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哈尔滨地铁1号线供电系统对电网的影响分析

2021-02-27 来源:汇意旅游网
第4卷第3期 2013年8月 黑龙江大学工程学报 Vo1.4。No.3 Aug.,2013 Journal of Engineering of Heilongj iang University 哈尔滨地铁1号线供电系统对电网的影响分析 张明江 (黑龙江省电力科学研究院,哈尔滨150030) 摘 要:哈尔滨地铁牵引供电负荷是整流负荷,在运行时产生大量的谐波分量注入电网,影响全网,波及其他 用户。同时针对在地铁正常运行时,功率因数较低,而在地铁停运后,又有无功倒送的情况,提出了治理方案, 确保电网的安全稳定运行。 关键词:地铁;公用电网;谐波;无功补偿 中图分类号:U231.8 文献标志码:A 文章编号:2095—008X(2013)03—0103—05 Influence of the power supply system of Harbin Metro Line 1 on the grid ZHANG Ming-j iang (Heilongjiang Electric Power Research Institute,Harbin 150030,China) Abstract:Harbin metro traction power rectifier load generated lots of harmonics injected into the power system at run time,it affected and spreaded the entire network of other users.During normal operation, power factor is low,while in the subway outage,and reactive power to send the situation,issued a governance program,to ensure the safe and stable operation of power grid. Key words:metro;public power system;harmonics;reactive power compensation 0 引 言 哈尔滨地铁1号线车辆牵引系统设计方案为等效 24脉波整流系统作为牵引机车直流电源的整流系统, 其单台供电容量大,谐波含量高,无功冲击大,且靠 近城市负荷中心[1 ]。因此,迫切希望减少牵引整流 1哈尔滨地铁供电方式 1.1供电系统概况 哈尔滨地铁1号线是哈尔滨地铁“十线一环” 规划中第一条动工的地铁,地铁1号线从哈东站至 哈南站全长17.73 km,设有18座车站,供电系统 采用集中供电方式,两级电压供电,共有5个分 区。设有66 kV太平桥和66 kV电表厂2座变电 系统造成的电能质量干扰,保证供电电能质量。 本文结合哈尔滨市地铁1号线工程的实际情况 对地铁接入电网进行了谐波计算,确保电网的谐波 在地铁投入运营时能满足国家标准的规定,防止牵 引供电对电网和用户(包括地铁)的各种电气设 所,各变电所均设置2台额定容量为25 MVA的 变压器。2座变电所分别由太平一次变电所和哈西 一次变电所各提供2路66 kV独立电源,35 kV系 备、用电器具造成危害,保证电网及设备的安全经 济运行 }43。 收稿日期:2013—07—22;修订日期:2013-08一O1 统作为地铁内部的供电环网,以双回路馈电电缆向 地铁牵引混合变电所和降压变电所供电,在第二分 作者简介:张明江(1979一),男,黑龙江鹤岗人,工程师,硕士,研究方向:电力系统分析计算、电能质量检测评估治理及风电场并网检 测,E-mail:Zhangmingjiang79@sina.corn。. 黑龙江大学工程学报 第4卷 区设有环网联络开关。 2座变电所的66 kV配电装置采用内桥接线方 式,35 kV侧采用二级母线接线方式。一级母线为 单母线接线方式,为地铁1号线(本期)和3号线 (远期)提供主电源;二级母线为单母线分段接线 方式,所带负荷为地铁1号线馈出回路,二级母线 电源取自一级母线馈出间隔。 