邹大云， 李群湛， 张丽艳， 唐开林， 刘 黎

(西南交通大学电气工程学院， 成都 610031)

牵引变电所综合补偿容量确定方法①

邹大云， 李群湛， 张丽艳， 唐开林， 刘 黎

(西南交通大学电气工程学院， 成都 610031)

给出一种可调无功补偿方案，克服了现有牵引变电所固定并联电容补偿的缺陷。基于实测数据，给出一种配置补偿装置补偿容量的方法。以固定补偿情况下功率因数最高时的补偿容量作为补偿装置固定补偿部分的容量，以可调补偿两臂补偿容量理论值的95%概率大值作为可调补偿部分的补偿容量。并以在两臂设置3次固定滤波器、3次可调滤波器和可调电抗器(FC3+TC3+TL)为例，通过分析其技术性能和经济效益，验证了该方案的优越性和可行性。

牵引变电所； 可调补偿； 无功； 负序； 谐波

整流型牵引负荷功率因数低，谐波含量丰富，其单相独立性又通过牵引变电所在系统中产生负序电流，形成了交流牵引供电系统的三大技术课题，因此需要在牵引供电系统中采用新技术、新措施，以期得到综合解决[1]。

我国现行的牵引变电所一般采用固定并联无功补偿，但是，由于补偿装置不可调，在现行的无功电量“返送正计”计量方式下，固定补偿方式难以满足变电所功率因数指标要求，甚至出现负面影响，很多论文已经给了验证[3，4]。

现今可调无功补偿逐渐兴起，但这些方案大多是以两臂负荷无功功率的平均值或95%概率大值来配置补偿装置的容量[4～6]，这样常常使无功、负序达不到要求，因此合理配置两臂补偿容量变得很重要。

据此，本文给出一种可调无功补偿补偿容量的配置方案。以成昆线上某牵引变电所一天的实测运行数据为基础，设计了一种可调无功补偿方案，并与传统的配置补偿容量的方式进行比较。通过计算机仿真，对两种方案的技术性能进行分析比较，验证了本文所给方案的有效性。

1 最佳补偿容量的确定

1.1 功率因数最高时的补偿容量

针对成昆线上某牵引变电所，根据实测数据(测试仪器为西南交大制造的BDC-5型变电站电能质量监测仪)对它的固定并联电容补偿进行有效性评价，得到功率因数最高时对应的补偿容量。

根据文献[3，7]建立无功返送正计功率因数计算模型，由基波电压、电流幅值和相角计算得到功率因数与安装容量的关系曲线如图1所示。

图1 变电所功率因数与并联电容器补偿容量的关系Fig.1 Relationship between power factor and compensationcapacity of the parallel capacitor

功率因数最大值为0.88，对应的补偿容量为2500 kvar。该结果说明，固定并联电容补偿不能达到供电部门规定的功率因数不小于0.9的要求，需换用可调补偿。在此补偿容量下，牵引变电所功率因数最高，所以可考虑将此最佳补偿容量作为补偿装置固定补偿部分的补偿容量，只需在两臂合理分配以使负序降到最小即可。

1.2 合理分配两臂补偿容量

该牵引变电所的主变接线形式为YN，d11。a、b相供电臂固定并联电容器组的安装容量分别为

2400 kvar和2800 kvar。根据牵引负荷及牵引网电压的实测数据，由[1]

(1)

图2 变电所负序电流与并联电容器安装容量的关系Fig.2 Relationship between negative phasecurrent and fixed capacity of the parallelcapacitor used in substation

从图2可看出，随着a相固定并联电容器组容量的增加，负序电流呈上升趋势，即当a相安装容量为0时，负序电流最小，为21.19 A。而现有的该牵引变电所a相安装容量为2400 kvar，对应的负序电流为23.47 A，所以现行固定并联电容补偿装置对负序补偿不利，应该集中滞后相补偿。

1.3 可调补偿补偿容量的确定

对于YN，d11接线牵引变压器，根据文献[1]各供电臂可调补偿容量可由式(2)确定。

(2)

