基于配电网无功补偿技术的节电量快速测算方法

2018-07-10，,，，

节能技术 2018年3期

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(1.南瑞集团公司(国网电力科学研究院)，江苏　南京　210000； 2.南瑞(武汉)电气设备与工程能效测评中心，湖北　武汉　430074; 3.国网福建省电力有限公司电力科学研究院,福建　福州　350007)

0　引言

随着居民生活水平的提高和家用电器的普及，以及小工业用户的增多，我国配电网的功率因数大都比较低，尤其是电力电子装置的应用日益广泛，造成电网供电质量下降，也给电网带来额外负担。因此，利用无功补偿技术正成为当前世界各国电力设计及决策人员的共识[1]。

现在，美国电力主网设备的功率因数己接近于1，原苏联法律规定功率因数应大于0.92，日本等国还建立了全国性的无功管理委员会，研究无功补偿方面的技术经济政策。从实际情况看[2]，世界上工业比较发达的国家，其电网功率因数都比较高。我国《国家电网公司电力系统无功补偿配置技术原则》[3]提出，10 kV及以下电压等级补偿到变压器最大负荷时其高压侧功率因数不低于0.95。因此，大力提高电网功率因数，降低线损，节约能源，挖掘发电设备的潜力，是当前电力网发展的趋势[4-5]。

本文介绍了四种配电网无功补偿技术方案，基于第三方丰富的检测经验，给出了配电网无功补偿项目节电量测算方法，具有可操作性。本方法的应用，一方面对电网企业完成电力需求侧管理目标责任考核提供了指导作用；另一方面为支撑电网节能公司以合同能源管理模式开展配网改造项目提供了节能效益的测算依据[6-9]。

1　配电网无功补偿技术方案

在配电网中主要采用并联电容器及动态无功补偿设备来进行电网的无功补偿，其方式主要有[10-12]：变电站集中补偿、低压集中补偿、10 kV杆上无功补偿和用户终端分散补偿，分别如图1中的方式1～方式4。

图1　配电网无功补偿方式示意图

1.1　变电站集中补偿

在变电站进行集中补偿(如图1的方式1)，主要目的是改善输电网的功率因数，提高终端变电所的电压和补偿主变压器的无功损耗。这些补偿装置一般连接在变电站的10 kV母线上，因此具有管理容易、维护方便等优点，不足之处在于不能补偿配电线路和配变的无功缺额，而对于农网而言，后两者所占的无功损耗又较大，所以单独安装变电站无功补偿装置是不够的。

1.2　低压集中补偿

配电变压器400 V侧进行集中补偿(如图1的方式2)，作用是补偿各个配电变压器及以上配电线路的无功缺额，减少10 kV线路和配电变压器的无功损耗，保证负荷的电压合格。目前配变400 V动态无功调节设备可以做到跟随配变负荷的变化而补偿合适的电容量，适合配电网的实际要求。存在的问题是由于配变容量小，补偿单位无功的价格较高。选择合适的补偿容量时，需要考虑到全年负荷变化和日负荷变化，使投资效益达到最佳。

1.3　10 kV杆上无功补偿

10 kV杆上无功补偿方式(如图1的方式3)，即在高压侧节点—10 kV线路和配电变压器高压侧，加装无功补偿控制装置和电容器组，作用在于补偿线路上的无功缺额，减少10 kV线路的有功无功损耗，以提高配电网功率因数，达到降损升压的目的。由于杆上安装的并联电容器远离变电站，容易出现保护不易配置、控制成本高、维护工作量大、受安装环境和空间等客观条件限制等工程问题。

1.4　用户终端分散补偿

目前在我国城镇，低压用户的用电量大幅增长，企业、厂矿和小区等对无功需求都很大，直接对用户末端进行无功补偿(如图1的方式4)将最恰当地降低电网的损耗和维持网络的电压水平。《供电系统设计规范》(GB50052-95)指出，容量较大、负荷平稳且经常使用的用电设备无功负荷宜单独就地补偿，如对于企业和厂矿中的电动机，应该进行就地无功补偿，即随机补偿。

根据以上无功补偿方案的分析、讨论，可归纳、整理出四种补偿方案的特点和基本性能，如表1所示。

表1四种无功补偿方式的比较

补偿方式变电站集中补偿低压母线集中补偿杆上无功补偿用户终端分散补偿补偿对象变电站无功需求配电变无功需求10 kV线路无功负荷用电设备无功需求降损范围主变压器及输电网配电变及输配电网10 kV线路及输电网整个输配电系统网调压效果较好较好较好最好单位投资较大较大较小较大设备利用率较高较高很高较低维护方便性方便较方便不方便不方便

2　配电网无功补偿节电降损计算

根据电力行业标准《电力网电能损耗计算导则》(DL/T686-1999)[13]，当电网中某一点装置无功补偿装置后，补偿点到上一级无功电源点间所有串接线路及变压器的无功潮流均将减少，从而使该点以前串接元件中的电能损耗减少，其降损节能可用潮流法计算，当不具备条件或者假定无功补偿前后并未引起有功负荷的变化时，可根据无功经济当量或者补偿前后功率因数的变化值计算。

2.1　无功经济当量法

报告期电力损耗ΔP′为

(1)

