引言

新建貨運(yùn)電氣化鐵路線設(shè)計(jì)之初,存在機(jī)車負(fù)荷過低,實(shí)際開行的列車次對數(shù)遠(yuǎn)低于預(yù)期對數(shù),導(dǎo)致線路占用率低,牽引變壓器長期處于空載運(yùn)行狀態(tài),引起無功功率占比過高,功率因數(shù)很低,牽引變電所力率電費(fèi)占全所電費(fèi)的50%以上,運(yùn)行成本極高等問題。因此,用戶希望采用經(jīng)濟(jì)性設(shè)備投資來提升部分功率因數(shù),達(dá)到減少電費(fèi)罰款的目的。

根據(jù)現(xiàn)場情況,可通過容量可靈活配置的單相靜止無功發(fā)生器[1-4](staticvarGenerator,SVG)實(shí)現(xiàn)對諧波、無功、電壓波動和閃變等電能質(zhì)量問題的綜合補(bǔ)償,減少對鐵路和電網(wǎng)造成的影響。本文以某鐵路局牽引變電所為背景,主要驗(yàn)證在牽引變壓器空載運(yùn)行時(shí)、機(jī)車進(jìn)入時(shí)所設(shè)計(jì)的電氣化鐵路單相SVG治理能力,以解決該鐵路線功率因數(shù)過低和功率因數(shù)考核電費(fèi)劇增的問題。

1現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析

牽引變電所的現(xiàn)場接線情況如圖1所示。

牽引所線路空載運(yùn)行參數(shù)如圖2所示。機(jī)車空載時(shí)電流分為兩個(gè)部分:212段方向,電流值2.11A:211段方向,電流值9.14A。因此,這時(shí)的無功主要包括兩個(gè)部分,一是空載電流經(jīng)過線路上產(chǎn)生的無功,二是變壓器空載損耗的無功,經(jīng)計(jì)算約為0.309Mvar。

機(jī)車通過時(shí)的電流一般在150~250A,最大可達(dá)到300A。機(jī)車通過時(shí)電流分為兩個(gè)部分:在212段方向線路長度為13.4km,在211段方向長度為60km。兩部分通過分相裝置隔開,取最大值線路損耗為線路消耗的最大無功?，F(xiàn)場調(diào)研繪制出數(shù)據(jù),如表1所示。

機(jī)車以300A的電流通過時(shí),牽引所的無功主要包括:211段方向線路的無功＋牽引變壓器的無功＋機(jī)車本身消耗的無功=2.78＋0.45＋2.3=5.53Mvar。如果考慮全部補(bǔ)償即補(bǔ)充后功率因數(shù)接近1,所需要配置的無功補(bǔ)償裝置為5.6Mvar:考慮到經(jīng)濟(jì)性,由于HxD3B型機(jī)車功率因數(shù)大于0.97,而供電公司的功率因數(shù)罰款標(biāo)準(zhǔn)為0.9,因此,只補(bǔ)償線路消耗無功＋變壓器消耗無功亦能滿足補(bǔ)償要求,此時(shí)所需配置的無功補(bǔ)償裝置容量約為3.2Mvar。本文將以此容量為最終SVG的補(bǔ)償容量進(jìn)行仿真和裝置設(shè)計(jì)。

2022年2月變電所的電量和功率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表2所示。

按照空載補(bǔ)償無功0.309Mvar、有載補(bǔ)償無功3.2Mvar來做反向推演計(jì)算。

根據(jù)現(xiàn)場與工作人員的交流,每個(gè)月機(jī)車通過的列數(shù)為10~20次,折中考慮以15次為依據(jù),機(jī)車的運(yùn)行時(shí)速為60km/h,機(jī)車在路段內(nèi)行駛的時(shí)間為1.5h,則每個(gè)月的無功電度為:309×24h×28d＋3200×1.5h×15d=279648kvar·h,與表2中無功電度基本吻合。

2電氣化鐵路SVG一次系統(tǒng)及控制方案

本文設(shè)計(jì)的電氣化鐵路SVG一次系統(tǒng)如圖3所示,整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示。

單相SVG的補(bǔ)償目標(biāo)主要包括無功電流和諧波電流。補(bǔ)償方法主要是從牽引負(fù)載電流中分離出有功電流分量、無功電流分量以及諧波電流分量,綜合補(bǔ)償電流檢測方法的優(yōu)劣主要從分離出各電流分量的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性判別。目前從負(fù)載電流中分離出綜合補(bǔ)償電流的方法比較多,常見的有有功電流分離法、瞬時(shí)電流分離法、無鎖相環(huán)法等。本文制訂的整體控制方案如圖4所示。

(1)通過負(fù)載電流得到的無功缺口,對負(fù)載無功進(jìn)行補(bǔ)償。

(2)由SVG中電容電壓與設(shè)定值的偏差,得到需要從網(wǎng)側(cè)吸收或發(fā)出的有功大小。

(3)固定發(fā)出Iq,補(bǔ)償變壓器空載勵(lì)磁損耗。

3仿真結(jié)果

根據(jù)以上分析,不同工況下220kV側(cè)投入無功情況如表4所示。

無SVG情況下,如圖5所示,在ls機(jī)車進(jìn)入前,變壓器和線路上的空載無功損耗約306kvar,這部分無功是導(dǎo)致長期功率因數(shù)偏低的重要原因。在1.5s后機(jī)車駛?cè)?此時(shí)無功損耗主要包括機(jī)車正常運(yùn)行消耗的無功、變壓器負(fù)載損耗消耗的無功以及過長的線路上流過機(jī)車運(yùn)行電流時(shí)引起的無功。

在有SVG投入的情況下,如圖6所示,在ls機(jī)車進(jìn)入前,SVG對變壓器線路上的空載無功損耗進(jìn)行完全補(bǔ)償,使從220kV側(cè)監(jiān)控到的無功損耗從306kvar降低到36var。在1s后機(jī)車駛?cè)?無功損耗大大增加,達(dá)到5.5Mvar,考慮到經(jīng)濟(jì)性,SVG的設(shè)計(jì)容量為3.2Mvar,此時(shí)SVG只按照設(shè)計(jì)容量的最大值進(jìn)行補(bǔ)償,220kV網(wǎng)側(cè)僅提供剩下的2.3Mvar無功,主要用于機(jī)車無功消耗。在1.5s時(shí)機(jī)車離開,總無功消耗和SVG發(fā)出的無功重新減小。

在SVG投入使用時(shí),27.5kV網(wǎng)側(cè)電壓諧波含量滿足要求,如圖7所示,27.5kV側(cè)電壓中的THD僅為0.17%。

4結(jié)語

本文以某鐵路局牽引變電所為研究背景,設(shè)計(jì)了單相SVG的拓?fù)渑渲眉翱刂品桨?通過對牽引變壓器空載運(yùn)行時(shí)、機(jī)車進(jìn)入時(shí)的兩種算例進(jìn)行仿真,驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的電氣化鐵路單相SVG治理能力。仿真結(jié)果表明,該設(shè)計(jì)方案能夠解決該鐵路線功率因數(shù)過低和功率因數(shù)考核電費(fèi)劇增的問題。