供电系统中无功补偿设计应用经济性分析

张嘉伟

（山西焦煤西山煤电铁路公司， 山西 太原 030000）

1 问题的提出

某企业供电系统是由35 kW 变电站所提供的，该变电站主变容量为两台10 000 kVA 变压器。变电站为厂区办公楼、生产、包装等产线车间供电。地面配电一、二级负荷为双回路放射式，三级负荷为单回路放射式。厂内电路敷设以电缆井为主，配电电缆电压为10 kV。经过检测发现该企业供电系统功率因数相对较低，平均功率因数仅达到0.679，并且三项谐波含量较大，其中相谐波电流最大值可达47.35 A。此种情况下，企业内部设备的运行效率相对较低，电能消耗量较大，并且高含量谐波会对系统设备的运行稳定性和安全性产生影响，不利于企业的健康生产。

2 无功补偿设计方案

2.1 硬件设计

根据某企业供电系统的实际情况来看，本次方案设计利用TMS320F2812 型的数字信号处理器对所采集的参数进行计算，该芯片具有延迟低、计算精度高的特点。在整个电路当中还包含有信号采集模块、信号调理模块、过零捕获模块、保护控制模块等。

2.2 软件设计

在系统进行无功补偿时，需要采集电网电压、电容电压、电流信号等信息，以此为基础，经过计算得出具体补偿数值，进而实现无功补偿，因此软件设计也需要围绕该方面开展。本次无功补偿软件程序逻辑设计如下所示：

1）在系统开始后首先对其中的模块和接口进行初始化操作；

2）对系统进行自检，查看系统内部各模块功能是否正常；

3）根据系统预先设定的定时模块进行中断指令；

4）中断后查询各数据采集程序是否存在逻辑错误，如果发生错误则进行自动处理，错误处理完成后再次进入中断指令；

5）进行数据采集，采集完成后传递至TMS320F2812数字信号处理器中，处理器通过自身所附带的A/D 转换器将传递回的电流模拟信号转换为数字信号，再根据预先输入的算法对谐波和无功功率进行计算，得出PWM脉冲信号；

6）将脉冲信号传递至驱动电路，进行无功补偿后结束一个周期的运行。

3 仿真模拟

为了判断无功补偿设计方案的有效性，利用MATLAB 软件对并联有SVG 与APF 装置的电路进行仿真模拟，所建立模型如图1 所示。在具体仿真模拟过程中，电源参数设置为380 V，频率设置为50 Hz，SVG装置投入时间为0.1 s，APF 装置投入时间为0.2 s。

图1 并联有SVG 与APF 装置的电路

由图1 可知，在SVG 与APF 装置均投入电路当中，Display 模块显示的功率因数为0.980 8，相比较未投入时的0.893 2 有了一定的提高，由此可见本次设计的无功补偿装置能够对无功功率进行有效补偿。

经过仿真分析，可以得出电网波形图如图2 所示。

图2 电网波形

由图2 可知，在0.1 s 时投入SVG 装置，电网波形幅度有了明显的改善，在0.2 s 时投入APF 装置后，不规则波形逐步转变为规则的正弦波形。除此之外，经过波形图的计算分析可知，在仿真初始阶段（0.1 s以内），供电系统总谐波畸变率高达24.01%，而在0.2 s后投入SVG 与APF 装置后，供电系统总谐波畸变率降低至1.41%，降低幅度为22.6%。由此可见，在供电系统当中介入SVG 与APF 装置能够有效抑制谐波的产生，确保供电系统运行平稳性。

4 实践应用分析

4.1 应用效果分析

4.1.1 电压稳定性分析

无功补偿方案主要应用于某公司供电系统当中，SVG 与APF 装置并入10 kV 低压侧，变压器型号为SF7-10000/35。在无功补偿装置投入之前，经过24 h监测可知母线电压波动较大，而在投无功补偿装置投入后母线电压波动有了极大的下降，具体波动变化情况如图3 所示。

图3 SVG 与APF 装置投入前后10 kV 母线24 h 电压值

由图3 可知，在未投入SVG 与APF 装置时，某公司供电系统10 kV 母线24 h 电压值波动较大，其中最低值为9.12 kV，最高值为13.75 kV，节点电压合格率相对较低，对生产有着严重的影响。在投入SVG 与APF 装置后，供电系统10 kV 母线24 h 电压值波动相对平稳，最大电压值为10.41 kV，最小电压值为0.12 kV，符合供电稳定性需求，由此可见在本次所设计的无功补偿装置有着良好的应用效果。

4.1.2 谐波抑制情况分析

本次研究在SVG 与APF 装置投入前后均对供电系统的谐波电流情况进行了详细检测，检测结果如表1 所示。

表1 SVG 与APF 装置投入前后谐波电流情况

由表1 可知，经过无功补偿后，谐波电流最大值、平均值、最小值、95%最大值均有明显下降，L1 相总谐波电流下降幅度达到84.15%；L2 相总谐波电流下降幅度达到90.46%；L3 相总谐波电流下降幅度达到90.18%。由此可见，在SVG 与APF 装置投入后谐波含量明显降低，能够有效提高企业电能质量。

4.2 经济效益分析

某公司在无功补偿设计方案实施后，电能质量问题得到有效解决。除此之外，还能够有效降低设备在运行过程中的电能消耗。如果某公司变电站在经过无功补偿后的增益为Y，则可以将其表示为：

式中：S为经过补偿后每年能够降低的电能消耗量，单位为kW·h；N为电价利润，元。根据某公司上一年电能统计情况可知，每年由电能增益所能接受的成本约为30.53 万元。

通常情况下，在供电系统当中每投入1 kV 无功功率，便能够解决直配电路0.02~0.03 kW 的电能，在二级变压供电过程中能够解决0.06~0.1 kW 的电能，在三级变压供电过程中能够解决0.1~0.15 kW 的电能[2]。因此，本次经济效益计算以单位无功量解决0.1 kW 的电能为准。本次所投入的无功补偿装置能够自动采集、存储系统运行时间以及累计无功电量，根据系统显示数据可以计算出某个时间段内无功补偿装置所发出的无功量。在SVG 与APF 装置投入后屏显时间数据为357 923 s 开始计算，直到20 d 后查看屏显时间为2 097 819 s，可以得出具体运行时间为20.13 d。经过系统数据查看可发现，此时间段所发出的无功电量为897 619 kV·h，因此电力系统每日能够节约的有功电量为897 619÷20.13×0.1≈4 459.11 kW·h，该企业所在地区工业电价为0.72 元/（kW·h），因此无功补偿装置在应用后每年能够降低电费为4 459.11（kW·h）/d×0.72 元/（kW·h）×365 d≈1 057 924.03 元，加上增益所节约的成本，在无功补偿设计应用后该企业每年能够降低136.32 万元成本。

5 结论

1）通过对该企业的分析发现，其存在着严重的谐波污染和无功功率损耗问题。

2）从硬件和软件方面对无功补偿方案进行设计。

3）利用MATLAB 对无功补偿设计进行仿真模拟，研究发现无功补偿设计方案不仅能够有效进行无功功率补偿，同时也能抑制谐波的产生，从而提高供电系统运行的平稳性。

4）将SVG 与APF 装置投入到某企业供电系统当中，不仅供电稳定性得到有效提升，同时总谐波电流也有了明显下降，该企业电能质量问题得到良好解决；从经济方面分析，在无功补偿设计方案应用后，企业每年能够降低136.32 万元成本。