2座变电所的运行方式为双电源、双主变运行 方式,正常运行方式(桥开关处于断开状态,变电 所为线路变压器组运行方式)接自不同母线的两路 66 kV电源,各自向1台主变压器供电,2台变压 器分列运行。当两回66 kV电源进线中任一回进 线故障或检修时,66 kV桥开关备自投经检测,确 认故障或检修间隔的断路器在断开状态时,备自投 合上桥开关,66 kV侧为单母线运行方式;当变电 所任1台主变故障或检修时,35 kV二级母线分段 备自投经检测,确认故障或检修二级母线进线开关 在断开状态时,备自投合上分段开关,35 kV二级 母线为单母线运行方式。以上运行方式严禁两回 66 kV进线及2台主变并列运行。供电一次系统示 意图见图1。第一和第二分区设备经过66 kV电表 厂变电所接入哈西一次变电所;第三、第四和第五 分区设备经过66 kV太平桥变电所接入太平一次 变电所。 1.2供电系统参数 1)电能质量考核点(PCC点):哈西一次变 电所和太平一次变电所的66 kV母线。 2)供电设备容量:由哈西一次变电所供电部 分的供电设备容量为360 MVA,由太平一次变电 所供电部分的供电设备容量为300 MVA。 3)最小短路容量:哈西一次变电所66 kV系 统最小短路容量为1 250 MVA,太平一次变电所 66 kV系统最小短路容量为837.5 MVA。 4)哈尔滨地铁1号线一期工程用电协议容量: 2×5O MVA 2地铁线路运行对电网的影响 2.1地铁24脉波整流电路原理 24脉波整流电路具有谐波含量低、电压脉动 小、滤波设备投资少等优点。等效24脉波整流电 路是由2台12脉波整流变压器并联组成,变压器 绕组为轴向双分裂式。每台12脉波整流变压器两 组低压绕组采用D,Y接法,使得相位上相差3O。, 由2个三相桥式整流器并联组成。网侧绕组采用延 边三角形接法,2台变压器一次侧分别相移+7.5。 和一7.5。。2台整流变压器的4套阀侧绕组电压相 位相差15。,在直流侧并联运行,组成了24脉波整 流系统l5 ],见图2。 在理想情况下,对于24脉波整流电路,网侧 电流中只含有23次、25次、47次和49次等24k ±1次特征谐波,其理论表达见式(1),其电流波 形见图3。 一 [sin(U + sin23 £+ sin25 £+…] 7【 厶。 厶J (1) 式中i为交流网侧的输入交流电流, 为直流侧电 流。 2.2地铁产生谐波计算 由于第一和第二分区设备经过66 kV电表厂 变电所接人哈西一次变电所,第三、第四和第五分 区设备经过66 kV太平桥变电所接人太平一次变 电所,所以地铁产生的谐波分别计算。 根据上述原理和国家标准 7]中推荐的2个谐波 源的同次谐波电流在一条线路的同一相上叠加规则, 计算出第一和第二分区设备共同运行时在66 kV侧 产生的谐波电流见表1;第三、第四和第五分区设 备共同运行时在66 kV侧产生的谐波电流见表2。 按照国家标准口],用户注人公共连接点的谐波 电流允许值按此用户在该点的协议容量与该公共连 接点的供电设备容量之比进行分配。地铁注人66 kV电网的各次谐波电流允许值见表3。由表3可 见,由哈西一次变电所和太平一次变电所供电时, 地铁运行时所产生的各次谐波电流均满足国家标准 规定的66 kV公共连接点的谐波电流注入允许值 的要求。 3无功补偿方案 哈尔滨地铁采用集中供电方式,地铁沿线敷设 35 kV电缆贯通并给地铁牵引降压变电所供电。根 据已经运行的地铁经验,牵引负荷功率因数比较 高,均在0.9以上,而动力照明负荷则较低。针对 国内某城市地铁主变电所35 kV侧现场实际测试 第3期 张明江.哈尔滨地铁1号线供电系统对电网的影响分析 錾} L ・105・ 宣—.J 日一囊蒸 0荨 0— 0 0 0nN × 、 渔 。。 0 栏 矬 oN ×。 0 0 0 朴 遨 × n 量嚣 0 0 N 卅 N × 妪 妻 0 0 0 n 仁}- 一 0 扑 而 一 0 n H 懈避 寸 × n × 0 0 L 一 0 晕 邀 × N 0 0 0 0 世 n × 、 r、 0 0 地 遨 __×  n 。o 叵 而 0 0 辔 斟邀 。X 。 m 、 × 0 0 L 蛙 00×  N N 监 o。 0 0 离 进 ∞ n o0×  妻 ∞ L 而 0 0 n 心遨 o× 。 