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功率计算 无功补偿

电气化铁道谐波抑制与无功补偿的最优计算

摘要:首先分析了电铁谐波抑制和无功抵偿的现有方式和各个方式存在的优错误谬误,总结了它们之间的基本联系和需要斟酌的多种身分。经由过程对现实工程的索求,针对电铁负荷这一特殊类型,从无源滤波器的基本设计进手,回纳出了综合斟酌总投资等身分情况下,电气化铁道最优谐波抑制与无功抵偿的计较方式,文章最后经由过程对现实工程进行仿真并对成效进行了分析,进一步确认了该方式的准确性和可行性。


1 引言

谐波问题与无功功率问题对电力系统和电力用户都长短常重要的问题,也是近年来各方面关注的热门之一。谐波抑制和无功抵偿是两个相对自力的问题,可是两者间的联系很是慎密:(1)存在谐波的情况下,无功功率的界说和谐波有紧密亲密的关系,谐波除自己的问题之外,也影响负载和电网的无功功率,影响功率因数。(2)发生谐波的装配同时也年夜都是消耗基波无功功率的装配,如各类电力电子装配、电弧炉和变压器等。(3)抵偿谐波的装配凡是也都是抵偿基波无功功率的装配,如LC滤波器、有源电力滤波器中的许多类型都可以抵偿无功功率。

电气化铁路具有速度快、运输能力强、供电距离长、勤俭能源与造价、牵引性能好等优点,因而具有广漠的成长前景,是世界和我国铁路成长的标的目的。可是,由于电气化铁路的负荷特殊,所发生的谐波、负序不仅影响到电铁牵引站的供电靠得住性,对当地电网的平安靠得住运行也发生了十分晦气的影响。

当前电铁谐波抑制的主要措施是在谐波泉源加装LC调谐滤波器、静止无功抵偿器(SVC)或是有源电力滤波装配(APF或SVG)(1)无源滤波器装配,即由电力电容器、电抗器和电阻器适当组合而成的滤波装配。由于其结构简单、运行靠得住、维护利便和价格上的优势,获得了普遍的运用,但也有很多错误谬误:①有用材料消耗年夜,体积年夜;②滤波要求和无功抵偿、调压要求有时难以协调;③滤波效果不够理想,对系统运行状态较敏感;④系统频率特征变化时,在某些条件下可能和系统发生谐振或发生谐波放年夜,引发事故。(2)静止无功抵偿器虽然可以凭据无功功率需求量自动进行抵偿,适合抑制快速变化的畸变负荷(如电力机车)所发生的电压波动和闪变,可是也必需注重它们自身所发生的谐波影响。(3)有源滤波器虽然在滤波效果、无功抵偿效果、抑制电压波动及装备体积等方面都有较年夜优势,可是其投进实用的最年夜障碍是装备的高价格。

在电铁牵引变电所加装无源滤波器,不仅可以吸收谐波电流,而且也能提高功率因数和电压质量。滤波装配的设计要求是以最少的投资到达最好的抵偿与抑制效果。本文以西昌电气化铁道为例进行滤波器设计和仿真研究,提出了兼顾投资成本等多身分的电铁无源滤波分组投切最优抵偿方案的计较方式。


2 基本设计方式

由于电铁负荷变化很年夜,在轻载时形成无功倒送(进相无功),电力经管部门对此一般采用反送正计功率因数计量,即按一段时期统计的平均无功(无功按尽对值相加)和平均有功的关系计较功率因数cosθ。即:经由过程公式可以看出,无功的削减直接致使功率因数的优化。依照最小二乘法,即当并联滤波器后的平均等效无功接近该电臂负荷的平均无功值,可以获得固定抵偿下的最高功率因数。

现有的电气化铁道治理方案计较方式通常为以监测获得的实测数据,按预设的各可能方案(例如:固定无功抵偿器、无源滤波器组分组投切+固定电抗器、无源滤波器组+固定电抗器分组投切等)划分计较滤波器参数和进行成效的校验。是以整个设计进程所需时间、方案接近最优的水平主要由方案的预设进程和相关参数(滤波效果、总投资、装备安装等)的校验与比力来决议。虽然最终方案能到达设计要求,但纷歧定为最优成效。