其中：KC为无功补偿度[8]；KN为负序补偿度[8]，二者均可在[0，1]间取值；s1，s2为负荷容量；φ1，φ2为负荷功率因数；sa，sb，sc为各端口补偿容量；为节约成本，通常只在a、b两相设置补偿装置。

计算中设定KC，KN值，则可得每时刻a、b两相补偿容量的理论值，文中取a、b两相补偿容量的95%概率大值作为可调补偿装置全部投入时的补偿容量。

2 动态无功补偿装置设计

2.1 几个定义

(3)

定义2谐波支路的滤波率(分流率)

(4)

其中，ZSn为系统阻抗，ZFn为滤波器n次谐波阻抗。

定义3端口k相对无功补偿量

(5)

式中，Q=UBB×IR为基波补偿容量，S=UBB×I为平均牵引负荷容量，UBB为端口电压，IR为端口基波电流，I为总牵引负荷电流。

2.2 补偿支路参数配置

若端口的滤波支路为基波容性，则其中电容器组基波容抗为

(6)

串联电抗器基波感抗为

(7)

(8)

2.3 补偿支路滤波器寻优设计程序算法

考虑到牵引变电所3次谐波含量最为丰富，本文只在两供电臂设置3次滤波支路。算法步骤：

步骤1输入已知数据，由综合频偏±δf按式(3)定t3，由式(8)定d3；

步骤4根据确定的t3、d3计算有关技术参数；

步骤5实际电容器和电抗器选择；

步骤6必要的技术校验；

步骤7输出有关参数及滤波效果技术指标。

2.4 降压调压变压器低压侧抽头控制策略

固定补偿始终投入运行，参与补偿无功与滤波。可调滤波器支路与可调电抗器支路根据实测无功的大小决定分接开关的切换，通过晶闸管开关的分合实现降压调压变压器的无载调压，从而改变可调滤波器或可调电抗器支路的功率输出。本文根据文献[7]设置降压调压变压器的变比，采用非线性变比，5级可调。采用文献[6]的控制策略对低压侧抽头的换档进行控制。按照上述控制策略根据实测数据进行仿真，分接开关切换延时设为6 s。无功补偿延时按30 s进行仿真[9]。

3 算例仿真

3.1 补偿装置参数配置

该牵引变电所主变接线形式为YN，d11，容量为16 MVA，单台主变压器运行。变电所进线为110 kV，电力系统三相短路容量为500 MVA。变电所无功计量方式采用“返送正计”计量。变电所a相有补偿装置容量为2400 kvar，b相有补偿装置容量为2800 kvar。调谐率均为12%，电容器组额定电压为4×10.5 kV。

负荷过程曲线如图3所示。

(a) a相电流电压实测数据过程曲线

(b) b相电流电压实测数据过程曲线图3 变电所两供电臂电压电流实测数据过程曲线Fig.3 Measured voltage and current dataof two feeders in substation

为了验证本方法的有效性，本文以在两臂设计3次固定滤波器，3次可调滤波器和可调电抗器(FC3+TC3+TL)为例，对两种设计方案进行比较。第一种方案采用文献[4，6]所给配置补偿容量的方法进行设计；第二种方案用本文所给方法进行设计。

方案1以两臂牵引负荷无功功率平均值来配置两臂固定补偿容量，以95%概率大值配置可调补偿容量。设计参数如表1所示。

表1 方案1参数列表Tab.1 Parameters of scheme 1

注：表中数据均归算至27.5kV侧。

方案2为了使补偿无功和负序达到最佳效果，利用1.1和1.2的结果，以使两臂固定补偿容量之和为2500 kvar，且集中滞后相补偿来配置补偿装置固定补偿部分的参数，以1.3的结果来配置补偿装置可调补偿部分的参数。为使超前相也有滤波能力，所以在超前相配置容量较小的补偿装置。设计参数如表2。补偿装置结构见图4。

