石化企业电网无功补偿分析

李琼 钱志红 刘维功

摘 要：石化企业电网中感性负载较多，功率因数较低，因此电网中通常装有无功补偿装置改善电能质量、降低网络损耗。介绍了石化企业常用的无功补偿方方法、原则以及补偿量的计算方法，通过仿真计算，分析无功补偿地点以及补偿量对电网损耗的影响，为石化企业无功补偿提供理论基础。

关 键 词：电网降损；无功补偿；仿真分析

中图分类号：TE 43 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2016）08-2003-03

Abstract： There are many inductive loads and low power factor in the power network of petrochemical enterprises， so the reactive power compensation device is usually installed to improve the power quality and reduce the network loss. In this paper， common reactive power compensation methods and their principles in the petrochemical enterprises were introduced as well as calculation methods of compensation amount. Through simulation calculation， the influence of reactive power compensation place and compensation amount on power loss was analyzed， which could provide theoretical basis for reactive power compensation in the petrochemical enterprises.

Key words： power network loss reduction； reactive power compensation； simulation analysis

电能质量直接影响着工业生产状况。石化企业中电机类负载较多，油田地域较广，需要依靠外加设备提高电能质量。无功是电能传输转换以及机泵类设备运行必不可少的，但应对其进行补偿限制，使系统无功保持平衡[1]。无功补偿设备通过自身容性无功补偿系统感性无功，能够起到提高功率因数、加大电机出力、降低电网损耗等作用，主要补偿装置有静电电容器、同步调相机、静止补偿器等，目前已被广泛应用。

本文着重介绍了石化企业常用的无功补偿方法、原则以及无功补偿量计算的方法，运用仿真技术，分析无功补偿设备装设地点以及无功补偿量对电网损耗的影响。

1 无功补偿方法

对电力系统进行无功优化及补偿的基本原则是：全面规划，合理布局，分级补偿，就地补偿。既要满足整体系统的无功平衡，又要使局部地区及分站的无功在一定的范围内达到平衡。所以应通过对系统无功优化及补偿装置的合理配置来调节电压，降低线损，保证系统内电力设备的电压在一定的范围内波动。按照无功补偿装置安装地点进行分类，无功补偿方法包括集中补偿和就地补偿。

1.1 集中补偿

无功补偿设备集中安装在总降压变电所6～10 kV母线上，称为集中补偿[2]，适用于远离供电电源的线路末端。集中补偿可减小系统的无功潮流，提高电网的输送能力，改善电压质量和降低线损，缺点是不能降低配电网的线损，经济效益相对较低。

1.2 就地补偿

补偿设备安装在感性负载附近时称为就地补偿。由于二者无功电流相位恰好相反，因此电感所需要的无功功率大部分可由补偿装置就地供给，电源只需供给有功电流和少量的无功电流，所以该种补偿方法可以减少线路总电流、提高电动机出力，既保证了负荷的工作状态不变，也使发电机容量得到了充分的利用。

就地补偿设备投资小、易安装、操作灵活，与能够有效地降低设备的故障率，对配电网最大无功负荷也起到了良好的限制作用，对于最大负荷小时数在1 200 h以上的电动机采取随机补偿方式更加经济[3]，是目前较为常用的无功补偿方法。

1.3 配置原则

在进行无功补偿时应遵循以下原则：

（1）分层分区平衡；

（2）无功不倒送；

（3）功率因数满足要求；

（4）电压偏差满足要求。

2 补偿量计算方法

石化企业常用的无功补偿量计算方法包括：功率因数法、空载无功功率法。

2.1 功率因数法

在交流电网中，电压与电流向量之间的夹角 称为功率因数角， 则为功率因数。功率因数的大小反映着电网中有功功率所占比例，当功率因数大时，有功功率传输的多，无功功率传输的少。所以在电力传输过程中应尽量提高功率因数，加大有功功率的传输量，提高电能传输效率。

电网中的感性负载较多，例如电动机、变压器等，此类负载工作时向电网同时吸收有功和无功，在安置电容器等无功补偿设备作为无功电源后，向电网输送容性无功，可以补偿电动机等所需的感性无功，减少了无功功率在电网中的流动，从而降低了输送无功功率造成的电能损耗，从而达到降损目的。

提高功率因数的作用：

（1） 减少线路中的总电流；

（2） 减少设备投资；

（3） 改善电能质量；

（4） 增加系统裕度、负载容量；

（5） 减少电费支出。

当系统中谐波電流分量较高时，可能会引起设备过热、噪音增大、继电保护误动作等事件，此时需要在电容器端串联调谐电抗[4]，改善谐波。另外，有源功率因数校正技术也能够极大地减少电流的高次谐波，消除无功损耗。

