動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置在地鐵主變電所的應(yīng)用研究

1、 段立新(1966,男,高級(jí)工程師,從事城市軌道交通供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置在地鐵主變電所的應(yīng)用研究段立新(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,陜西西安710043摘要:利用PS CAD /E MT DC 軟件建立地鐵負(fù)荷及電纜的仿真模型,按照主變電所滿載、輕載和接近空載3種工況對(duì)其進(jìn)行了仿真計(jì)算,并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)照。對(duì)地鐵變電所中壓側(cè)3種動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償方案進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性比較。仿真計(jì)算所得地鐵的有功功率、無(wú)功功率數(shù)據(jù)和實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)接近,從而驗(yàn)證了仿真模型及計(jì)算結(jié)果的正確性。關(guān)鍵詞:地鐵主變電所;動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置;集中式中圖分類號(hào):T M714.5T M3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):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,國(guó)內(nèi)大部分城市地鐵線路均采用集中供電方式,設(shè)置110/35k V 地鐵主變電所取得城市電網(wǎng)電源(除廣州為110/33kV,哈爾濱為66/10kV,上海為110/33/10k V 混合網(wǎng)外。在集中供電方式下,地鐵沿線敷設(shè)如35kV 中壓電纜貫通并給地鐵牽引降壓變電所供電,牽引電壓一般采用DC 1500V,動(dòng)力照明電壓采用0.4kV 。根據(jù)已經(jīng)運(yùn)行的地鐵觀測(cè),牽引負(fù)荷功率因數(shù)比較高,均在0.9以上,而動(dòng)力照明負(fù)荷則較低。國(guó)內(nèi)個(gè)別城市地鐵主變電所35kV 側(cè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明:母線平均功率因數(shù)僅為0.78左右,且由于地鐵本身工作特性,尤其晚上地鐵停運(yùn)后,使母線一直處于無(wú)功倒送狀態(tài),并且母線中5

6、、7、11、13次諧波電流超標(biāo)。為抑制無(wú)功倒送、降低電壓波動(dòng)和消除諧波等,本文對(duì)在中壓母線上加裝動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置進(jìn)行了探討。1無(wú)功補(bǔ)償方案研究的思路由于地鐵供電網(wǎng)絡(luò)的特殊性,母線上加裝補(bǔ)償裝置方案也比較多,可在主變電所低壓側(cè)或在地鐵沿線變電所高壓側(cè)(均為地鐵中壓如35kV 側(cè)安裝。但如果無(wú)功補(bǔ)償容量考慮不準(zhǔn),有可能出現(xiàn)過(guò)補(bǔ),也有可能欠補(bǔ),設(shè)備一旦裝設(shè)就不能再變。為了做到事半功倍,對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試主變電所各種負(fù)荷進(jìn)行軟件仿真,通過(guò)建立仿真模型再進(jìn)行潮流計(jì)算,用計(jì)算結(jié)果和測(cè)試結(jié)果對(duì)照以進(jìn)行仿真驗(yàn)證,若結(jié)果表明誤差比較小,則按照裝設(shè)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置再次仿真,這樣就提供了有效的無(wú)功補(bǔ)償方案。352仿真模型

7、的建立和潮流計(jì)算2.1仿真模型的建立利用加拿大曼尼托巴大學(xué)PSCAD /E MT DC 軟件建立地鐵負(fù)荷及電纜的仿真模型,對(duì)其進(jìn)行仿真研究。仿真模型中電網(wǎng)采用無(wú)窮大電源等效,電纜采用模型庫(kù)中I EEE 標(biāo)準(zhǔn)模型,仿真按滿載、輕載和空載3種工況進(jìn)行。2.2仿真結(jié)果變電所滿載、輕載、空載時(shí),線路中潮流的仿真結(jié)果分別如圖1、圖2、圖3所示。 圖1變電所滿載時(shí)地鐵線路潮流波形 圖2變電所輕載時(shí)地鐵線路潮流波形 圖3變電所空載時(shí)地鐵線路潮流波形2.3仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)對(duì)比分析仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比如表1所示。仿真計(jì)算得到的有功、無(wú)功功率值和實(shí)際測(cè)試結(jié)果接近,誤差未超過(guò)10%,因此,采用該方法計(jì)算有功和無(wú)功功

