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广州地铁供电系统的谐波抑制

  马坚生 陈启易   2006年04月07日    浏览数:
[摘要] 摘 要:利用西门子“SALOMON”程序对广州地铁供电系统进行谐波分析和预测,确定广州地铁用电系统的谐波抑制措施,以提高电能质量,确保地铁供电网的电压总谐波畸变率和各次谐波电压含有率符合规程的要求,使

摘 要:利用西门子“SALOMON”程序对广州地铁供电系统进行谐波分析和预测,确定广州地铁用电系统的谐波抑制措施,以提高电能质量,确保地铁供电网的电压总谐波畸变率和各次谐波电压含有率符合规程的要求,使各车站电气设备安全经济地运行。
关键词:地铁;供电系统;谐波;滤波电路

1 系统概况
广州地铁一号线全长18.4 km,有16个车站、1个车辆段和1个控制中心。全线设置8座33/1.5 kV DC,33/0.4 kV牵引降压混合变电所(简称TPLS);25座33/0.4 kV降压变电所(简称PLS)。33 kV线路采用双回240(300)mm2的XLPE电缆,按4个供电区域内各车站变电所分别环接,组成33 kV环网供电,并在公园前车站设环网分段点。每个TPLS内均设置2台整流机组,采用12相全波脉动整流方式,通过直流馈线以1.5 kV向地铁车辆供电。每个TPLS和PLS均设置2台动力变压器,降压至0.4 kV向车站、区间的动力、照明、通信、信号、防灾报警、电力监控、车站设备监控和自动售检票等系统供电。
地铁33 kV环网与广东电力系统的联接点设在地铁专用的2座变电站,即110/33 kV坑口(MPS1)及广和(MPS2)主变所,分别由220 kV芳村站和220 kV天河站各提供2回取自不同母线的110 kV专线电源。MPS内均设置2台31.5 MVA,110/35 kV主变压器,正常运行时,两台主变压器分裂运行;当一台主变压器故障或一路电源线路故障时,另一台主变压器负担全站负荷用电。
地铁供电系统中的波形畸变主要来源于车辆牵引供电的整流、逆变装置,其次是直流电源成套装置及其他电子装置。为了保证电网和用电设备安全经济地运行,广州地铁总公司对地铁供电系统的高次谐波采取了抑制措施。

2 模拟计算供电系统的谐波情况
利用西门子公司的“SALOMON”软件,计算分析广州地铁一号线供电系统在初期(1998年)、中期(2008年)及后期(2023年)的谐波情况,对比加装滤波装置的前后结果,确定装设滤波装置的方案。
2.1 计算条件
a)牵引整流变压器采用12脉波整流器。
b)根据地铁近期、中期及远期客流分析,供电网中牵引供电的日平均负荷和高峰小时负荷预测见表1。

表1 牵引供电的日平均负荷和高峰小时负荷  MW

牵引
降压站
初期负荷 中期负荷 后期负荷
日平均 高峰小时 日平均 高峰小时 日平均 高峰小时
西朗 1.397 1.862 1.680 2.660 2.422 3.990
芳村 2.242 2.990 2.697 4.271 3.889 6.407
长寿路 1.967 2.623 2.366 3.747 3.411 5.620
公园前 2.086 2.782 2.510 3.974 3.618 5.961
烈士陵园 2.192 2.923 2.637 4.176 3.802 6.264
体育西路 2.413 3.218 2.903 4.597 4.185 6.895
广州东站 0.890 1.187 1.071 1.695 1.543 2.543
车辆段   4.000   4.000   4.000

c)MPS的主变压器接线组别:YONyou(d)-12,33 kV中性点装设中性点接地电阻,每台31.5 MVA主变压器均设定有5 MW、低压0.4 kV的连续负荷。
d)0.4 kV低压配电系统假定有电容被偿器装置,其扼流线圈电抗在工频时占电容器抗的7%。低压系统66段母线各装设1组196 kvar补偿电容,具体配置见第3.2节。
e)110 kV系统短路容量:坑口主变电所为4 GVA,广和主变电所为3 GVA。
f)公共连接点220 kV芳村变电站和220 kV天河变电站各次背景谐波电压畸变率测量值见表2。

表2 注入公共连接点背景谐波    %

变电站 5次 7次 11次 13次 总谐波畸变率
芳村站 0.70 0.36 0.16 0.17 1.18
天河站 0.87 0.37 0.12 0.13 1.21

g)参照国际GB/T14549—93对谐波的要求[1]
h)主变所低压侧设备装置情况:第一种情况,设4组3 MVA电容补偿器,其扼流线圈电抗在工频时占电容器容抗的7%(简称电容补偿器);第二种情况,装设5次、11次谐波滤波装置(简称滤波装置)。
2.2 模拟计算结果分析
从计算结果(表3、表4)可看出:33 kV电网的电压总谐波畸变率较高,尤其后期严重。

