动态无功补偿装置在地铁主变电所的应用研究

1、 段立新(1966,男,高级工程师,从事城市轨道交通供电系统设计。动态无功补偿装置在地铁主变电所的应用研究段立新(中铁第一勘察设计院集团有限公司,陕西西安710043摘要:利用PS CAD /E MT DC 软件建立地铁负荷及电缆的仿真模型,按照主变电所满载、轻载和接近空载3种工况对其进行了仿真计算,并与现场实测结果对照。对地铁变电所中压侧3种动态无功补偿方案进行了经济性比较。仿真计算所得地铁的有功功率、无功功率数据和实际测量数据接近,从而验证了仿真模型及计算结果的正确性。关键词:地铁主变电所;动态无功补偿装置;集中式中图分类号:T M714.5T M3文献标识码:B 文章编号:1001255

2、31(20091220053204Appli ca ti on Research on St a ti c Var Com pen s a ti n gD ev i ce i n M etro M a i n Tran sform er St a ti onDUAN L ixin(China Rail w ay First Survey and Design I nstitute Gr oup Co .,L td .,Xi an 710043,China Abstract:The si m ulati on models of metr o l oad and cables was built

3、 by PSCAD /E MT DC s oft w are .Under thefull l oad,light l oad and nearly no 2l oad,the si m ulati on calculati on was done and compared with the actual measure 2ment data .Then three kind of S VC sche me in the mediu m voltage of metr o transfor mer stati on were compared eco 2nom ically .The si m

4、 ulati on result of active power and reactive power of metr o was cl ose t o the actual measure ment data .Then the correctness of si m ulati on model and calculati on result was verified .Key words:m etro ma i n tran sform er st a ti on;st a ti c var co m pen s a ti n g(SVC;cen tra li zed style0引言目

5、前,国内大部分城市地铁线路均采用集中供电方式,设置110/35k V 地铁主变电所取得城市电网电源(除广州为110/33kV,哈尔滨为66/10kV,上海为110/33/10k V 混合网外。在集中供电方式下,地铁沿线敷设如35kV 中压电缆贯通并给地铁牵引降压变电所供电,牵引电压一般采用DC 1500V,动力照明电压采用0.4kV 。根据已经运行的地铁观测,牵引负荷功率因数比较高,均在0.9以上,而动力照明负荷则较低。国内个别城市地铁主变电所35kV 侧现场实际测试结果表明:母线平均功率因数仅为0.78左右,且由于地铁本身工作特性,尤其晚上地铁停运后,使母线一直处于无功倒送状态,并且母线中5

6、、7、11、13次谐波电流超标。为抑制无功倒送、降低电压波动和消除谐波等,本文对在中压母线上加装动态无功补偿装置进行了探讨。1无功补偿方案研究的思路由于地铁供电网络的特殊性,母线上加装补偿装置方案也比较多,可在主变电所低压侧或在地铁沿线变电所高压侧(均为地铁中压如35kV 侧安装。但如果无功补偿容量考虑不准,有可能出现过补,也有可能欠补,设备一旦装设就不能再变。为了做到事半功倍,对于现场测试主变电所各种负荷进行软件仿真,通过建立仿真模型再进行潮流计算,用计算结果和测试结果对照以进行仿真验证,若结果表明误差比较小,则按照装设动态无功补偿装置再次仿真,这样就提供了有效的无功补偿方案。352仿真模型

7、的建立和潮流计算2.1仿真模型的建立利用加拿大曼尼托巴大学PSCAD /E MT DC 软件建立地铁负荷及电缆的仿真模型,对其进行仿真研究。仿真模型中电网采用无穷大电源等效,电缆采用模型库中I EEE 标准模型,仿真按满载、轻载和空载3种工况进行。2.2仿真结果变电所满载、轻载、空载时,线路中潮流的仿真结果分别如图1、图2、图3所示。 图1变电所满载时地铁线路潮流波形 图2变电所轻载时地铁线路潮流波形 图3变电所空载时地铁线路潮流波形2.3仿真结果与实测对比分析仿真结果与实测结果对比如表1所示。仿真计算得到的有功、无功功率值和实际测试结果接近,误差未超过10%,因此,采用该方法计算有功和无功功

8、率是正确的。表1仿真与实测结果对比功率完全空载低负荷运行满载运行-3.700-0.9103无功补偿解决方案3.1方案介绍(1集中式补偿。所谓集中式补偿,就是指在110k V 主变电所集中进行无功治理,如图4所示。图4集中式补偿示意图(2分区集中补偿。地铁系统110k V 主变电所一般带3个分区的负荷。因此,所谓分区集中补偿,就是指在每个分区进行动态无功补偿。分区集中补偿原理如图5所示。图5分区集中补偿示意图(3分布式补偿。所谓分布式补偿,就是指在每个35k V 的降压所、跟随所和牵引所都进行动态无功补偿,如图6所示。45图6分布式补偿示意图3.23种动态方案效果评价根据无功就地补偿的原则以及地