在负荷和元件电阻不变条件下，若减小无功功率，电力损耗也随之减小。若补偿的无功为QC，不计补偿前后电网电压的变化，则基准期(未加装无功补偿装置)的电力损耗ΔP为

(2)

考虑补偿装置的自身损耗，项目节电力Δ(ΔP)为

(3)

式中P′——补偿后的有功功率/kW；

Q′——补偿后的无功功率/kvar；

UN——无功补偿点额定电压归算至某一电压等级的额定电压/kV；

R——所有串联元件归算至某一电压等级的等效电阻/Ω；

QC——无功补偿装置补偿容量/kvar；

C——无功经济当量/kW·kvar-1；

K——无功补偿装置损耗率。

2.2　功率因数法

报告期电力损耗ΔP′也可以表示为

(4)

根据补偿前后功率因数变化表达，项目节电力Δ(ΔP)为

(5)

式中conθ、cosθ′——补偿前后的功率因数；

P′、UN、R、QC、K等参数同上。

2.3　主要参数的测量与确定

采用功率因数法，最主要的是测算项目边界范围内配网的等效电阻R。因电网结构的复杂性，一般较难获取。本文仅介绍无功经济当量法的相关参数的测量与确定方法。

无功补偿项目的节电量表示为

(6)

在负荷不变条件下，根据有功功率、无功功率及功率因数之间的关系，可得

QC=P·(tanθ-tan′θ)

(7)

式中tanθ、tan′θ——补偿前后输入相电流滞后相电压相角的正切值。

对于实际运行不足一年的情况下，报告期实际供电量数据无法获取，可以保证的是在全社会用电量不断提升的背景下，改造后配电台区全年供电量必将大于改造前全年供电量，因此，从保守原则出发，可以选定改造前全年实际用电量为基础数据。

同时，平均功率因数由供电公司提供，受测量设备、抄表管理等方面影响，可能有少量数据存在误差。建议加强分析功率因数的变化规律，合理确定补偿前后的功率因数。

在国家电网公司企业标准《并联无功补偿装置节约电力电量与验证规范》(Q/GDW11036-2013)[14]中，也给出一个近似等效公式

(8)

式中QN——最大补偿量，即无功补偿装置的装机容量；

τmax——最大负荷损耗小时数。

根据Q/GDW11036-2013附表A.1，例如功率因数0.95，统计实际最大负荷利用小时数Tmax为4 500 h，查表得最大负荷损耗小时数τmax取为2 700 h。

(2)C的确定

C是无功经济当量[11]，与补偿点无功功率、电压以及补偿点至电源点的所有串联元件的电阻有关。典型无功补偿位置的无功经济当量值，如表2所示。

表2无功经济当量推荐值

无功补偿位置C发电厂母线直配0.02～0.04变电站0.05～0.07配电变压器0.08～0.10校正前功率因数已达到0.9及以上0.02～0.04

(3)K的确定

K为无功补偿装置损耗率，由厂家提供。如补偿装置为电容器，则K=tanθ，其中tanθ为介质损耗角正切值，以出厂值为准。表3为典型介质损耗角正切值。

表3典型介质损耗角正切值

介质二膜一纸全膜三纸二膜tan θ0.000 80.000 50.001 2

3　案例分析

为提高江苏省配网输电效率，实现江苏配网节能减排，对江苏省10 kV以下配网实施综合无功补偿节能改造。选择在邳州农网13个公变和专变用户实施低压集中补偿，总补偿容量为810 kvar。现场测试结果显示，通过安装无功补偿装置后，各个变压器低压输出侧的功率因数普遍提高到0.95左右，具体参数及投资情况见表4。

表4邳州配网无功补偿项目节能量及投资情况

序号台区名称容量/kVA补偿容量/kvar补偿前有功电量/kWh补偿前功率因数补偿后功率因数节能量/kWh投资额/元电容/60元·kvar-1附件其他费用/元1公变李场区变20060424 1090.9270.9959 2903 6003 0002公变刘庄工业16060203 5150.7550.9377 2633 6003 0003公变华庄工业31590403 6000.80.92810 1285 4004 0004公变贺庄村庄变20090363 9630.890.999 6915 4004 0005公变华庄扶贫200120620 4400.8720.9713 8817 2005 0006公变刘庄扶贫20090409 7410.8450.96911 1485 4004 0007公变黄堰村南变10060314 2830.858 50.96775553 6003 0008公变黄堰村北变10060373 7970.8670.98410 5953 6003 0009公变大刘庄变10060285 5210.9430.983 0813 6003 00010专变弘华木业厂8030116 0610.7880.98550651 8002 00011专变刘兆辉803069 5360.8180.9792 4781 8002 00012专变喜达水泥厂12530122 2230.7810.98454441 8002 00013专变刘新林板厂803043 9490.6650.9372 3741 8002 000合计1 94081097 99348 60040 000

该项目节电量采用无功经济当量法，选取无功经济当量推荐值0.08，无功补偿介质损耗正切角按“二膜一纸”选取为0.000 8，则项目年节电量为97 993 kWh。按公变电价0.58元/kWh、专变电价0.8元/kWh，计算年节电收益为60 215元。项目总投资88 600元，则项目静态回收期为1.47年。