表3 预测初、中、后期
在设置电容补偿器的情况下谐波计算结果  %

谐波
电压
初期 中期 后期
110 kV
33 kV
110 kV
33 kV
110 kV
33 kV
总畸
变率
1.03 2.41 1.06 2.73 1.09 3.12
5次 0.87 0.65 0.87 0.65 0.87 0.65
7次 0.39 0.29 0.39 0.30 0.39 0.31
11次 0.19 1.27 0.25 1.65 0.32 2.08
13次 0.18 1.14 0.23 1.48 0.28 1.80
23次 0.19 1.09 0.19 1.01 0.18 0.89
25次 0.20 1.08 0.19 0.95 0.20 0.88


表4 预测初、中、后期
在设置滤波装置的情况下谐波计算结果  %

谐波
电压
初期 中期 后期
110 kV
33 kV
110 kV
33 kV
110 kV
33 kV
总畸
变率
0.95 1.09 0.96 1.19 0.96 1.23
5次 0.85 0.40 0.84 0.40 0.84 0.41
7次 0.41 0.45 0.42 0.46 0.42 0.48
11次 0.07 0.47 0.10 0.62 0.13 0.81
13次 0.03 0.19 0.04 0.25 0.05 0.32
23次 0.08 0.48 0.09 0.48 0.07 0.36
25次 0.08 0.47 0.08 0.44 0.07 0.30

2.2.1 初期
在1998年,无论是装电容补偿器,还是装滤波装置,电压总谐波畸变率和各次谐波电压含有率没有超过国标规定的限值。但对于改善电网质量和电压总谐波畸变率,装设滤波装置比装设电容补偿器更为显著。
国家电力电子产品质量监督检验中心,于1998年4月对广州地铁运营初期谐波进行测试,结果表明:滤波装置未投入,1号主变所33 kV侧电压总谐波畸变率少于1.5%,各次谐波电压含有率少于1.2%,完全符合国标要求。
2.2.2 中期
若装设电容补偿器,则33 kV电网的电压总谐波畸变率超过国标规定值,11次谐波电压含有率接近国标规定值,110 kV电网则符合国标规定值。而装设滤波装置,则33 kV,110 kV电网的电压总谐波畸变率和各次谐波电压含有率均符合国标规定值。
2.2.3 后期
若装设电容补偿器,则33 kV电网的电压总谐波畸变率超过国标规定值,11次、13次谐波电压含有率均接近国标规定值,110 kV电网则符合国标规定值。而装设滤波装置,则33 kV,110 kV电网的电压总谐波畸变率和各次谐波电压含有率均符合国标规定值,且能改善电网的电能质量。

3 谐波抑制措施
3.1 33 kV侧装设滤波装置
计算结果分析表明:广州地铁供电系统110 kV侧可不装设滤波装置,仅需在33 kV侧装设能分别消除5次和11次谐波的1.5 Mvar,33 kV,240 Hz和1.5 Mvar,33 kV,600 Hz调谐滤波电路。所设的5次和11次滤波装置同时也对7次、13次等邻近的谐波进行有效的抑制,使整个地铁的供电网符合国家标准所规定的要求。
3.2 0.4 kV电网电感性无功功率和谐波的补偿
地铁各车站两端变电所在0.4 kV两段母线处装设电容器组进行集中补偿。补偿后的功率因数不小于0.9。每段0.4 kV母线上均装有无功功率自动补偿装置,根据不同的功率因数自动逐级投入或切除电容器。
为了能在具有非线性用电设备的0.4 kV电网中进行无功功率补偿,除了装设补偿电容器外,还在电容器前面串接扼流线圈,从而构成一个LC串联谐振电路。通过谐振电路的调整,使谐振频率低于第5次谐波,或者说使谐振频率低于0.4 kV电网中出现的最低谐波的频率(参阅ABB公司出版的Reactive power compensation)。
扼流作用率P的大小表明扼流线圈电抗XL在工频时应占电容器容抗XC的百分数,西门子和ABB公司推荐的典型值为5.67%、7%和12.5%。
广州地铁0.4 kV电网使用配备有扼流线圈的电容器,选取扼流作用率P=7%,调谐频率189 Hz,仅吸收少量的第5次谐波,但对含有高次谐波的33 kV电网却起到了阻隔作用。
3.3 变流器谐波抑制
为了减少整流机组产生的谐波含量,广州地铁在车辆段试用顺德特种变压器厂生产的2台24相脉波整流变压器代替德国生产的2.5 MVA、33 kV 12脉波整流变压器。
理论上12脉波整流机组只产生11次、13次、23次和25次谐波,24脉波整流机组只产生23次、25次谐波。实际上由于交流系统三相阻抗及电压,尤其是整流变压器三相阻抗的不平衡,12脉波整流机组还产生5次、7次谐波,24脉波整流机组也产生5次、7次、11次、13次谐波,这些谐波的大小主要决定于整流机组的制造技术。一般11次、13次谐波经电缆放大的程度较大,是造成谐波超标的主要因素。在一号线车辆段24脉波变压器挂网试验前,对西门子2.5 MV/33 kV 12脉波变压器谐波进行测量,并与24脉波变压器挂网后谐波测量值(由国家电力电子产品质量监督检验中心测试)比较。检验结果见表5、表6,表中所记录值为相电压或线电流。

表5 12脉波整流变压器谐波测试    %

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