闫功胜

(上海磁浮交通发展有限公司,201204,上海//工程师)

提高磁浮交通供电系统功率因数的措施

闫功胜

(上海磁浮交通发展有限公司,201204,上海//工程师)

针对上海高速磁浮交通供电系统的滤波、无功补偿设计的特点,分析了供电系统功率因数较低的原因,提出了提高功率因数的技术措施,并分析了该措施的技术、经济效益。最后给出了改进滤波、补偿系统设计的建议。

高速磁浮交通供电系统; 滤波器; 补偿器; 功率因数

1 现有滤波及无功补偿设计

磁浮列车载客运行时,起动、制动及停止频繁。这决定了其牵引系统需面对冲击性的大功率负荷。频繁的功率冲击会影响整个供电系统的电压。磁浮供电系统的主变压器为有载调压变压器。列车在起动期间,功率因数很低,故冲击性无功功率会使供电系统的电压发生剧烈波动。在这种情况下,主变压器的分接头将会频繁动作。另外,牵引系统的变流器是系统中主要的谐波源。

为了稳定供电系统的电压，提高功率因数,并减少供电系统注入电网的谐波,上海磁浮列车示范运营线(以下简为“上海磁浮线”)供电系统设计的无功补偿器及滤波器,同牵引变流器并联在20 kV母线上。其供电系统设计了2座主变电站及2座牵引变电站。主变电站内配置2台110 kV/20 kV有载调压变压器,对应的2段20 kV母线在就近的牵引变电站内。滤波器在谐波抑制的同时还可兼顾无功补偿及调压的需要。在每段20 kV母线上配置5次、7次及11次谐波滤波器,其容量分别为1.023 MVar、1 MVar及4 MVar,总容量约为6 MVar。补偿器采用IGBT(绝缘栅双极型晶体管)动态补偿,在每段20 kV母线上配置10个功率补偿单元,其总调节容量为±6 MVar。每段20 kV母线的滤波及无功补偿配置见图1。

图1 每段20 kV母线上的滤波及无功补偿配置示意图

2 滤波及无功补偿装置存在的问题

滤波器及无功补偿器可使系统的谐波达标，而且能较好地稳定系统电压。在磁浮列车运行的过程中,滤波器及无功补偿器能提供0～12 MVar的无功功率。通过实际的测试数据可以看出,补偿容量远大于列车运行实际需要的无功,即目前上海磁浮线正处于过补偿状态。另外,牵引变流器仅在牵引列车时产生谐波与无功电流。因而在列车非运行期间的系统无功过补偿状态更为明显。由于滤波器产生的无功需由补偿器来抵消,故补偿器常处于满负荷运行的状态。系统无功过补偿的状况带来如下问题:

(1) 增加了电能消耗。没有列车运行时,补偿器处于满负荷运行状态,其电能消耗较浪费。该项损耗约为动态补偿容量的4%。

(2) 系统可靠性低。由于补偿器大部分时间在满负荷甚至超负荷运行,故补偿器的功率模块故障率很高,导致设备可靠性降低。

(3) 供电系统功率因数低。由于系统为无功过补偿状态,故当较多的补偿器因故障退出运行后，这种情况更为严重。供电系统向电网补偿过多的无功功率导致供电系统的功率因数很低。

(4) 主变分接头动作频繁。系统过无功补偿状态使母线电压较高。这会造成主变分接头动作频繁,从而影响设备的寿命及主变油的品质。

(5) 增加运营成本。由于电能损耗增加,而且系统功率因数低于电网公司的要求。这样不仅增加了电费支出,而且每个月还会遭受电网公司高额的电费罚款。

3 提高功率因数的措施

如果能改变供电系统无功过补偿的状态,使其与电网之间的无功交换减少,就能解决功率因数较低及母线电压不稳所导致的主变电站分接头动作频繁问题。为此,本文基于补偿器因故障而有较多单元退运的情况,提议适当减少滤波器运行的容量——将2个牵引变电所内3段20 kV母线(带有少于10个单元补偿器)上的5次、7次滤波器解开,仅保留11次滤波器的运行。其中，由于浦东机场主变电站(以下简为“PD变”)B段20 kV母线上带有满容量的补偿器,且其功率因数较高,故不作调整。解开上述2个滤波器后,无功补偿总容量为10 MVar,仍满足系统无功补偿的需要。此时需检验调整滤波器运行方式之后的滤波要求是否能得到满足。为了验证措施的可行性,进行了相应的试验。试验中,列车均以430 km/h的速度运行。

3.1 方案一

方案一将PD变B段20 kV母线段上的补偿器及滤波器均退运,则以该段母线所带的变流器驱动磁浮列车的运行来测试各项电能质量参数。测点位于PD变B段110 kV进线处。测试结果见表1。其中，电压总畸变率限值为2.000%，而实测值为3.726%。

表1 采用方案一时的电能质量参数

由测试结果可知，试验运行的供电系统功率因数很低,测得的电网侧(110 kV进线侧)的电压畸变率超标，11次滤波器与13次滤波器的谐波电压超标,谐波电流达标。

3.2 方案二

方案二将PD变B段20 kV母线段上的补偿器全部投运，滤波器全部退运,然后运行列车来测试各项电能质量参数。测点位于PD变B段110 kV进线处。测试得到数据见表2。其中，电压总畸变率限值为2.00%，而实测值为3.726%。

