王世伟
上海上电电力运营有限公司，上海 200439
摘要：目前世界上高速磁浮有常导磁浮交通和超导磁浮交通两种技术。常导高速磁浮系统以常导电磁浮、长定子直线同步电机驱动，列车最高运行速度不低于200km/h，主要包括磁浮线路、磁浮列车、牵引供电、运行控制以及车站和维护设施等子系统。高速磁浮交通的牵引驱动采用的大功率高电压变流装置受控于输出电源，系统运行时对电网的无功和谐波进行补偿与滤波是电网安全运行和系统正常运行的重要部分。针对上海高速磁浮交通供电系统的滤波、无功补偿设计的特点，分析了供电系统功率因数较低的原因，提出了提高功率因数的技术措施，并分析了该措施的技术、经济效益。最后给出了改进滤波、补偿系统设计的建议。
关键词：磁浮交通；供电系统；功率因数；提高措施
1现有滤波及无功补偿设计
磁浮列车载客运行时，起动、制动及停止频繁。这决定了其牵引系统需面对冲击性的大功率负荷。频繁的功率冲击会影响整个供电系统的电压。磁浮供电系统的主变压器为有载调压变压器。列车在起动期间，功率因数很低，故冲击性无功功率会使供电系统的电压发生剧烈波动。在这种情况下，主变压器的分接头将会频繁动作。另外，牵引系统的变流器是系统中主要的谐波源。
2滤波及无功补偿装置存在的问题
滤波器及无功补偿器可使系统的谐波达标，而且能较好地稳定系统电压。在磁浮列车运行的过程中，滤波器及无功补偿器能提供0～12MVar的无功功率。通过实际的测试数据可以看出，补偿容量远大于列车运行实际需要的无功，即目前上海磁浮线正处于过补偿状态。另外，牵引变流器仅在牵引列车时产生谐波与无功电流。因而在列车非运行期间的系统无功过补偿状态更为明显。由于滤波器产生的无功需由补偿器来抵消，故补偿器常处于满负荷运行的状态。系统无功过补偿的状况带来如下问题：
(1)增加了电能消耗。没有列车运行时，补偿器处于满负荷运行状态，其电能消耗较浪费。该项损耗约为动态补偿容量的4％。
(2)系统可靠性低。由于补偿器大部分时间在满负荷甚至超负荷运行，故补偿器的功率模块故障率很高，导致设备可靠性降低。
(3)供电系统功率因数低。由于系统为无功过补偿状态，故当较多的补偿器因故障退出运行后，这种情况更为严重。供电系统向电网补偿过多的无功功率导致供电系统的功率因数很低。
(4)主变分接头动作频繁。系统过无功补偿状态使母线电压较高。这会造成主变分接头动作频繁，从而影响设备的寿命及主变油的品质。
(5)增加运营成本。由于电能损耗增加，而且系统功率因数低于电网公司的要求。这样不仅增加了电费支出，而且每个月还会遭受电网公司高额的电费罚款。
3提高功率因数的措施
如果能改变供电系统无功过补偿的状态，使其与电网之间的无功交换减少，就能解决功率因数较低及母线电压不稳所导致的主变电站分接头动作频繁问题。为此，本文基于补偿器因故障而有较多单元退运的情况，提议适当减少滤波器运行的容量——将2个牵引变电所内3段2()kV母线(带有少于10个单元补偿器)上的5次7次滤波器解开，仅保留11次滤波器的运行。其中，由于浦东机场主变电站(以下简为“PD变”)B段2()kV母线上带有满容量的补偿器，且其功率因数较高，故不作调整。解开上述2个滤波器后，无功补偿总容量为10MVar，仍满足系统无功补偿的需要。此时需检验调整滤波器运行方式之后的滤波要求是否能得到满足。为了验证措施的可行性，进行了相应的试验。试验中，列车均以430km／h的速度运行。
3.1方案一
方案一将PD变B段2()kV母线段上的补偿器及滤波器均退运，则以该段母线所带的变流器驱动磁浮列车的运行来测试各项电能质量参数。测点位于PD变B段110kV进线处。测试结果见表1。其中，电压总畸变率限值为2．000％，而实测值为3．726％。由测试结果可知，试验运行的供电系统功率因数很低，测得的电网侧(110kV进线侧)的电压畸变率超标，11次滤波器与13次滤波器的谐波电压超标，谐波电流达标。
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3.2方案二
方案二将PD变B段20kV母线段上的补偿器全部投运，滤波器全部退运，然后运行列车来测试各项电能质量参数。测点位于PD变B段110kV进线处。测试得到数据见表2。其中，电压总畸变率限值为2．00％，而实测值为3．726％。由测试结果可见，该试验中电网侧(110kV进线侧)的电压畸变率超标，11次滤波器与13次滤波器的谐波电压超标，谐波电流达标，而电压和功率因数满足要求。
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3.3方案三
方案三将该母线上补偿器投运一半，而滤波器全部投运，然后运行列车来测试各项电能质量参数。测点位于PD变B段110kV进线处。测试结果见表3。其中，电压总畸变率限值为2．000％，而实测值为1．309％。此方案下，如短路容量有变化，则谐波电流限值也变化。由测试结果可见，电网侧(110kN进线侧)的电压畸变率、谐波电压及谐波电流等参数均满足国家标准要求。
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4滤波及无功补偿设计改进
从设计角度可对供电系统的滤波及无功补偿进行如下改进：
(1)在既有系统设计的基础上，改变无功过补偿的状态。在满足滤波及无功补偿的基础上，对设备容量配置上进行优化，适当降低滤波器的容量，或者适当提高动态补偿器的容量，改变无功过补偿的状态。
(2)改变既有系统的设计方式。可不用
FC(FilterCompensatior)滤波器加动态补偿器的方式，而采用有源滤波器(APF)。此时，需结合磁浮列车的运行特点，来考虑APF的过载能力。
结语
分析了上海磁浮列车示范运营线供电系统滤波及无功补偿的设计特点，及其在运行中的问题，并从运行角度提出了提高供电系统功率因数的措施——解开5次、7次滤波器、保留11次滤波器运行。该方案经试验证实在技术上可行可靠，且具有良好的技术经济效益。此外，还从设计角度提出了改进建议——在原设计方案基础上需优化容量配置，进而改变过补偿的状况；或者采用新的APF方案。
参考文献：
[1]吕千云，程浩忠，何维国，等.高速磁悬浮列车系统的谐波分析[J].华东电力，2004，32(8):46.
[2]闫功胜.高速磁浮交通系统谐波抑制及无功补偿措施[J].城市轨道交通研究，2008(8):59.