高速铁路电力配电所无功补偿研究

学术论文 2018-01-29 11:51:15
  1 概述 
  在高速铁路中,为提高供电可靠性和安全性,减少维护量,电力贯通线一般采用全电缆敷设方式,电力电缆电容电流很大,导致配电所两端供电臂末端电压升高,超过允许的范围,因此必须采取措施加以调节。通常在10kV贯通线每隔10km距离设置小容量固定式电抗器补偿,另外在10kV配电所母线段上设置无功补偿装置。由于高速铁路贯通线负荷处于不断变化,固定式电抗器不能实时跟踪负荷变化,补偿精度不高,有些时段欠补偿或过补偿,甚至有可能导致并联谐振问题,因此10kV配电所应安装动态无功补偿装置进行无功补偿。 
  2 动态无功补偿装置的选择 
  2.1 分组投切电抗器 
  2.1.1 工作原理 
  分组投切电抗器采用真空接触器投切多组并联电抗器,投切时不对系统造成冲击,以功率因数为投切信号,投切控制器一般调整范围为0.9~0.95,即功率因素在0.9以下时必须投入,在0.95以上时必须切出,功率因数在0.9~0.95之间装置不动作。 
  控制器采用先进的数码编组方式,按无功容量大小自动选择匹配电抗器逐个投入和切除并兼顾动作次数,实行均衡投切,不会出现投切振荡。以最少的电抗器组数实现最佳的电抗量控制,例如三组电抗器可产生七种电抗量,控制更精确,减少成套的成本和空间。 
  2.1.2 主要优缺点 
  分组投切电抗器的优点是实现自动跟踪补偿,投切简单、灵活。 
  缺点是按分组逐级调节无功,不能做到平滑的无级补偿;电抗器由于频繁投切而产生的涌流和过压,使电抗器寿命大幅缩短,一次接线复杂。 
  2.2 SVG静止无功发生器 
  2.2.1 工作原理 
  SVG静止无功发生器是将电压型自换相桥式电路通过电抗器并联在电网上,当只考虑基波频率时,SVG动态无功补偿装置可等效视为幅值和相位均可控的一个与电网同频率的交流电压源,适当调节交流侧输出电压的相位和幅值,当其幅值大于系统侧电压幅值时输出容性无功,小于时输出感性无功。 
  静止无功发生器中最核心的器件是变频器,如果变频器的脉宽恒定,通过改变系统电压与变频器输出电压间夹角,变频器DC侧的电容电压可以得到调节,使逆变器产生满足要求的无功补偿电流,使SVG发出或者吸收无功功率。 
  2.2.2 主要优缺点 
  SVG静止无功发生器的优点是响应时间快、运行范围宽,既可补充感性负荷,也可以补偿容性负荷,高次谐波含量低,占地面积小,安全性高。 
  缺点是控制复杂,成本高。 
  2.3 TCR晶闸管控制电抗器 
  2.3.1 工作原理 
  TCR晶闸管控制电抗器是由晶闸管直接控制电抗器,其触发角的可控范围是90°~180°,改变控制晶闸管的触发控制角,可以连续调节流过电抗器的电流,从而导致电抗器吸收无功功率的变化。 
  控制器首先对电压、电流进行采样检测,根据检测量的大小及给定输入量的大小,产生相应的触发角以改变流过电抗器的电流,以调节补偿系统无功功率。 
  2.3.2 主要优缺点 
  TCR晶闸管控制电抗器的优点是可以实现较快、连续的无功功率调节,具有反应时间快、运行可靠、无级补偿、可分相调节、能平衡有功、适用范围。 
  缺点是结构复杂,损耗大,任何一只SCR击穿,都会使晶闸管整体损坏,对冷却要求严格,设备造价、建设施工及运行维护费用很高,对维护人员要专门培训以提高维护水平。 
  2.4 MCR磁控可调电抗器 
  2.4.1 工作原理 
  MCR磁控可调电抗器采用直流励磁原理,通过调节晶闸管的触发控制角,利用附加直流励磁磁化铁心,改变铁心磁导率,实现电抗值的连续可调,改变电抗器感抗电流,以投入的电抗器感性无功容量变化来补偿系统容性无功。 
  控制器对电压、电流进行采样检测,根据检测量的大小及给定输入量的大小,产生相应的晶闸管触发脉冲以改变铁芯磁饱和度,以调节补偿系统无功功率。 
  2.4.2 主要优缺点 
  MCR磁控可调电抗器的优点是功率因数可以达到0.99,无功补偿容量实现自动无级调节,不产生谐波,可靠性高、维护简单,使用寿命长,应用电压等级广泛。 
  缺点是相对于TCR晶闸管控制电抗器,其谐波水平、损耗、占地面积都要小,安装方便,但调节时间长,成本高,温升和噪音是需要控制的。 
  3 动态无功补偿装置的应用对比 
  本着合理、成熟、经济的原则,选择分组投切电抗器、SVG静止无功发生器、TCR晶闸管控制电抗器、MCR磁控可调电抗器进行对比分析。综合以上研究,动态无功补偿装置对比特点如表1。 
  4 结语 
  ①通过对高速铁路电力无功补偿方案的研究,区间10kV贯通线路上应分散设置小容量固定式电抗器,10kV配电所母线上应集中设置小容量的自动调节的电抗器组。 
  ②通过比较不同动态无功补偿装置优缺点,建议高速铁路电力配电所选用MCR磁控可调电抗器和SVG静止无功发生器。两种装置均比较可靠。 
  ③SVG静止无功发生器虽然价格高,但随国产技术水平的进步和进口电子部件价格的降低,其技术会越来越成熟,装置价格会越来越低,应用案例会越来越多[1]。 
  随着电力电子技术的发展,相信会有越来越多新的无功补偿技术,如TSC+电抗器、STATCOM等被应用于高速铁路电力供电系统中来,使高速铁路供电技术更先进、更可靠、更安全。 
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