同相供电系统的对称补偿

同相供电系统的对称补偿

电力诱导是实现铁路货运负荷和客运高速的唯一途径。目前我国牵引供电系统主要采用异相(两相)供电方式,为求得相对平衡必然要进行换相,即在牵引供电系统中设置分相绝缘器环节,这对实现货运重载和客运高速将产生极大制约作用,同时,负序和谐波等问题在重载高速下会更加严重,现有牵引供电系统结构受到极大挑战。同相供电技术是解决由于目前牵引供电系统本身结构的制约而难以实现货运重载和客运高速这一问题的方案之一。同相供电就是在论及区段上各牵引臂均由同一相电压供电,由分区所处断路器的分、合状态,可以实现单边供电或双边(多边)贯通式供电。而同相供电的关键技术就是采用对称补偿装置对牵引负荷的负序进行补偿。同时由于牵引负荷的功率因数偏低,实行两部电价制度使电费猛增,所以功率因数也是补偿目的之一。从经济和技术两方面因素综合考虑,同相供电的对称补偿装置宜采用分级可调方式。因此,这就需要对补偿装置进行合理的控制。1双向-固相对称补偿技术方案为衡量对称补偿装置的补偿效果,定义无功补偿度KC∈和负序补偿度KN∈,ΚC≜∑对称补偿装置容性无功功率∑牵引负荷感性无功功率(1)ΚΝ≜∑对称补偿装置产生的负序∑牵引负荷产生的负序(2)根据牵引变电所无功和负序综合补偿特性,对于任意给定的无功补偿度KC和负序补偿度KN,总有以下方程成立{4∑p=2Sp=ΚCS1sinφ1j4∑p=2Spej2Ψp=ΚΝS1ej(2Ψ1+φ1)(3)式中,S1、φ1为牵引负荷容量及其功率因数角;Sp(p=2,3,4)为补偿端口p的补偿装置容量,容性取正,感性取负;Ψp(p=1,2,3,4)为端口p的接线角,即以˙UA为参考向量,˙Up滞后˙UA的相角。给定牵引变压器,由式(3)可以解出Sp(p=2,3,4)。当取KC=1且KN=1时,可以完全补偿无功和负序,实现原边电流对称,即任意牵引变压器应用对称补偿技术均可构成三相-单相对称变换系统,实现同相供电。只是不同的方案具有不同的经济效益。对于常用的牵引变压器,如YN,d11接线、V,v接线等,如果在牵引侧的三个自然端口实施对称补偿,由于接线角不等,为使KN=1,三个端口补偿设备容量必然大于牵引负荷容量,使补偿设备利用率不高,造成容量浪费,而且系统比较复杂,不利于控制。为了使补偿装置容量最小,应使各端口补偿装置负序电流和牵引负荷负序电流反向共线。此时,应有以下方程组成立{4∑p=2Sp=ΚCS1sinφ14∑p=2|Sp|=ΚΝS1(4)由式(4)可见,为了达到最佳补偿效果,必须且只需在某两个端口(不是任意的)设置补偿器,且性质不同。两端口补偿器所产生的负序电流必须同向且与牵引负荷所产生的负序电流反向。即应有下面两式成立{SC-SL=ΚCS1sinφ1SC+SL=ΚΝS1(5){ΨC=-45°+Ψ1+φ12(135°+Ψ1+φ12)ΨL=45°+Ψ1+φ12(-135°+Ψ1+φ12)(6)式中,ΨC为容性补偿装置所在端口接线角;ΨL为感性补偿装置所在端口接线角。式(5)给出了实施同相供电对称补偿时所需补偿设备容量最小时的关系。式(6)表明实现三相-单相对称变换需安装电容器组和并联电抗器的两个端口电压在相位上互相垂直。推导过程见文献。目前常用的YN,d11接线牵引变压器次边不能提供电压相互垂直的两个端口,对称补偿装置计算容量不能达到最小理论值,造成补偿容量浪费。而采用特殊接线方式完成三相-单相对称补偿,使无功、负序完备补偿方式最简化,补偿装置容量最小,并且能与单相接线牵引变压器相配合,实现同相供电。实现三相-单相对称补偿的特殊接线方式主要有不等边Scott接线、不等边YN,vd接线、不等边V,v接线和YN,2d接线等。各种接线原理可查阅文献,此处不再赘述。