n × H扑 0 上螺 剐 锄 进 H螂 o0 × n N o。 碧簟} 眢H圃 曩盘盆I 础l叻 姓 II一 0.I0In -u 亡I NI一 0 .I矗 _.0oN,0 0 一0 .1一. - 0×。  0 篷 而 __ 0 n 0 凼1 1 讲避 × n × In 0 趟 _一 0 《 世 n 一 × N 0 0 藿 而 懈进 00  0×  0 nn×  __ 篓耋 惜进 0× × 0N 吕 、 舷 j嚣 、《《l 昌  厘 霰兰 替薹 、 厘 而 、 咖 蛰 智 心 遨咖 谢的 匦牺、 昌u 曲 淅 一黑龙江大学工程学报 第4卷 表1第一和第二分区设备共同运行时 在66 kV侧产生的谐波电流值 Table 1 Harmonic current generated in the 66 kV side of the irstf partition device and a second partition equipment common run-time value 表2第三、第四和第五分区设备 共同运行时在66 kV侧产生的谐波电流值 Table 2 Harmonic currentgeneratdintehe 66 kV side ofthe third partition devie acnd a fourth partition device and a fifth 图2 24脉波整流电路拓扑图 Fig.2 24 pulse rectiier cifrcuit topology partition equipment conlmon run-time value 结果表明:在地铁正常运行时,母线平均功率因数 仅为0.78,而在晚上地铁停运后,由于电缆的充 电功率,使母线一直处于无功倒送状态 ]。哈尔滨 地铁拟采用动态无功补偿装置(SVG)解决该 问题。 3.1无功补偿装置的参数计算及配置 3.1.1 电缆充电功率计算 电缆充电功率按下式计算: Q ==:27c CU ×10 图3 24脉波整流电路交流输入电流波形图 Fi昏3 24 pule rectifsier circuit AC input current waveform graph 式中 压,kV。 为电缆充电功率,kvar; 为系统频率, Hz;C为电缆电容值, ̄F/km;U为电缆额定线电 表3地铁注入66 kV电网的各次谐波电流允许值 Table 3 Metroinjection ofharmonic current 66 kV power systemallowed values 144"rh+— /A 谐波次数 2 3 4 5 6 7 8 9 1O 11 12 13 牵引变供 电方式 由太一谐波次数 l4 l5 16 17 18 l9 2O 21 22 23 24 25 681. 4 22. 6 1.2 2...1.3.1.1.9.1 . 8 由太平一次 变电所供电 由哈西一次 次.. 变供电 由哈次2.11.41.993.551.773.111.551.881.442.661.33 2.4 2. 变电所供电 变供电 考虑到66 kV电缆和35 kV电缆布置情况, 得出如下结果:66 kV电表厂变电所电缆总的充电 3.1.2 变压器消耗的无功功率计算 在满负荷的情况下,变压器消耗的无功功率近 似按下式计算: Q一 s 功率为6 342 kvar;66 kV太平桥变电所电缆总的 充电功率为3 024 kvar。 第3期 张明江.哈尔滨地铁1号线供电系统对电网的影响分析 式中Q为变压器消耗的无功功率,kvar; 为变压 器阻抗电压百分值, ;Se为变压器额定容量,kVA。 程计算的方法。由于笔者掌握的仿真软件均没有动 态无功补偿装置的固定模型,只能由分立元件逐个 经计算,单台主变压器消耗的无功功率为 2 250 kvar。 搭建,由软件仿真工作有待深人研究。 表4 66 kV电表厂变电所无功补偿装置参数 Table 4 66 kV dianbiaochang substation reactive 3.1.3 负荷补偿容量计算 66 kV电表厂变电所1 主变所带降压变总容 量为4 300 kVA,功率因数从0.8补偿至0.95时 所需要的无功功率为: Qc1—4 300×0.8×[tan(arccosO.8)一 tan(arccosO.95)]一1 449 kvar 2 主变所需要的无功功率同1 主变,即为 1 449 kvar。 