零过渡动态无功补偿技术的实践应用

2021-09-13吴艳平

无线互联科技 2021年11期

吴艳平

摘要：当前电力体制改革及电力过剩的双重压力非常不利于电厂的经济效益可持续发展。文章阐述了零过渡动态无功补偿装置的原理和技术特点，以平海电厂实践应用作为实例，阐述该项技术在保障安全和节能优化方面的优势，希望能为相关部门提供可行性借鉴。

关键词：无功补偿;电除尘380V配电段;功率因数;节能

0 引言

为响应国家号召，节能减排已成为电力行业重点关注的对象。对于燃煤发电厂而言，因电能是通过能量转换而来的二次能源，转换效率一般只能到达30%左右。若将节能量折算成节约标准煤量，根据相关数据统计，每降低电能量损耗1%，就相当于降低了标准煤消耗量2.53%，节能减排效率非常高[1]。而在发电厂生产运行过程中，厂用电系统用电负荷的无功功率变化非常频繁，无功损耗很大，在当前电力体制改革及电力过剩的双重压力下，非常不利于电厂经济效益的可持续发展，若能找到有效的解决方法，既可达到节能减排的目标，又能提高电厂的直接经济效益和市场竞争力。

自平海电厂1号机组投产以来，电除尘380 V低压配电系统一直存在母线电流大、温度高的现象。配电变压器和380 V进线开关及其进出线母排的温度长期在87 ℃以上高温运行，此温度远超过设备长期安全、稳定运行的要求，存在较高的安全隐患。同时，该配电系统还存在功率因数、母线电压等参数波动大及偏低的现象。为解决以上问题，该厂在1号机组大修期间对1号机组电除尘380V A段、B段分别增加了一套容量为630 kVar的零过渡动态无功补偿装置。

1 零过渡动态无功补偿装置的原理

零过渡动态无功补偿是把无功补偿装置和电力网视为一个整体，包含控制单元和执行机构，实时监测电网和无功补偿装置的实际运行状态，通过控制单元对系统所需无功的计算分析，给执行机构发出相应的投切电容器组数的指令，实现动态控制，始终使系统无功处于最优状态。由电磁能量守恒定律可知，在电容器不需要放电的前提下，当选择在系统零过渡时刻投切电容器组时，电网的动态电流和电压的非周期分量接近于零，实现零过渡过程动态无功补偿[2-4]。其简化原理如图1所示，其中系统理想电压源定义为系统等效内阻。

当t≥0时：Vc=Vc'（Vs（ωt））+Vc''（Vs（ω0，β，t），Vs（0），Vc（0））;其中，ω=2πf;f=50 Hz，为衰减系数;ω0=2πf0，为谐振频率，与ZS和C相关，ω0>ω;Vc'∣t→∞=Vc为稳态分量（周期函数）;Vc''∣t→∞为暂态分量（非周期衰减函数）。零过渡过程投切的基本原理：Vc''（0）→0。

2 零过渡动态无功补偿装置技术优势

零过渡过程无功补偿装置与传统无功补偿装置相比，具有以下优势。

（1）投切响应速度快。因为在零过渡时刻切换，所以投切电容器组时不需要放电电阻，大大提高了投切间隔响应速度，是国家和行业标准的3 000倍以上，能实现快速、动态补偿冲击负荷，同时抑制电压剧烈波动，保证电压质量[5]。

（2）设备寿命长。零过渡过程无功补偿装置有效地避免了电容器组投切过程中可能产生的过电压、过电流现象，与传统补偿装置相比，使用寿命约可提高3～4倍，同时因对系统冲击较小，有效地延长了负荷设备的使用寿命[6]。

（3）降低功率损耗。动态进行电压补偿，使电压稳定在保证设备正常运行的合格电压范围内，大幅降低了由于电压下降引起的设备电流快速上升而产生的额外功率损耗（设备绕组的发热损耗），另外也没有放电电阻消耗额外的功率，减少了装置损耗，比传统无功补偿装置更经济。