2补偿装置容量配置对分级可调对称补偿装置容量配置和控制策略的目标,是在各种负荷情况下用最小补偿容量使补偿后的无功和负序满足技术指标。在满足指标前提下,采用最经济原则,即用最小对称补偿设备容量,以期节省投资。对负序和无功的技术指标要求为{S(-)Σ≤αuSdcosφc≥0.9(7)式中,S(-)Σ为补偿后负序容量;αu为牵引变电所进线处允许的电压不平衡度;Sd为牵引变电所进线处短路容量。补偿后的剩余负序容量为S(-)Σ=S1√Κ2S+1-2ΚScos(φ1-Ψ1)(8)式中,ΚS=SC+SLS1。补偿后功率因数为cosφc=S1cosφ1√S21cos2φ1+(S1sinφ1-(SC-SL))2(9)将式(7)、式(8)、式(9)联立可解得{SC+SL≤S12cos(φ1-θ)+√4cos2(φ1-θ)-4(1-α2uS2d/S21)2S12cos(φ1-θ)-√4cos2(φ1-θ)-4(1-α2uS2d/S21)2≤SC+SLSC-SL≥(1-0.485√cos2φ1-1)S1sinφ1(10)国标(GB/T15543-1995)中规定:电力系统公共连接点正常电压不平衡度允许值为2%,短时不得超过4%。因此,负序指标约束式中系统短路容量Sd应在系统最小运行方式下取进线中容量较小一路的数值。αu的取值与S1相对应,即αu取正常限值2%时,则S1取负荷平均有效值;αu取短时限值4%时,S1取负荷的95%概率最大值。如果牵引负荷的95%概率最大值大于平均有效值的2倍,则实际起约束作用的是短时限值,否则,实际起约束作用的是正常限值。为了节省投资,在确定对称补偿装置容量时通常都是在满足技术指标前提下选择补偿装置容量最小,因此,式(10)中实际起作用的通常为第二式,第一式少有作用。下面对式(10)分三种情况分析:情况一:功率因数约束限值高于负序约束限值,即补偿前功率因数较差(如0.6),而负序较好(负荷较小),则对称补偿装置应以补偿无功为主,兼补负序,其容量配置应以电容器组为主。同相供电系统中交直机车再生反馈时,其功率因数较低(有功反送不计,无功反送正计),属于此种情况。情况二:功率因数约束限值低于负序约束限值,即补偿前功率因数较好(如0.8),而负序较差(负荷较大),此时应同时补偿无功和负序,即补偿装置容量配置应包括容性补偿装置和感性补偿装置。同相供电系统中交直机车无再生反馈时其功率因数约为0.8,属于此种情况。情况三:功率因数限值远低于负序约束限值,即补偿前功率因数接近1,而负序较差(负荷很大),此时补偿装置主要是消除负序。同相供电系统中运行交直交机车时属于此种情况。当容性和感性补偿装置的总容量确定以后,应对容性和感性补偿装置进行合理的分组。理论上对容性和感性补偿装置分组越多越好(理想情况为连续可调),但由于牵引负荷变化剧烈,分组过多会导致多组对称补偿装置同时投入或切除,使系统接线和保护非常复杂,不利于运行和维护。综合考虑,可将容性补偿装置分成1～6组,感性补偿装置分成1～3组。补偿装置投入和切除的原则对补偿效果有很大影响。补偿目的不同则控制策略也不同。针对上面三种情况的控制策略如下:情况一:采用电容器组补偿,只在一个端口上设置电容器组,其控制策略为:(1)投入一组电容器的条件:总功率因数低于目标功率因数,且投入一组电容器后,无功比投入前减小(此处无功按“反送正计”情况,即按无功绝对值计算,下同)。(2)切除一组电容器的条件:当前牵引负荷与已投入的电容器组的总功率因数为超前,且切除一组电容器后的无功比切除前减小。情况二:采用电容器组和并联电抗器补偿,在两个端口上分别设置性质不同的补偿装置,其控制策略为:(1)投入一组电容器的条件:无运行并联电抗器时,当前牵引负荷与已投入的电容器组的总功率因数低于目标功率因数;有运行并联电抗器时,投入一组电容器后的负序比投入前减小。