66 kV太平桥变电所1 主变所带降压变总容 量为6 715 kVA,功率因数从0.8补偿至0.95时 所需要的无功功率为: QC2—6 715×0.8×[tan(arccosO.8)一 tan(arccos0.95)]一2 263 kvar 2 主变所需要的无功功率同1 主变,即为 2 263 kvar。 根据上述计算结果分析可知: 66 kV电表厂变电所单台主变需要补偿的感性 无功功率为6 342/2—3 171 kvar,需要补偿的容性 无功功率为2 250+1 449—3 699 kvar; 66 kV太平桥变电所单台主变需要补偿的感性 无功功率为3 024/2=1 512 kvar,需要补偿的容性 无功功率为2 250+2 263—4 513 kvar。 3.1.4补偿装置参数 66 kV电表厂变电所35 kV母线为分段母线, 35 kV I段和II段母线补偿装置均采用SVG型动 态无功补偿装置,容量为±4 Mvar,补偿容量为 感性无功功率4 Mvar ̄容性无功功率4 Mvar范围 内连续可调。具体参数见表4。 66 kV太平桥变电所35 kV母线为分段母线, 35 kV I段和II段母线补偿装置均采用SVG型动 态无功补偿装置,容量为±5 Mvar,补偿容量为 感性无功功率5 Mvar ̄容性无功功率5 Mvar范围 内连续可调。具体参数见表5。 3.2电能质量治理效果 电能质量治理效果最有说服力的做法是当地铁 负荷正式运行后,针对无功补偿装置投入与退出两 种工况分别进行实际测试,然后分析治理效果是否 达到要求。在理论研究阶段,可采用软件仿真和工 power compensation device parameters 位置 35 kVI段母线 35 kVII段母线 支路 SVG支路 SVG支路 系统电压/kV 35 35 连接变压器容量/MVA 4 d 感性无功功率4 感性无功功率4 Mvar ̄容性无功 补偿容量~ 功率4 Mvar范围 续可调 内连续可调 响应时间/ms 15 15 数量/套 1 1 表5 66 kV太平桥变电所无功补偿装置参数 Table 5 66 kV Taipingqiao substation reactive power compensation device parameters 位置 35 kVI段母线 35 kVII段母线 支路 SVG支路 SVG支路 系统电压/kV 35 35 连接变压器容量/MVA 5 0 感性无功功率5 感性无功功率5 Mvar ̄容性无功 补偿容量 M r 功率5 Mvar范围 续可调 内连续可调 响应时间/ms 15 15 数量/套 1 】 动态无功补偿装置以66 kV无功功率及母线 电压作为控制目标,动态跟踪电网电能质量变化, 并根据变化情况动态调节无功输出。根据SVG型 动态无功补偿装置的技术特点及优势和工程计算结 果可见,当无功补偿装置投运后,可实现在任意负 荷下高功率因数运行,且不发生过补偿。 4结论 地铁作为重要的市政工程和电网的重要负荷用 (下转第112页) 黑龙江大学工程学报 第4卷 2006,201:2 028—2 031. sistance of thermally sprayed high-boron iron-based a— [2]Giovanni B,Benedetta B,Jussi L,et a1.Micromechani— morphous-metal coatings:Fe49.7 Crl7.7 Mn1.9 MoT.4 W1.6 cal properties and sliding wear behaviour of HVOF_ Bl5.2 8 Si2 4[J].Journal of Materials Research, sprayed Fe-based alloy coatings EJ].Wear,2012,276— 2007,22(8):2 297—2 311. 277:29—47. 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