8、率是正確的。表1仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比功率完全空載低負(fù)荷運(yùn)行滿載運(yùn)行-3.700-0.9103無(wú)功補(bǔ)償解決方案3.1方案介紹(1集中式補(bǔ)償。所謂集中式補(bǔ)償,就是指在110k V 主變電所集中進(jìn)行無(wú)功治理,如圖4所示。圖4集中式補(bǔ)償示意圖(2分區(qū)集中補(bǔ)償。地鐵系統(tǒng)110k V 主變電所一般帶3個(gè)分區(qū)的負(fù)荷。因此,所謂分區(qū)集中補(bǔ)償,就是指在每個(gè)分區(qū)進(jìn)行動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償。分區(qū)集中補(bǔ)償原理如圖5所示。圖5分區(qū)集中補(bǔ)償示意圖(3分布式補(bǔ)償。所謂分布式補(bǔ)償,就是指在每個(gè)35k V 的降壓所、跟隨所和牽引所都進(jìn)行動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償,如圖6所示。45圖6分布式補(bǔ)償示意圖3.23種動(dòng)態(tài)方案效果評(píng)價(jià)根據(jù)無(wú)功就地補(bǔ)償?shù)脑瓌t以及地

9、鐵供電系統(tǒng)的負(fù)荷特點(diǎn),同時(shí)考慮地鐵供電系統(tǒng)中需補(bǔ)償大量的電纜無(wú)功。顯然,分布式補(bǔ)償方案效果最佳,其次為分區(qū)集中補(bǔ)償方案,再次為集中式補(bǔ)償方案。由于地鐵內(nèi)降壓所之間的距離一般很短,1 3k m之內(nèi)居多,而分區(qū)之間的距離相對(duì)較長(zhǎng),大約為56km。因此,分布式補(bǔ)償?shù)男Ч头謪^(qū)集中補(bǔ)償相比,前者效果較好,但總體上差不多?？紤]到分布式補(bǔ)償比分區(qū)集中補(bǔ)償投入成本高得多,因此在實(shí)際工程中,分布式補(bǔ)償基本上不予考慮。3.33種動(dòng)態(tài)方案經(jīng)濟(jì)對(duì)照按一個(gè)地鐵主變電所供電范圍內(nèi)設(shè)3種不同動(dòng)補(bǔ)方案進(jìn)行成本分析和仿真計(jì)算(每套計(jì)算容量結(jié)果如表2所示。因變電所所有母線都是雙母線分段運(yùn)行,因此每個(gè)需要補(bǔ)償?shù)牡胤蕉及?套配置,

10、其中土建費(fèi)用按10000元/m2考慮,測(cè)試地鐵主所安裝動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方案經(jīng)濟(jì)性對(duì)比(估算見表2。3種方案中,分布式補(bǔ)償方式由于采用的動(dòng)態(tài)裝置數(shù)量最多,投資最大,其次是分區(qū)集中補(bǔ)償方式,而集中式補(bǔ)償方案只在110k V主變電所安裝動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置,投資最小。3.4節(jié)能減排計(jì)算根據(jù)企業(yè)供配電系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測(cè)方法、工礦企業(yè)電力變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行導(dǎo)則等國(guó)家規(guī)定,采用無(wú)功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量來(lái)衡量S VC設(shè)備的節(jié)能效益。系統(tǒng)中每投入1kvar無(wú)功功率,在發(fā)電廠的直配電路中節(jié)約有功功率為0.020.04k W;在二級(jí)變壓供電時(shí),節(jié)約有功功率0.050.07k W,表2測(cè)試地鐵主所安裝動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方案經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分布式補(bǔ)償分區(qū)集中補(bǔ)償集中式補(bǔ)

11、償補(bǔ)償裝置數(shù)/套1662每套容量/MVA0.6 1.54設(shè)備費(fèi)用估計(jì)值(每?jī)商?萬(wàn)元160400800土建及配套費(fèi)用估值(每?jī)商?萬(wàn)元507090占地面積/m2306090占地成本估計(jì)值(每?jī)商?萬(wàn)元306090比例/%196162100在三級(jí)變壓供電時(shí)節(jié)約有功功率為0.08 0.09k W。按1個(gè)主變電所補(bǔ)償范圍8MVA為例:動(dòng)態(tài)的基波有效補(bǔ)償容量為±4MVA,補(bǔ)償范圍為8MVA,按每月有效供電30d計(jì)算,系統(tǒng)年節(jié)約有功功率為:Pj=4000×0.06×24×30×12×0.8=166萬(wàn)k W h(無(wú)功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量取0.06;按有功電費(fèi)