(2)切除一组电容器的条件:无运行并联电抗器时,当前牵引负荷与已投入的电容器组的总功率因数为超前,即处于过补偿状态;有运行并联电抗器时,切除一组电容器后的负序比切除前减小。(3)投入一组并联电抗器的条件:当前牵引负荷与已投入的电容器组的总功率因数达到目标功率因数,且投入并联电抗器后的负序比投入前减小。(4)切除一组并联电抗器的条件:当前牵引负荷与已投入的电容器组的总功率因数达到目标功率因数,且切除并联电抗器后的负序比切除前减小。情况三:为尽量避免降低功率因数,并联电容器组和并联电抗器应按相同容量分组,并且投入和切除也应同步进行。投入和切除的条件是负序减小。对每种情况投入(切除)电容器组(并联电抗器)的前提是尚有未投入(切除)的电容器组(并联电抗器),且短时内未曾切除(投入)电容器组(并联电抗器)。此外还应遵循先投入(切除)先切除(投入)的原则,以使设备寿命损失基本相等。3补偿扩大效果分析为了便于验证设计结果,现针对上述对式(10)分析的三种情况分别举例进行仿真。前两种情况所取数据均为牵引变电所单供电臂的实际负荷数据,如图1和图2。第三种情况所取数据是由牵引变电所单供电臂实际负荷数据整理得到。由于同相供电中牵引负荷为两臂总负荷,因此将原负荷扩大两倍,负荷数据为每一秒钟一个点,共5000点,如图3。经过对原始数据的统计和计算可以得到设计的原始数据如表1。仿真是按照既有负荷数据依上述控制策略对补偿装置进行投入和切除,同时计算出补偿后的负荷数据,并统计功率因数和负序的技术指标。平均功率因数是在反送正计条件下计算。设计目标为功率因数达到0.9,负序容量限值情况一为15MVA,情况二为10MVA,情况三为6MVA。现将对三种情况的设计结果和补偿效果总结如表2。对三种情况均做不完善补偿和完善补偿两种方案以做比较。对于情况一,由于补偿前功率因数较低,因此对无功补偿容量要求较高。设计中是以无功指标约束式来确定电容器组和并联电抗器的容量。为满足功率因数指标,不完善补偿只需电容器组容量大于无功指标约束式限值即可;完善补偿则需电容器组与并联电抗器容量之差大于无功指标约束式限值。由表2可以看出,两种补偿方式对无功的补偿效果基本相同。由于不完善补偿方式是以补偿无功为主要目的,因此对负序的补偿效果不如完善补偿方式。两种补偿方式均可满足功率因数指标和负序指标。由于不完善补偿所需补偿装置容量小于完善补偿,根据经济的原则,此种情况宜采用不完善补偿。对于情况二,虽然补偿前功率因数有所提高,但仍未满足指标,且对负序要求提高,因此应对无功和负序同时进行补偿。设计中是以负序指标约束式限值来确定电容器组和并联电抗器的容量。由表2可以看出,不完善补偿方式为满足负序指标只能增大电容器组容量,但单组容量增大对功率因数并无明显影响。对于完善补偿可以利用并联电抗器来降低负序。当电容器组与并联电抗器容量之差增大时,补偿后的功率因数相应增大。由于对并联电抗器的控制是以负序为主要依据,这对无功补偿产生不利影响。两种补偿方式均可满足功率因数指标和负序指标。综合考虑此种情况宜采用完善补偿。对于情况三,由于补偿前负荷功率因数接近于1(滞后),且对负序要求更加严格,因此补偿负序是主要目的,电容器组和并联电抗器容量由负序指标约束式确定。从表2可以看出,不完善补偿为满足负序指标,不得不采用过补偿,功率因数由接近于1(滞后)变为0.9左右(超前),因此不是理想补偿方式。而完善补偿对无功和负序的补偿效果都令人满意。此种情况宜采用完善补偿。4同相供电对称补偿装置控制策略在同相供电系统中,一般在线路上运行的为交直交机车或交直机车和交直交机车共线运行,功率因数较高,而负荷较大,因此对称补偿装置的主要目的是对负序的补偿,即上述第二种情况和第三种情况。完善补偿方式由于其对负序的良好补偿能力而成为首选。对称补偿装置的设计应以满足无功和负序技术