表2 采用方案二时的电能质量参数

由测试结果可见，该试验中电网侧(110 kV进线侧)的电压畸变率超标，11次滤波器与13次滤波器的谐波电压超标,谐波电流达标,而电压和功率因数满足要求。

3.3 方案三

方案三将该母线上补偿器投运一半,而滤波器全部投运,然后运行列车来测试各项电能质量参数。测点位于PD变B段110 kV进线处。测试结果见表3。其中，电压总畸变率限值为2.000%，而实测值为1.309%。此方案下，如短路容量有变化,则谐波电流限值也变化。

由测试结果可见，电网侧(110 kN进线侧)的电压畸变率、谐波电压及谐波电流等参数均满足国家标准要求。

3.4 方案四

方案四将PD变B段20 kV母线上的补偿器投运一半,而滤波器全停运,然后运行列车来测试各项电能质量参数。测点位于PD变B段110 kV进线处。得到测试数据见表4。其中，电压总畸变率限值为2.000%，而实值为3.726%。

表4 采用方案四时的电能质量参数

由测试结果可见,方案四中电网侧的电压畸变率及谐波电压、谐波电流等参数均比方案三有所增大,但仍能满足国家标准要求。

3.5 综合比较

综合来看,当PD变B段20 kV母线段上补偿器不足10个单元时,可解开该段上的5次滤波器及7次滤波器，保留11次滤波器。这一措施从理论上具备可行性，不仅能满足无功补偿的需要,而且还能满足滤波的要求。

4 措施的技术及经济效益分析

根据上述试验，在某月4日夜间列车运行结束后,解开了1段母线上的5次、7次滤波器;在当月10日夜间列车运行结束后,同样解开了另外2段母线上的5次、7次滤波器。之后,进行了1次24 h的电能质量参数测试。测点位于龙阳变点站(以下简为“LY变”)B段110 kV进线处。测试结果见表5。其中电压总畸变率限值为2.000%，实测值为1.970%。

表5 24 h电能质量参数

从测试数据可以看出，在调整滤波器运行方式之后,电网侧的谐波电压及谐波电流含量均符合标准,总的电压畸变率也符合标准。通过观察发现,电气设备的运行安全稳定。可见，测试数据及设备运行都验证了该措施的技术可行性及可靠性。

该方案执行后,供电系统的功率因数明显提高,主变电所分解头每天的动作次数显著减少。主变电所分接头动作次数的显著下降，可延长设备寿命,减少灭弧次数，延长主变电所中变压器油的使用寿命。滤波器运行容量的降低使母线的有功消耗降低,节约了电费支出。而提高后的功率因数满足了电网公司的要求，避免了高额罚款。滤波器运行容量的降低也可使母线的有功消耗降低,进一步节约电费。具体技术经济效益见表6。

从表6可以看出，调整滤波器的运行方式后,电费罚款减少额度约为29万元;电费支出金额减少约70万元。即当月电费罚款及电费支出共节省约为99万元。

5 滤波及无功补偿设计改进

从设计角度可对供电系统的滤波及无功补偿进行如下改进:

(1) 在既有系统设计的基础上,改变无功过补偿的状态。在满足滤波及无功补偿的基础上,对设备容量配置上进行优化,适当降低滤波器的容量,或者适当提高动态补偿器的容量,改变无功过补偿的状态。

(2) 改变既有系统的设计方式。可不用FC(Filter Compensatior)滤波器加动态补偿器的方式,而采用有源滤波器(APF)。此时，需结合磁浮列车的运行特点,来考虑APF的过载能力。

表6 调整滤波器运行方式后的技术经济效益数据

6 结语

分析了上海磁浮列车示范运营线供电系统滤波及无功补偿的设计特点,及其在运行中的问题,并从运行角度提出了提高供电系统功率因数的措施——解开5次、7次滤波器、保留11次滤波器运行。该方案经试验证实在技术上可行可靠,且具有良好的技术经济效益。

此外，还从设计角度提出了改进建议——在原设计方案基础上需优化容量配置，进而改变过补偿的状况；或者采用新的APF方案。

[1] 王兆安,杨君,刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社,2002.

[2] 李序葆,赵永健.电力电子器件及其应用[M].北京:机械工业出版社,2003.

[3] 吴竞昌,供电系统谐波[M].北京:中国电力出版社,1998.

[4] 国家技术监督局.电能质量 公用电网谐波：GB/T 14549—1993[S].北京:中国标准出版社,1994.

[5] 中国质量监督检验检疫总局,国家标准化管理委员会.电能质量 供电电压偏差：GB/T 12325—2008[S].北京:中国标准出版社,2009.

Measure to Raise Power Factors of Maglev Transportation Power Supply System

YAN Gongsheng

According to the designing of harmonic restraining and reactive power compensation, the low power factors of power supply system in high-speed maglev transportation are analysed, the measures to raise power factors are proposed, the technical and economical benefits of which are analysed. Finally, advices for optimizing the harmonic restraining and reactive power compensation are put forward.

power supply system of high-speed maglev transportation; filter; compensator; power factor

Shanghai Maglev Transportation Development Co.,Ltd., 201204, Shanghai,China

U 237.8

10.16037/j.1007-869x.2017.03.016

2015-05-21)