關(guān)于客戶變電站無功功率因數(shù)補(bǔ)償問題研究

楊春華

摘要：欽州天億石化有限公司成立于2017年1月10日，位于欽州港金谷石化產(chǎn)業(yè)園內(nèi)，現(xiàn)有員工200人，一期投資建設(shè)液化氣綜合利用15萬噸MTBE裝置，10萬脫氫裝置，15萬噸異構(gòu)裝置，項(xiàng)目點(diǎn)占地200畝，總投資5億元人民幣;主要產(chǎn)品有MTBE，異丁烷等。廠區(qū)配套建設(shè)了一座110KV變電站（客戶站），有兩臺(tái)容量40MW變壓器。自國家推行產(chǎn)業(yè)節(jié)能政策以來，國家供電部門對(duì)企業(yè)電能質(zhì)量監(jiān)管越來越重視，相關(guān)政策不斷出臺(tái);無功補(bǔ)償對(duì)電網(wǎng)也是一種必須配套設(shè)備，對(duì)提高電能輸送質(zhì)量減少損耗有很大作用;為提高用戶高備運(yùn)行質(zhì)量，提高電網(wǎng)質(zhì)量，無功補(bǔ)償在電網(wǎng)中顯得越來重要的存在。

關(guān)鍵詞：無功功率;補(bǔ)償問題;研究

1 國內(nèi)無功補(bǔ)償情況概述

目前，我國的電網(wǎng)，特別是廣大的中低壓電網(wǎng)中，普遍存在功率因數(shù)較低、電網(wǎng)線損較大的情況。導(dǎo)致此現(xiàn)象的主要原因是眾多的感性或容性負(fù)載用電設(shè)備設(shè)計(jì)落后，功率因數(shù)較低。比如我國的電動(dòng)機(jī)消耗的電能占全部發(fā)電量的70%，而由于設(shè)計(jì)和使用等方面的原因我國電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)往往較低，一般約為cosφ=0.70

2 在這種情況下，采用無功補(bǔ)償節(jié)能技術(shù)，對(duì)提高電能質(zhì)量和挖掘電網(wǎng)潛力是十分必要的，世界各國都把無功補(bǔ)償作為電網(wǎng)規(guī)劃的重要組成部分。從我國電網(wǎng)功率因數(shù)和補(bǔ)償深度來看，我國與世界發(fā)達(dá)國家有不小差距。因此大力推廣無功補(bǔ)償技術(shù)是非常必要的，并且從以下數(shù)據(jù)，我們也能看出發(fā)展無功補(bǔ)償所能帶來的巨大經(jīng)濟(jì)效益。以2007年為例，我國年總發(fā)電量為32559億千瓦時(shí)，統(tǒng)計(jì)線損率為8.77%，但是這個(gè)數(shù)字沒有包含相當(dāng)大的110千伏、35千伏、10千伏的輸電線損及0.38千伏的低壓電網(wǎng)線損。據(jù)報(bào)道，估計(jì)實(shí)際的統(tǒng)計(jì)線損率約為15%，即2007年全國年線損量約為4800億千瓦時(shí)。假設(shè)全國的理論線損與統(tǒng)計(jì)線損相一致，其中可變線損約占理論總線損的80%，則年可變線損電量約為3900億千瓦時(shí)。假設(shè)當(dāng)前全國電力網(wǎng)總負(fù)荷的當(dāng)前功率因數(shù)cosφ=0.85，采用無功功率補(bǔ)償后，把電力網(wǎng)總負(fù)荷的功率因數(shù)提高到cosφ=0.95，則每年可以降低線損約為390億千瓦時(shí)，按0.5元每千瓦時(shí)計(jì)，價(jià)值約為185億元。假設(shè)2007年全國電網(wǎng)的最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)為5000小時(shí)，則電網(wǎng)的最大負(fù)荷約為2億千瓦，當(dāng)用無功功率補(bǔ)償法把功率因數(shù)cosφ=0.85，提高到cosφ=0.95，全國電網(wǎng)需總補(bǔ)償容量約為0.58億千瓦。當(dāng)前無功功率補(bǔ)償裝置設(shè)備主要為電力電容器，電抗器，假設(shè)無功補(bǔ)償設(shè)備每千瓦的平均綜合造價(jià)為50元，則全國無功補(bǔ)償裝置的總投資約為29億元。應(yīng)當(dāng)指出，節(jié)省240億千瓦時(shí)約相當(dāng)于一座400萬千瓦火電廠的年發(fā)電量，而建一座400萬千瓦的火電廠需綜合費(fèi)用約為300億元，同時(shí)每年需燃燒煤約為1200萬噸，每年產(chǎn)生CO2，SQ2等有害物質(zhì)約為600萬噸。由此可見，產(chǎn)生相同的電力，無功補(bǔ)償?shù)馁M(fèi)用約為新建電廠費(fèi)用10%，而且無功補(bǔ)償設(shè)備的費(fèi)用僅需兩個(gè)月的無功功率補(bǔ)償?shù)募纯蓪p節(jié)電費(fèi)用即可全部收回。現(xiàn)在全國用電量大大增加，加大無功裝置投入，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益會(huì)更明顯。