凭据各类经验模子(抵偿方式等)模块的建立,可以由法式自动计较出所有最优组合,而且凭据具体要求(是否设定评估权重)获得所需的方案(或方案列表)。凭据从此的成长需要,法式只需要进行模块扩大就能知足最终输出的周全性。在此限于篇幅仅介绍抵偿分段,兼顾总投资最小的最优投切计较方式,即把无源滤波器(或并联电抗器)进行分组,针对分歧的分组情况,连系投切阈值与延迟时间,在知足滤波要求的基本条件下,经由过程法式自动追求最优分组投切抵偿方案。

依照无功抵偿的要求,应使负荷的无功尽量由兼作无功抵偿器的滤波器抵偿。在工程现实中,应在负荷消耗的无功跨越某些阈值时,哄骗开关进行无源滤波器的分组投切,分段抵偿。可是在工程实现上存在一些约束条件:

(1)由于滤波器只能依照各次滤波器的并联数进行分组,没法实现无级抵偿。

(2)若是对滤波器分组过量,虽然能提高抵偿效果,增年夜功率因数,可是同时也增加了开关(在现实工程中,使用年夜功率电子开关器件,可以频仍投切)的数目,进一步增年夜了装备投资。

(3)用作滤波器投切的开关的价格和使用寿命与投切次数紧密亲密相关。依照最优抵偿效果,经常会泛起开关投切过于频仍,造成使用寿命较短,持久投资增加。

(4)进行分组投切的滤波器依照各次谐波的滤波要求设计,进行分组后,也必需知足滤波要求。

综合斟酌以上约束,可以获得基于非线性计划的滤波器优化设计模块的数学描写:其中,f(SWM,T,m,Pi,Qi)为知足滤波效果和开关投切次数限制进行潮水计较所得的反送正计功率因数的函数;g(SWM,T,Pi,Qi)为投切次数的约束条件函数,T是开关投进的延迟时间;N为某时段所能接受的投切次数,由所采用的开关类型决议,所选定的最年夜阈值和开关延迟时间决议了开合次数,同时也影响功率因数,所以可以经由过程初步计较挑选出知足开合次数的可能组合,减小计较量;m是分组情况,凭据分歧工程设计要求,可以分为各次谐波滤波器内分组(如图1)、滤波器间组合分组(以下仿真实例)和滤波器与并联电抗器分组等方式;n为谐波的次数;Pi,Qi是负荷在一段时间内的无功与有功;SWM为投切时采用的阈值,影响投切的最年夜阈值由滤波率决议;SWmn是某种分组情况下,滤波器投切的无功上限(最年夜阈值)。经由过程潮水的计较,对知足各项尺度的寻优成效(可能有多个)按具体要求的各项身分权重进行自动某人为评估。

鉴于用户注进电网的谐波电流允许值是公共联接点三相数据。凭据阻抗平衡型牵引变压器的接线方式和两相侧谐波电流的相位变化,两供电臂流进110kV电力系统公共联接点三相的谐波电流计较式以下:[FS:PAGE]假设α臂、β臂谐波电流仍能知足90°相位条件。Iαh、Iβh划分暗示两供电臂的第h次谐波电流。牵引变压器三相侧注进系统的谐波电流不跨越国标允许值Ih允许,亦即:由二次不等式性质可知,在Iαh与Iβh的代数和为定值时,滤波后使Iαh=Iβh时三相侧注进系统谐波电流相等且最小。即其中,In是各次谐波在变压器高压侧的电流限值,U是低压侧额定电压,αmn是某种分组情况下对n次谐波电流的分流比,HRIn是n次谐波的电流含有率,ZS是系统的阻抗,ZC是已投进的分组无源滤波器的阻抗。


 3 电铁谐波治理中的仿真

鉴于西昌地域处于四川电网的结尾,而且无年夜的电源点,与主网的联系很是亏弱。四周的电源支持点由于装机容量较小,是以不足以支持该地域内的负荷,电网的短路容量也较小。由于上述缘由,电铁投运后所发生的谐波、闪变、波动和不服衡等问题十分突出。西昌电网担负西昌卫星发射基地等重

要负荷的供电使命,西昌电网的电能质量问题给电网的平安运行和重要负荷—西昌卫星发射中心的靠得住优质供电造成了极年夜的威胁。

针对西昌电铁的现实运行情况,以泸沽牵引变电所为仿真对象。仿真设计的基本要求以下:

(1)至少具有3、5、7次谐波滤波功能,使牵引变电所注进电网的谐波电流到达国家尺度的要求。  

(2)在公共联接点处由牵引变电所负荷波动酿成的电压波动和闪变到达国家尺度及三相不服衡的要求。

(3)公共联接点处110kV母线电压控制在106.7~117.7kV之间,牵引变电所27.5kV母线电压不跨越29kV。

(4)保证在各类运行方式下不发生谐波放年夜及谐振。各滤波支路的电流、电压、容量校核应合适有关国家尺度。

经由过程计较并比力可知:

(1)若是使用无源滤波器组+固定电抗器抵偿方案(不分组投切),最高功率因数不能知足抵偿要求(cosθ<0.9)(计较成效如表1)。

(2)如采用有源滤波器方案,投资将年夜年夜超越。  

(3)采用滤波器分组投切寻优算法,预先设定各相关尺度和总投资等相关身分的权重(也可凭据输出的各类最优成效综合斟酌)。为知足频仍投切,使用真空开关(VBM34kV600A),同时采用延时投切的方式。两臂实测的平均无功划分为1.1Mvar和1.6Mvar。斟酌凭据滤波要求(只斟酌3、5、7次谐波)可以计较出知足谐振点和滤波率的各次滤波器串并联数(表2)。对于电铁负荷,当有机车经由过程时,无功与负荷电流较年夜,且基本维持在一定的高负荷水平;而线路上无车辆运行时则无功与谐波水平很低。依照以上分析,只需在较高负荷(无功)水日常平凡投进全数滤波器,在低负荷时投进部门滤波器。  斟酌工程现实安装及控制,3、5、7次滤波器组内不再拆分,只进行简单的组合分组;连系滤波器分组情况和并联电抗器部门的等效无功值肯定投切区间,最后凭据选定的步长在寻优计较进程中作为每种分组情况下的抵偿调理,以决议最优分组投切状态。

 在此列举计较进程中三种分组方式的成效,如表1所示。

(1)固定无源滤波器+并联电抗器(两级):3、5、7次滤波器同时投进后,仅凭据应抵偿的无功电流决议并联电抗器是否投进。α臂和β臂并联电抗器划分为2.9Mvar和2.6Mvar(使两臂等效无功到达其现实平均无功水平)。可形成两种抵偿量:α臂1.1Mvar和4Mvar;β臂1.6Mvar和4.3Mvar。总共使用4个VBM。

(2)固定无源滤波器+并联电抗器(三级):3次与5次、7次滤波器同时投进;3次与5次、7次滤波器与并联电抗器同时投进;3次滤波器和并联电抗器同时投进。α臂和β臂的并联电抗都是2.3Mvar(3次滤波器和电抗器并联后仍呈进相无功)。可形成三种抵偿量:α臂0.3Mvar、1.7Mvar、4Mvar;β臂0.6Mvar、2.1Mvar、4.3Mvar。总共使用6个VBM,并联电抗器一拆为二,增加20万元,真空开关增加24万元。

(3)并联电抗器分拆为两个,划分为1Mvar和2.5Mvar。响应可形成四种无功抵偿量:α臂0.5Mvar、1.5Mvar、3Mvar、4Mvar,β臂0.8Mvar、1.8Mvar、3.3Mvar、4.3Mvar。比起(1)增加6万元(增加了电抗器容量1.5Mvar)。

经由过程前述的计较方式寻优,各分组情况下投切时间为5min时成效较佳。从成效来看,分组一仅控制并联电抗器开断最为简单,且投资费用最低。平均功率因数0.92,知足功率因数要求,经由过程对滤波效果等相关参数的校验,知足要求。在真空开关投切的进程中,滤波器接进方式不变,所以不影响对谐波的滤波效果。分组二经由过程改变3、5与7次和电抗器之间的并联组合关系来改善功率因数和无功倒送情况,可取得0.96的平均功率因数。瞬时最年夜倒送无功下降到2Mvar,可是在滤波器分组投切进程中,在只有3次滤波器接进时,注进系统的5、7次谐波可能超越允许值。分组三不改变滤波器接进方式,由两组电抗器来控制无功抵偿量,故平均功率因数可达0.955,瞬时最年夜无功倒送减小到1.88Mvar,且不改变对谐波的滤波效果,可是由于增加开关并将电抗器拆分增加了投资。

采用无源滤波器+并联电抗器分组投切可改善牵引变电所平均功率因数,知足考核要求,削减容性无功倒送量。采用两牵引臂各一个真空开关控制并联电抗器投切、滤波器组始终连结接进的方式,控制简单,且不影响开关切换前后的谐波抑制问题。需要注重的是真空开关应在电流过零相位断开,以削减反电势对开关的影响。


点击次数:  更新时间:2017-04-24 10:40:13  【打印此页】  【关闭