关于客户变电站无功功率因数补偿问题研究

2020-09-10杨春华

小作家报·教研博览 2020年37期

关键词：研究

杨春华

摘要：钦州天亿石化有限公司成立于2017年1月10日，位于钦州港金谷石化产业园内，现有员工200人，一期投资建设液化气综合利用15万吨MTBE装置，10万脱氢装置，15万吨异构装置，项目点占地200亩，总投资5亿元人民币;主要产品有MTBE，异丁烷等。厂区配套建设了一座110KV变电站（客户站），有两台容量40MW变压器。自国家推行产业节能政策以来，国家供电部门对企业电能质量监管越来越重视，相关政策不断出台;无功补偿对电网也是一种必须配套设备，对提高电能输送质量减少损耗有很大作用;为提高用户高备运行质量，提高电网质量，无功补偿在电网中显得越来重要的存在。

关键词：无功功率;补偿问题;研究

1 国内无功补偿情况概述

目前，我国的电网，特别是广大的中低压电网中，普遍存在功率因数较低、电网线损较大的情况。导致此现象的主要原因是众多的感性或容性负载用电设备设计落后，功率因数较低。比如我国的电动机消耗的电能占全部发电量的70%，而由于设计和使用等方面的原因我国电动机的功率因数往往较低，一般约为cosφ=0.70

2 在这种情况下，采用无功补偿节能技术，对提高电能质量和挖掘电网潜力是十分必要的，世界各国都把无功补偿作为电网规划的重要组成部分。从我国电网功率因数和补偿深度来看，我国与世界发达国家有不小差距。因此大力推广无功补偿技术是非常必要的，并且从以下数据，我们也能看出发展无功补偿所能带来的巨大经济效益。以2007年为例，我国年总发电量为32559亿千瓦时，统计线损率为8.77%，但是这个数字没有包含相当大的110千伏、35千伏、10千伏的输电线损及0.38千伏的低压电网线损。据报道，估计实际的统计线损率约为15%，即2007年全国年线损量约为4800亿千瓦时。假设全国的理论线损与统计线损相一致，其中可变线损约占理论总线损的80%，则年可变线损电量约为3900亿千瓦时。假设当前全国电力网总负荷的当前功率因数cosφ=0.85，采用无功功率补偿后，把电力网总负荷的功率因数提高到cosφ=0.95，则每年可以降低线损约为390亿千瓦时，按0.5元每千瓦时计，价值约为185亿元。假设2007年全国电网的最大负荷利用小时数为5000小时，则电网的最大负荷约为2亿千瓦，当用无功功率补偿法把功率因数cosφ=0.85，提高到cosφ=0.95，全国电网需总补偿容量约为0.58亿千瓦。当前无功功率补偿装置设备主要为电力电容器，电抗器，假设无功补偿设备每千瓦的平均綜合造价为50元，则全国无功补偿装置的总投资约为29亿元。应当指出，节省240亿千瓦时约相当于一座400万千瓦火电厂的年发电量，而建一座400万千瓦的火电厂需综合费用约为300亿元，同时每年需燃烧煤约为1200万吨，每年产生CO2，SQ2等有害物质约为600万吨。由此可见，产生相同的电力，无功补偿的费用约为新建电厂费用10%，而且无功补偿设备的费用仅需两个月的无功功率补偿的即可将损节电费用即可全部收回。现在全国用电量大大增加，加大无功装置投入，社会经济效益会更明显。

3一般工厂外线进线电源采用电缆供电，而电缆无功上呈现容性，需补偿感性无功。而工厂由于多数是感性无功负载，配置上多以容性无功为主，在工厂停工时生产不正常时，负荷负载过小，上般无功装置一般不会自动投入，即使采用手动方式投入补偿，由于投入是容性无功，反而导致功率因数走低。供电局计量点一般安装于设备产权分界处，距离较远，电缆无功需求加大，供电等级越高，需求无功越大，如果不把握好补偿性质和容量，反而将会拉低功率因数而受到考核，因为供电部门的无功计量是正反计量的，无论是输出或反送无功，达不到标准也是要考核的。

4影响功率因数的主要因素

（1）大量的电感性设备，如异步电动机、感应电炉、交流电焊机等设备是无功功率的主要消耗者。据有关的统计，在工矿企业所消耗的全部无功功率中，异步电动机的无功消耗占了60%～70%;而在异步电动机空载时所消耗的无功又占到电动机总无功消耗的60%～70%。