3一般工廠外線進(jìn)線電源采用電纜供電，而電纜無功上呈現(xiàn)容性，需補(bǔ)償感性無功。而工廠由于多數(shù)是感性無功負(fù)載，配置上多以容性無功為主，在工廠停工時(shí)生產(chǎn)不正常時(shí)，負(fù)荷負(fù)載過小，上般無功裝置一般不會(huì)自動(dòng)投入，即使采用手動(dòng)方式投入補(bǔ)償，由于投入是容性無功，反而導(dǎo)致功率因數(shù)走低。供電局計(jì)量點(diǎn)一般安裝于設(shè)備產(chǎn)權(quán)分界處，距離較遠(yuǎn)，電纜無功需求加大，供電等級(jí)越高，需求無功越大，如果不把握好補(bǔ)償性質(zhì)和容量，反而將會(huì)拉低功率因數(shù)而受到考核，因?yàn)楣╇姴块T的無功計(jì)量是正反計(jì)量的，無論是輸出或反送無功，達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)也是要考核的。

4影響功率因數(shù)的主要因素

（1）大量的電感性設(shè)備，如異步電動(dòng)機(jī)、感應(yīng)電爐、交流電焊機(jī)等設(shè)備是無功功率的主要消耗者。據(jù)有關(guān)的統(tǒng)計(jì)，在工礦企業(yè)所消耗的全部無功功率中，異步電動(dòng)機(jī)的無功消耗占了60%～70%;而在異步電動(dòng)機(jī)空載時(shí)所消耗的無功又占到電動(dòng)機(jī)總無功消耗的60%～70%。

（2）變壓器消耗的無功功率一般約為其額定容量的10%～15%，它的滿載無功功率約為空載時(shí)的1/3。因而，為了改善電力系統(tǒng)和企業(yè)的功率因數(shù)，變壓器不應(yīng)空載運(yùn)行或長期處于低負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)。

（3）另外電纜輸配電線路與供電電壓超出規(guī)定范圍也會(huì)對(duì)功率因數(shù)造成很大的影響。

其計(jì)算公式為：P=U×Icosφ

其中的φ指的是電壓和電流的相位差。在電力網(wǎng)的運(yùn)行中，功率因數(shù)反映了電源輸出的視在功率被有效利用的程度，我們希望的是功率因數(shù)越大越好。這樣電路中的無功功率可以降到最小，視在功率將大部分用來供給有功功率，從而提高電能輸送的功率，所以無功功率就地補(bǔ)償是必要措施，對(duì)電網(wǎng)整體運(yùn)行有利。電纜消耗無功往往被忽視，其實(shí)這一塊無功在空載和高電壓線路輸電時(shí)，問題較突出。在終端用戶來說，由于計(jì)量問題成為用戶不得不考慮的問題。

5實(shí)施案例：天億石化化工廠變電站，配套有110KV變電站一座，有兩臺(tái)40MW變壓器，平常日常運(yùn)行方式為一備一用。試運(yùn)時(shí)，負(fù)荷較小，實(shí)際負(fù)荷約100-200KW，電流16.52A（含無功電流，經(jīng)過換算后的值），上一級(jí)計(jì)量側(cè)220KV變電站計(jì)算無功得功率因數(shù)：

cosφ=P/U×I=200/110×16.52=0.11

計(jì)量側(cè)顯示線路運(yùn)行功率因數(shù)很低。由于供電線路用電核算是以220KV變電站側(cè)計(jì)量數(shù)來作為計(jì)量考核點(diǎn)，對(duì)用戶供電系統(tǒng)運(yùn)行非常不利。由于功率因數(shù)較低，當(dāng)月被供電部門考核二十多萬元，造成用戶較大經(jīng)濟(jì)損失。用戶110KV站雖然配套有兩套8Mavr無功補(bǔ)償電容裝置，由于負(fù)荷小，無法自動(dòng)投入。而當(dāng)時(shí)配套是一代電容補(bǔ)償技術(shù)裝置，也無法進(jìn)行手動(dòng)投入，由于是容性補(bǔ)償原因。即使手動(dòng)投入一組無功補(bǔ)償，會(huì)因?yàn)槊拷M8Mavr容量過大而過補(bǔ)而導(dǎo)致功率因走低。后來根據(jù)經(jīng)驗(yàn)配套一套第三代技術(shù)SVG償裝置，裝置設(shè)備比較技術(shù)先進(jìn)，手動(dòng)投運(yùn)使用后，補(bǔ)償作用明顯，上級(jí)功率因數(shù)可調(diào)高至0.99甚至達(dá)1.0。經(jīng)過分析研究原因，110KV用戶站外部電源為500平方電纜埋地電纜溝敷設(shè)，電纜無功主要呈容性。