无功裕度是指在静态电压稳定的条件下，系统运行点离临界崩溃电压点电气距离的大小。如果节点的无功裕度大，电压值足够大，该节点所需无功补偿容量就小，反之所需的无功补偿容量大。通过无功裕度值的大小，可以找出系统需要进行无功补偿的点。

2.2 空载无功功率法

异步电机作为旋转负荷，需要一部分电流建立励磁磁场，该电流称为励磁电流，这部分电流产生的功率为无功功率。当异步电机的尺寸、结构、工艺、材质确定后，无功功率在异步电机的整个运行过程中一般不会发生改变。当异步电机空载时，异步电机内的电流几乎全部用来建立磁场，此时的电流可全部认为是无功电流，随着负载的增大，有功电流比例逐渐增大，功率因数提高；在额定负载附近，功率因数最大；若负载继续增大，转子电流继续上升，转差率增大，使得功率因数角变大，最终导致功率因数下降。

依据《农村电网无功优化补偿技术导则》（Q/GDW435-2010）中规定：机械负荷惯性大的电动机（如水泵等），随机补偿容量可按1.3～1.5倍的电动机空载无功功率配置；机械负荷惯性小的电动机（如风机等），随机补偿容量可按0.9倍电动机空载无功功率配置。

3 无功补偿设备

3.1 同步调相机

早期的无功功率补偿装置主要为同步调相机，多为高压侧集中补偿，目前只有少量使用。

3.2 静止型无功补偿装置

静止型无功补偿器（SVC）采用电力电子技术，响应迅速，将节点电压作为目标函数，控制吸收或发出的无功功率。此种设备价格较低、工作可靠，目前占据主要市场，主要包括直流助磁饱和电抗器型、可控硅控制电抗器型和自饱和电抗器型3种。

目前，国内外对SVC的研究仍在继续，研究的重点主要集中在控制策略上，试图借助于人工智能技术，提高性能。

3.3 静止无功发生器[5]

静止无功发生器（SVG）同样采用电力电子技术，利用电流相位转换器达到吸收或发出容性无功的目的。此种设备不需要大容量的储能元件，这是SVG与SVC的不同之处。但SVG不能应用于不对称系统，因此适用范围受限。

4 仿真分析

对某炼厂变电站进行无功补偿仿真实验，该变电站有两条110 kV电源进线，4台110/6.3/6.3 kV、50 MVA分裂变压器作为主变，负荷共计58 MW，1号主变带载22 MW，2号主变带载18 MW，3号主变带载8 MW，4号主变带载10 MW。110 kV母线采用双母线，6 kV采用单母线分段。

首先在8段6 kV母线上分别设置电容器，进行集中补偿。由式（1）确定各母线补偿容量，设定补偿后变压器功率因数不超过0.97，计算结果具体见表1。

对应集中补偿，保持每条6 kV母线补偿量不变，选取功率因数较低的装置开闭所进行就地补偿。对两种补偿方案进行仿真计算，对比网络损耗，结果如表2所示。

从仿真结果可以看出，无功补偿可以降低变压器及线路损耗，其中集中补偿降低网损7.2%，就地补偿降低网损8.5%。由此可知，当补偿容量相同时，采取就地补偿方式的降损幅度比集中补偿大，效果明显。

以上方案中的补偿容量按照公式（1）计算结果进行配置，达到降损目的。当增大补偿容量，即在就地补偿方式下发生过补偿时，进行仿真计算，比较网损，结果见表3。

由表3可知，少量过补偿时，网络损耗降低，当补偿容量进一步增大时，损耗反而增加。这是因为当发生少量过补偿时，变压器自身的无功电流能够得到补偿，流过线路的无功也随之减少，所以网络损耗略有下降；但是当补偿量进一步增大时，产生无功倒送现象，和正常潮流一样产生损耗，导致网损增大，另外，供电公司针对无功倒送收取一定费用，所以过补偿既危险又不经济，要尽量避免。

4 结 论

无功补偿技术可在一定程度上降低网络损耗。对于石化企业电网而言，接地补偿效果更加明显。设计人员在今后的无功补偿应用中应充分考虑电网运行方式及负荷分布情况，综合考虑功率因数、电压质量等因素，避免产生过补偿及高次谐波等不良情况，在安全的前提下降低网络损耗，节省生产成本。

参考文献：

[1] 陈静，甘怀岳. 无功平衡在电网中的应用分析[J]. 大众用电，2010，12：21.

[2] 王晓春，高景致. 浅谈低压电网无功补偿方法及经济作用[J]. 科技创业家，2011，10：168.

[3] 高宏，曹艳. 电力系统无功优化与补偿措施分析[J]. 电气工程与自动化，2012，24：21-22.

[4] 姚治松，吴军. 工业企业实用节电技术[M]. 北京：中国电力出版社，2010：64.

[5] 傅裕. 淺析提高功率因数的无功补偿方法[J]. 科技向导，2012，11：192.

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