9、铁供电系统的负荷特点,同时考虑地铁供电系统中需补偿大量的电缆无功。显然,分布式补偿方案效果最佳,其次为分区集中补偿方案,再次为集中式补偿方案。由于地铁内降压所之间的距离一般很短,1 3k m之内居多,而分区之间的距离相对较长,大约为56km。因此,分布式补偿的效果和分区集中补偿相比,前者效果较好,但总体上差不多。考虑到分布式补偿比分区集中补偿投入成本高得多,因此在实际工程中,分布式补偿基本上不予考虑。3.33种动态方案经济对照按一个地铁主变电所供电范围内设3种不同动补方案进行成本分析和仿真计算(每套计算容量结果如表2所示。因变电所所有母线都是双母线分段运行,因此每个需要补偿的地方都按2套配置,

10、其中土建费用按10000元/m2考虑,测试地铁主所安装动态补偿方案经济性对比(估算见表2。3种方案中,分布式补偿方式由于采用的动态装置数量最多,投资最大,其次是分区集中补偿方式,而集中式补偿方案只在110k V主变电所安装动态补偿装置,投资最小。3.4节能减排计算根据企业供配电系统节能监测方法、工矿企业电力变压器经济运行导则等国家规定,采用无功经济当量来衡量S VC设备的节能效益。系统中每投入1kvar无功功率,在发电厂的直配电路中节约有功功率为0.020.04k W;在二级变压供电时,节约有功功率0.050.07k W,表2测试地铁主所安装动态补偿方案经济性对比分布式补偿分区集中补偿集中式补

11、偿补偿装置数/套1662每套容量/MVA0.6 1.54设备费用估计值(每两套/万元160400800土建及配套费用估值(每两套/万元507090占地面积/m2306090占地成本估计值(每两套/万元306090比例/%196162100在三级变压供电时节约有功功率为0.08 0.09k W。按1个主变电所补偿范围8MVA为例:动态的基波有效补偿容量为±4MVA,补偿范围为8MVA,按每月有效供电30d计算,系统年节约有功功率为:Pj=4000×0.06×24×30×12×0.8=166万k W h(无功经济当量取0.06;按有功电费

12、0.6元/k W h计算,年节约费用为99万元;减排CO2量的计算,根据煤质和燃烧效率的不同,转换系数也不同。但通常每千瓦时排放1kg左右的CO2,即每兆瓦时排放1t左右的CO2,S VC设备CO2年减排量为1660t。4结语地铁系统中,以1个主变电所供电距离15k m 计算,一个分区的最长距离不会超过10km。在此距离范围,电缆的长度对于电压和电流的电能质量影响很小,几乎可以忽略不计。虽然理论上讲,分布式补偿和分区集中补偿效果要比集中式补偿好,但实际上由于电气距离很短,补偿电能质量变化不大,分布式补偿和分区集中补偿比集中式补偿效果好的不多,几乎可以认为3种补偿效果一样。如表2所示,分区集中补

13、偿比集中式补偿投资要增加62%,分布式补偿比集中式补偿投资要增加96%。从投资的角度分析,集中式补偿是最经济的。55 1个主变电所节能减排效果为每年节约电能166万k W h,每年节约电费99万元,每年减少CO 2排放量1660t 。综上所述,3种补偿方案,补偿效果接近,但集中式补偿方式最经济。因此,建议地铁采用在主变电所设置集中无功补偿装置的方案。【参考文献】1 中国航空工业规划设计研究院.工业与民用配电设计手册M .北京:中国电力出版社,2005.2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,2004.3刘栓江,崔亚量.单芯偏心电缆单位长度电容的计算J .西安科技学院学报,

14、2003,23(1:1172119.4王红美,郭景武.铁路变配电所动态无功补偿J .铁道工程学报,2008(2:65268.5中华人民共和国国家经济贸易委员会.配电变压器能效及技术经济评价导则G.2001.6王亚玲,吴命利.直流牵引变电所在供电系统运行仿真中的建模J .电气化铁道,2005(4:427.收稿日期:2009205225【新书快递】可编程序控制器应用教程出版发行近日,由机械工业出版社与ABB (中国有限公司共同引进出版的国外P LC 精品教材可编程序控制器应用教程一书正式出版发行。本书原文版是德国曼海姆应用科技大学电子工程学院Seitz 教授结合多年从事工业自动化教学经验,基于国际标准I EC61131编写的介绍P LC 基础知识的教材。该教材通俗易懂,实用性强。该书中的所有示例和应用案例都可以在标准编程软件CoDeSys 上运行,其理论同样适用于所有满足I EC61131标准的P LC 产品。ABB 公司的AC500P LC 是完全基于I EC61131国际标准研发的P LC,其编程软件PS501也是基于CoDeSys 编程平台,读者完全可以将该书中的所有原理和示例结合ABB AC500P LC 来运行和演示,有助于深入地理解和知识消化。另外,本书中文版还特别增加了详细介绍ABB AC500P