高铁电力系统无功补偿分析

高速铁路电力系统无功补偿分析中铁建电气化局集团南方工程有限公司电力事业部黄品章摘要：为提高高速铁路10kV电力系统运行的安全性和经济性，探讨了高铁线路的无功补偿。深入阐述了无功补偿的基本方法原理，介绍了高铁线路无功补偿方式类型和常见的几类补偿装置特性及其优缺点，并提出了10kV电缆供电线路的无功补偿容量分配的设计计算，最后总结了高铁电力系统无功补偿的方案组合及需要考虑的关键因素。关键词：高铁电力系统无功补偿1前言随着高铁技术的快速发展,高铁电力系统的经济运行日益得到重视。降低线路损耗，提高高铁电力系统的输电效率是优化高铁经济效益的有效举措，也是高铁电力系统研究的重要内容。而电力系统无功功率补偿是电力系统安全经济运行研究的关键。通过对电力系统无功电源的合理配置和对无功负荷的最佳补偿，不仅可以维持线路电压水平提高电力系统运行的稳定性，还能有效降低有功功率线路损耗和无功功率线路损耗，使电力系统能够安全经济运行。2无功补偿原理交流电在通过纯阻性负载时（功率因数cosθ为1），电能都转化为热能：UIUIcosP（1）而在通过纯容性或纯感性负载时（功率因数cosθ为0），电能并不是转化为热能而是磁场能：UIUIsinQ（2）上式中，Q即为无功功率。无功补偿，即在交流非纯阻性系统中，通过感性负载发出一定的无功功率来补偿系统中容性负载吸收的无功功率，使得无功功率得以平衡。可以简单地理解为：把具有感性功率的负载装置与容性功率的负载并联在同一电路中，当感性负载释放能量时容性负载吸收能量，容性负载释放能量时感性负载吸收能量，能量在两种负载之间交换。这样，感性负载所吸收的无功功率可以从容性负载发出的无功功率中得到补偿。3高铁电力系统无功补偿方案分析高速铁路电力系统10kV配电线路的贯通线均采用电缆线路，配电线路电容值较大，致使线路电压会升高、功率因数降低，电力系统稳定性和经济性不理想。因而需要设置无功补偿装置。由于电缆电容的分布特征和系统运行状态的复杂性，一方面补偿参数需通过数字电磁暂态仿真程序对电容效应进行分析确定；另一方面，补偿方案又分为集中与分散、静态与动态，实际应用通常要综合考虑。3.1集中补偿与分散补偿集中方案是将补偿装置集中设置在配电所内，由于设备数量较少，设备的维护、检修、巡视、等工作也都在配电所内完成，该方案极大降低了运营单位的任务量和工作难度。而分散补偿则是将无功补偿装置分散地设置在沿线。该方案更有利于提高线路上的电能质量，降低线路损耗，但其维护、检修、巡视等工作量大，不利于运营管理，这在地质及气候环境恶劣的山区或偏远地区尤为突出。3.2静态补偿与动态补偿静态无功补偿采用的单台无功补偿装置容量不可线性调节，只能通过分组投切来调粗略调整装置容量大小。由于铁路区间负荷较小，不同时段、不同运行方式下，负荷电流变化较大，故线路的容性电流会随着铁路负荷变化而变化。采用静态无功补偿容易致使线路过补偿或欠补偿，甚至有可能导致并联谐振问题，难以有效地跟踪系统的参数的变化、达到理想的补偿效果。不同于静态无功补偿仅采用传统的电抗器实现，动态无功补偿则存在多种技术类型。目前主要有SVG和SVC两大类。两者的主要区别在于SVG是一种电流发生器，属于有源装置；而SVC是补偿器，属于器件型无源装置。3.2.1SVG简介SVG即静止无功发生器，是基于IGBT技术的有源补偿，其响应速度快、可控性高，并能跟踪补偿基波及各次谐波。但由于在高铁技术应用上发展尚未成熟，高铁设计上暂不采用SVG补偿装置。3.2.2SVC简介SVC即静止无功补偿器，主要包括TSC、TCR、MCR三类】【1。TSC采用晶闸管投切电容器，实时监测线路负载无功电流变化，分级投切，实现动态补偿。其优点是装置简单可靠，响应速度快，无谐波，但只能发出容性无功且调节有级差。TCR是采用晶闸管控制电抗器，通过调节晶闸管触发角来改变主电抗器的电流量，实现连续调节无功功率。其优点是可平滑调节无级差，缺点是只能提供感性无功，需与同等容量的容性无功装置组合才能实现双向调节。MCR是磁控电抗器，原理与TCR类似，通过调节晶闸管的控制角，改变磁控电抗器的电流量，连续地调节无功功率。MCR可实现平滑调节，维护简单，但响应速度慢，只能提供感性无功，需与同等容量的容性无功装置组合才能实现双向调节。为达到最优补偿效果，往往需要对电力系统的无功负载的容量范围及波动规律进行分析，并且考虑到系统预留。配电所补偿容量应按照负荷最大量设计，即两侧贯通线均由该所供电。针对不同供电线路，在确定确定补偿容量后都有不同的补偿装置类型组合方案。一般在静态补偿和动态补偿的组合方案下，还需重点考虑静态补偿的补偿度问题。尤其当动态补偿装置设计在调压器二次侧时，计算调压器容量所考虑的无功负载除了线路区间无功、静态补偿度和运行方式外，还要考虑动态补偿的影响。4高铁电力线路无功补偿容量计算由于10kV及一些低压配电线路的电阻值相对比较大，无功潮流在线路上流动时引起的功率损耗、电压损耗也较大，故其无功补偿可引用经典的线路补偿理论】【2。具体无功补偿电抗器安装的位置可见下表：表110kV配电线路最佳无功补偿点及容量分配其原理可简述如下：当线路输送的无功功率为Q，线路长度为L，每组补偿距离为x时，每组补偿容量为xQ,且Lxx/QQ（3）当认为电抗器安装在补偿区间中心时，降低的线损最大。当第i组电抗器安装地点离末端距离为xixxixi)2/1(2/（4）此时线路的损耗可用下式表达：rnxUnQQnrxUQpxxx)L3)(223)2/(2222（（5）上式对x求偏导可得：)12/(2nLx（6）即对任一组电抗器安装位置离末端的位置为：)12/()1-i2(inLx（7）其最佳补偿容量为：)12/(2nnnQQx（8）即得表1的数据。5结束语本文对高铁10kV电力输配电缆线路的无功补偿进行了探讨，对施工中存在的实际问题提出了改进方案。论文涉及无功功率补偿的原理解读、方案分析、装置介绍及容量分配等内容，对以后设计图纸审核具有一定参考价值。无功补偿是提高电力系统运行安全性和经济性的热点问题也是难点问题，随着SVG等无功补偿技术在高铁应用上的发展成熟，无功补偿问题将得到更好的解决。参政文献[1]蔡学敏.浅谈变电站SVC装置应用.浙江电力.2005[2]吴钟飞，刘涤尘.电压无功功率控制装置在变配电所中的应用.广东电力，2005电抗器组数到线路末端距离电容器安装总容量第一组第二组第三组1L/32Q/32L/53L/54Q/53L/73L/75L/76Q/7