（2）变压器消耗的无功功率一般约为其额定容量的10%～15%，它的满载无功功率约为空载时的1/3。因而，为了改善电力系统和企业的功率因数，变压器不应空载运行或长期处于低负载运行状态。

（3）另外电缆输配电线路与供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大的影响。

其计算公式为：P=U×Icosφ

其中的φ指的是电压和电流的相位差。在电力网的运行中，功率因数反映了电源输出的视在功率被有效利用的程度，我们希望的是功率因数越大越好。这样电路中的无功功率可以降到最小，视在功率将大部分用来供给有功功率，从而提高电能输送的功率，所以无功功率就地补偿是必要措施，对电网整体运行有利。电缆消耗无功往往被忽视，其实这一块无功在空载和高电压线路输电时，问题较突出。在终端用户来说，由于计量问题成为用户不得不考虑的问题。

5实施案例：天亿石化化工厂变电站，配套有110KV变电站一座，有两台40MW变压器，平常日常运行方式为一备一用。试运时，负荷较小，实际负荷约100-200KW，电流16.52A（含无功电流，经过换算后的值），上一级计量侧220KV变电站计算无功得功率因数：

cosφ=P/U×I=200/110×16.52=0.11

计量侧显示线路运行功率因数很低。由于供电线路用电核算是以220KV变电站侧计量数来作为计量考核点，对用户供电系统运行非常不利。由于功率因数较低，当月被供电部门考核二十多万元，造成用户较大经济损失。用户110KV站虽然配套有两套8Mavr无功补偿电容装置，由于负荷小，无法自动投入。而当时配套是一代电容补偿技术装置，也无法进行手动投入，由于是容性补偿原因。即使手动投入一组无功补偿，会因为每组8Mavr容量过大而过补而导致功率因走低。后来根据经验配套一套第三代技术SVG偿装置，装置设备比较技术先进，手动投运使用后，补偿作用明显，上级功率因数可调高至0.99甚至达1.0。经过分析研究原因，110KV用户站外部电源为500平方电缆埋地电缆沟敷设，电缆无功主要呈容性。

根据计量侧运行参数计算得无功量为：

Q=U×Isinφ=110×16.52×0.89=1617Kvar

開始采用偿试手动投入低压侧无功柜，功率因数反而更低，分析原因是因为低压无功补偿的输出主要是

容性电容，而输送电电缆无功呈容性，形成了过补，参数更不理想，变得更低更差，不得不放弃这种偿试方法。

6经过研究，用户110KV电站需要一种能根据负载无功需求量而进行对应补偿的装置，这个技术目前只有第三代补偿技术SVG偿装置有能力达到，SVG装置设备补偿技术先进，能根据负载无功感性或容性需量同时发出相应容性或感性无功进行补偿，经过专业讨论后，决定上马一套8MavrSVG无功补偿装置。投运使用，作用明显。后来投运了SVG装置，220KV变电站侧功率因数支行一直都比较正常，也没受到考核，产生很好经济效益。下面对SVG技术作简要介绍。

（1）主电路逆变器主要采用国际著名品牌的IGBT器件以及进口驱动电路。

（2）低压SVG一般具有三种控制模式，可自由设定：

1）恒无功装置处于恒无功闭环工作方式下，其无功电流目标值由设定的参数“功率目标值”决定;

2）恒电压装置无功输出的目标是将电网电压控制在所需要的目标值当中

3）自动跟踪是指自动补偿负荷侧的无功电流，目标是在装置的补偿能力范围之内，控制装置的无功电流输出，使电网侧的无功电流为零。

（3）具有滤波能力。要求SVG具有一定的滤波功能，有效抑制13次及以下各次谐波。

（4）可方便地通过并联实现扩容。

（5）实时跟踪，动态补偿电网中的无功功率。可以使功率因数完全满足电力部门的要求。

（6）过电流限制：采用可靠的限流控制环节，当系统中的无功或谐波电流大于有源滤波器的治理能力时，装置能在自己的额定容量范围内最大限度的对无功或谐波进行补偿，维持正常工作，不会出现过载烧毁等故障。

（7）具备完整的保护功能，包括母线过压、母线欠压、直流过压过流、IGBT元件损坏保护、超温、IGBT短路等。具备系统启动自诊断功能。

（8）具有缓冲启动控制回路，能够避免自启动瞬间过大的投入电流，并限制该电流在额定范围之内。

（9）控制器：计算与逻辑处理采用全数字化技术，采用DSP并配有功能强大的FPGA芯片。