根據(jù)計(jì)量側(cè)運(yùn)行參數(shù)計(jì)算得無功量為：

Q=U×Isinφ=110×16.52×0.89=1617Kvar

開始采用償試手動(dòng)投入低壓側(cè)無功柜，功率因數(shù)反而更低，分析原因是因?yàn)榈蛪簾o功補(bǔ)償?shù)妮敵鲋饕?/p>

容性電容，而輸送電電纜無功呈容性，形成了過補(bǔ)，參數(shù)更不理想，變得更低更差，不得不放棄這種償試方法。

6經(jīng)過研究，用戶110KV電站需要一種能根據(jù)負(fù)載無功需求量而進(jìn)行對(duì)應(yīng)補(bǔ)償?shù)难b置，這個(gè)技術(shù)目前只有第三代補(bǔ)償技術(shù)SVG償裝置有能力達(dá)到，SVG裝置設(shè)備補(bǔ)償技術(shù)先進(jìn)，能根據(jù)負(fù)載無功感性或容性需量同時(shí)發(fā)出相應(yīng)容性或感性無功進(jìn)行補(bǔ)償，經(jīng)過專業(yè)討論后，決定上馬一套8MavrSVG無功補(bǔ)償裝置。投運(yùn)使用，作用明顯。后來投運(yùn)了SVG裝置，220KV變電站側(cè)功率因數(shù)支行一直都比較正常，也沒受到考核，產(chǎn)生很好經(jīng)濟(jì)效益。下面對(duì)SVG技術(shù)作簡要介紹。

（1）主電路逆變器主要采用國際著名品牌的IGBT器件以及進(jìn)口驅(qū)動(dòng)電路。

（2）低壓SVG一般具有三種控制模式，可自由設(shè)定：

1）恒無功裝置處于恒無功閉環(huán)工作方式下，其無功電流目標(biāo)值由設(shè)定的參數(shù)“功率目標(biāo)值”決定;

2）恒電壓裝置無功輸出的目標(biāo)是將電網(wǎng)電壓控制在所需要的目標(biāo)值當(dāng)中

3）自動(dòng)跟蹤是指自動(dòng)補(bǔ)償負(fù)荷側(cè)的無功電流，目標(biāo)是在裝置的補(bǔ)償能力范圍之內(nèi)，控制裝置的無功電流輸出，使電網(wǎng)側(cè)的無功電流為零。

（3）具有濾波能力。要求SVG具有一定的濾波功能，有效抑制13次及以下各次諧波。

（4）可方便地通過并聯(lián)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容。

（5）實(shí)時(shí)跟蹤，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償電網(wǎng)中的無功功率。可以使功率因數(shù)完全滿足電力部門的要求。

（6）過電流限制：采用可靠的限流控制環(huán)節(jié)，當(dāng)系統(tǒng)中的無功或諧波電流大于有源濾波器的治理能力時(shí)，裝置能在自己的額定容量范圍內(nèi)最大限度的對(duì)無功或諧波進(jìn)行補(bǔ)償，維持正常工作，不會(huì)出現(xiàn)過載燒毀等故障。

（7）具備完整的保護(hù)功能，包括母線過壓、母線欠壓、直流過壓過流、IGBT元件損壞保護(hù)、超溫、IGBT短路等。具備系統(tǒng)啟動(dòng)自診斷功能。

（8）具有緩沖啟動(dòng)控制回路，能夠避免自啟動(dòng)瞬間過大的投入電流，并限制該電流在額定范圍之內(nèi)。

（9）控制器：計(jì)算與邏輯處理采用全數(shù)字化技術(shù)，采用DSP并配有功能強(qiáng)大的FPGA芯片。

（10）采用液晶顯示面板，具有故障報(bào)警及追憶功能，在面板上能實(shí)時(shí)顯示運(yùn)行狀態(tài)，以及設(shè)定運(yùn)行參數(shù)

（11）功率因數(shù)補(bǔ)償后一般可達(dá)到0.99-1。

綜上所述，對(duì)于條件允許的單位，在配套傳統(tǒng)電容柜同時(shí)應(yīng)該配套一套先進(jìn)SVG補(bǔ)償裝置，補(bǔ)償和濾波效果都很好，對(duì)設(shè)備穩(wěn)定和節(jié)能運(yùn)行有很大好處。

7總結(jié)

通過對(duì)SVG技術(shù)應(yīng)用，合理選擇運(yùn)行方式，設(shè)置合適參數(shù)，是可以解決客戶遠(yuǎn)程輸電線路無功損耗的問題，減少經(jīng)濟(jì)損失，效益明顯。

參考文獻(xiàn)

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

【1】DL/T672-1999《變電所電壓無功調(diào)節(jié)控制裝置訂貨技術(shù)條件》

國家標(biāo)準(zhǔn)

【2】GB 12326-2008 《電能質(zhì)量 電壓波動(dòng)和閃變》

【3】GB/T 14549-1993 《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》