表2 方案2参数列表Tab.2 Parameters of scheme 2

注：表中数据均归算至27.5kV侧。

图4 补偿装置结构图Fig.4 Structure of compensation equipment

3.2 仿真结果分析

两种方案的补偿容量均能随负荷动态变化，当牵引负荷空载或较小，机车产生的感性无功小于或等于固定补偿装置补偿的容性无功即“过补偿”时，投入可调补偿装置电抗器调压。当牵引负荷较大，机车产生的感性无功大于固定无功补偿装置补偿的容性无功即“欠补偿”时，分级调节并联电容器组的端电压，使其输出适量的感性无功，实现无功大致平衡。

补偿前后变电所功率因数、负序、谐波指标比较如表3所示。

表3 补偿前后技术指标比较Tab.3 Technical specification comprison betweenwith and without compensation

由表3可看出，两种方案补偿后均能使功率因数达到0.9以上，满足供电部门规定的不小于0.9的要求。但方案2的功率因数高于方案1，说明按方案2的容量配置对补偿无功有效，方案2补偿前后无功功率曲线如图5所示。

图5 变电所补偿前后无功功率曲线Fig.5 Var curves of substation with andwithout compensation

方案1补偿后的负序电流高于补偿前的电流，对负序补偿无效。而方案2使负序电流由补偿前的23.48 A下降为21.22 A，负序电压不平衡度95%概率大值为1.81%，且满足国标规定的小于2%要求， 验证了集中滞后相补偿的有效性。方案2补偿前后两相3次谐波电流曲线如图6所示。

本文主要考虑滤除3次谐波。从表2可看出，补偿后谐波电流减小明显，两种方案均有效。对方案2，最大相谐波电压畸变率95%概率大值由补偿前的3.46%下降到补偿后的2.56%，低于国标限值，对滤波有较好的作用。

文献[1，6]给出了综合补偿经济效益的评价方法，在本文中由表1和表2可知，两种方案所用设备大体相同，只是方案2中补偿支路电容器组安装容量比方案1少，即固定成本将比方案1略低；另外，由于方案2补偿后功率因数高于方案1，即由功率因数提高所带来的经济效益方案2也比方案1高。

(a) a相3次谐波电流

(b) b相3次谐波电流图6 滤波前后a,b两相3次谐波电流曲线Fig.6 Third harmonic current curves of phase a andphase b with and without filtering

4 结语

本文给出了一种配置补偿装置固定和可调补偿部分补偿容量的方法。以在两臂设置3次固定滤波器+3次可调滤波器+可调电抗器(FC3+TC3+TL)为例，对实测数据进行仿真分析。结果表明能使无功、负序、谐波达到要求，实现了综合治理无功、负序、谐波的目的。

[1] 李群湛.电气化铁道并联综合补偿及其应用[M].北京：中国铁道出版社，1993.

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MethodoftheDeterminationofComprehensiveCompensationinTractionSubstation

ZOU Da-yun， LI Qun-zhan， ZHANG Li-yan， TANG Kai-lin， LIU Li

(School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

An adjustable reactive power compensation scheme was proposed in this paper to overcome the defect of the fixed parallel capacitor compensation used in traction substation. Based on measured data, a method to deploy the compensation capacity of compensation equipment was given. The compensation capacity when the power factor arriving the maximum in deploying is used as the fixed compensation part of adjustable compensation devices. Taking the 95% maximum probability theoretical value of two phases when adjustable compensation as the adjustable compensation part. A compensation scheme simulation of the third fixed filter, the third adjustable filter and adjustable reactors(FC3+TC3+TL)set in two phases is designed, and validates its effectiveness and feasibility by technical and economic analysis.

traction substation； adjustable compensation； reactive power； negative sequence； harmonic

2009-11-06

2010-04-06

“十一五”国家科技支撑计划重点项目(2007BAA12B05)

TM631

A

1003-8930(2011)02-0013-05

邹大云(1986-)，男，硕士研究生，研究方向为电气化铁路综合补偿及谐波抑制。Email:zoudayun1986630@163.com

李群湛(1957-)，男，教授，博士生导师，研究方向为牵引供电系统供电理论、电能质量与控制。Email:lqz3431@263.net

张丽艳(1979-)，女，讲师，博士，研究方向为电气化铁路无功及谐波控制、电能质量预测。Email:xphfy@home.swjtu.edu.cn