（4）高效节能。装置能达到0.95以上的高瞬时功率因数，取代了传统无功补偿装置应用平均功率因数的算法，不但增加了供用电装置的功率转换效率，还更加高效节能。

（5）无谐波污染。因零过渡时刻切换，故装置工作时不会产生谐波、振荡或涌流，也不会引起电压波形的畸变;相反，还能起到抵抗并吸收部分谐波，也能起到抑制冲击负荷引起的电压波动，从原理上避免装置本身对系统产生的电能污染[7]。

3 零过渡动态无功补偿装置在电厂厂用电系统的应用

为响应国家节能减排的环保指标，同时提高供电设备的安全性和可靠性，平海电厂对1号机组厂用电系统的电除尘380 V配电段进行了母线加装零过渡动态无功补偿装置的技术改造，其系统接线如图2所示。

改造前后，分别用“HIOKI3196电能质量分析仪”对1号机组电除尘380 V 配电段A段、B段进行了数据采集，对比分析在安装“GX-LDB2-630/0.4NK”型零过渡动态无功补償装置前后的运行参数及电能质量数据，对比数据如表1所示（机组负荷900 MW）。

表1中，降损率的计算方法采用电流对比法。根据表1统计数据和已知数据，可以得出以下分析结论。

3.1 安全性分析

装置投运后，电除尘1A段电流从1 661 A降至1 495 A，降低了166 A，母排温度最高点从约86 ℃降至约77 ℃;电除尘1 B段电流从1 771 A降至1 596 A，降低了175 A，母排温度最高点从约87 ℃降至约75 ℃。说明装置投运后，在有功功率不变的情况下，因为补偿了大量的无功，母线电压得到升高，从而降低了运行电流，也降低了母线运行温度，大大提高了设备运行的可靠性。

3.2 经济性分析

3.2.1 电能质量分析

（1）能效提升作用显著。

设备投运后1号机组电除尘380V A段电力需求（视在功率）从1 061 kVA下降至973 kVA;B段电力需求从1 131 kVA下降至1 063 kVA。

（2）电能利用效率显著提高，节能效果明显。

设备投运前后1号机组电除尘380V A段功率因数从0.88提高到0.98;B段功率因数从0.89提高到0.98，达到了国务院〔2008〕23号文《关于进一步加强节油节电工作的通知》中有关功率因数0.95以上的要求，电能利用效率提高9%～10%。

（3）电压质量改善，电气设备的工作效率提高。

设备投运后1号机组电除尘380 V A段工作电压从370 V提高至379 V;B段工作电压从368 V提高至377 V，解决了由启动瞬间电压过低造成的电机启动困难以及负荷末端工作电压偏低的问题。

3.2.2 经济效益分析

研究表明，在电网的经济运行过程中，每补充相应的无功功率，就可以减少电网内部一定量有功功率的消耗，这就是无功经济当量KQ的概念。根据国家标准《电力变压器经济运行》（GB/T 13462—2008）对无功经济当量的规定，无功经济当量KQ为变压器每减少1 kVar的无功功率消耗引起其受电网所减少有功功率损耗，其取值参考表2。

照国家标准《电力变压器经济运行》（GB/T 13462—2008）中规定的计算方法，低压厂用电变压器为二次变压，无功经济当量KQ取0.07，据上，可对本项目的经济性进行计算。

无功功率的计算公式为：

根据测量的数据，当机组负荷为900 MW时，可分别计算出改造前后无功功率值，如表3所示。

据此，机组负荷为900 MW时补偿无功功率产生的有功功率节能量为：

P=0.07×（283+328）=42.77（kW）

按照机组运行小时数为7 200h（10个月）、电费 0.25元/kW·h进行计算，每年总计可节省电费为：

M=0.25×7 200×42.77=7.69（万元）

另外，按照往年机组负荷较低（400 MW）时的测量参数进行计算，除尘变1A、1B段有功功率合计约为830 kW，无功补偿改造前的功率因数约为0.7，投入无功补偿装置后可提高至0.95，则电除尘1A、1B段变压器无功功率可降低：

δQ=830×（1.02-0.33）=572.7（kVar）

因此，机组负荷为400 MW时电除尘1A、1B段合计每年可节省电费：

M=0.07×2×572.7×7 200×0.25=14.43（万元）

综上，无功补偿装置投运后，在机组负荷参数不同时，所产生的经济效益也不同，机组负荷越低，经济效益越明显，每年节能费用约7.69万元～14.43万元。