北京 :中国电力出版社，2004:168-170.
[2] TJE 米勒.电力系统无功功率控制[M].胡国根 译.北京:水利电力出版社，1990:420-429.
[3] 李鲲鹏,吴柳青.地铁供电系统无功补偿方案[J].低压电器,2006(2):41-46.