12、0.6元/k W h計(jì)算,年節(jié)約費(fèi)用為99萬(wàn)元;減排CO2量的計(jì)算,根據(jù)煤質(zhì)和燃燒效率的不同,轉(zhuǎn)換系數(shù)也不同。但通常每千瓦時(shí)排放1kg左右的CO2,即每兆瓦時(shí)排放1t左右的CO2,S VC設(shè)備CO2年減排量為1660t。4結(jié)語(yǔ)地鐵系統(tǒng)中,以1個(gè)主變電所供電距離15k m 計(jì)算,一個(gè)分區(qū)的最長(zhǎng)距離不會(huì)超過(guò)10km。在此距離范圍,電纜的長(zhǎng)度對(duì)于電壓和電流的電能質(zhì)量影響很小,幾乎可以忽略不計(jì)。雖然理論上講,分布式補(bǔ)償和分區(qū)集中補(bǔ)償效果要比集中式補(bǔ)償好,但實(shí)際上由于電氣距離很短,補(bǔ)償電能質(zhì)量變化不大,分布式補(bǔ)償和分區(qū)集中補(bǔ)償比集中式補(bǔ)償效果好的不多,幾乎可以認(rèn)為3種補(bǔ)償效果一樣。如表2所示,分區(qū)集中補(bǔ)

13、償比集中式補(bǔ)償投資要增加62%,分布式補(bǔ)償比集中式補(bǔ)償投資要增加96%。從投資的角度分析,集中式補(bǔ)償是最經(jīng)濟(jì)的。55 1個(gè)主變電所節(jié)能減排效果為每年節(jié)約電能166萬(wàn)k W h,每年節(jié)約電費(fèi)99萬(wàn)元,每年減少CO 2排放量1660t 。綜上所述,3種補(bǔ)償方案,補(bǔ)償效果接近,但集中式補(bǔ)償方式最經(jīng)濟(jì)。因此,建議地鐵采用在主變電所設(shè)置集中無(wú)功補(bǔ)償裝置的方案?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1 中國(guó)航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)M .北京:中國(guó)電力出版社,2005.2程浩忠.電力系統(tǒng)無(wú)功與電壓穩(wěn)定性M .北京:中國(guó)電力出版社,2004.3劉栓江,崔亞量.單芯偏心電纜單位長(zhǎng)度電容的計(jì)算J .西安科技學(xué)院學(xué)報(bào),

14、2003,23(1:1172119.4王紅美,郭景武.鐵路變配電所動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償J .鐵道工程學(xué)報(bào),2008(2:65268.5中華人民共和國(guó)國(guó)家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì).配電變壓器能效及技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)導(dǎo)則G.2001.6王亞玲,吳命利.直流牽引變電所在供電系統(tǒng)運(yùn)行仿真中的建模J .電氣化鐵道,2005(4:427.收稿日期:2009205225【新書快遞】可編程序控制器應(yīng)用教程出版發(fā)行近日,由機(jī)械工業(yè)出版社與ABB (中國(guó)有限公司共同引進(jìn)出版的國(guó)外P LC 精品教材可編程序控制器應(yīng)用教程一書正式出版發(fā)行。本書原文版是德國(guó)曼海姆應(yīng)用科技大學(xué)電子工程學(xué)院Seitz 教授結(jié)合多年從事工業(yè)自動(dòng)化教學(xué)經(jīng)驗(yàn),基于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)I EC61131編寫的介紹P LC 基礎(chǔ)知識(shí)的教材。該教材通俗易懂,實(shí)用性強(qiáng)。該書中的所有示例和應(yīng)用案例都可以在標(biāo)準(zhǔn)編程軟件CoDeSys 上運(yùn)行,其理論同樣適用于所有滿足I EC61131標(biāo)準(zhǔn)的P LC 產(chǎn)品。ABB 公司的AC500P LC 是完全基于I EC61131國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)的P LC,其編程軟件PS501也是基于CoDeSys 編程平臺(tái),讀者完全可以將該書中的所有原理和示例結(jié)合ABB AC500P LC 來(lái)運(yùn)行和演示,有助于深入地理解和知識(shí)消化。另外,本書中文版還特別增加了詳細(xì)介紹ABB AC500P