石化企業(yè)電網(wǎng)無功補償分析

李瓊 錢志紅 劉維功

摘 要：石化企業(yè)電網(wǎng)中感性負(fù)載較多，功率因數(shù)較低，因此電網(wǎng)中通常裝有無功補償裝置改善電能質(zhì)量、降低網(wǎng)絡(luò)損耗。介紹了石化企業(yè)常用的無功補償方方法、原則以及補償量的計算方法，通過仿真計算，分析無功補償?shù)攸c以及補償量對電網(wǎng)損耗的影響，為石化企業(yè)無功補償提供理論基礎(chǔ)。

關(guān) 鍵 詞：電網(wǎng)降損；無功補償；仿真分析

中圖分類號：TE 43 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 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

電能質(zhì)量直接影響著工業(yè)生產(chǎn)狀況。石化企業(yè)中電機類負(fù)載較多，油田地域較廣，需要依靠外加設(shè)備提高電能質(zhì)量。無功是電能傳輸轉(zhuǎn)換以及機泵類設(shè)備運行必不可少的，但應(yīng)對其進(jìn)行補償限制，使系統(tǒng)無功保持平衡[1]。無功補償設(shè)備通過自身容性無功補償系統(tǒng)感性無功，能夠起到提高功率因數(shù)、加大電機出力、降低電網(wǎng)損耗等作用，主要補償裝置有靜電電容器、同步調(diào)相機、靜止補償器等，目前已被廣泛應(yīng)用。

本文著重介紹了石化企業(yè)常用的無功補償方法、原則以及無功補償量計算的方法，運用仿真技術(shù)，分析無功補償設(shè)備裝設(shè)地點以及無功補償量對電網(wǎng)損耗的影響。

1 無功補償方法

對電力系統(tǒng)進(jìn)行無功優(yōu)化及補償?shù)幕驹瓌t是：全面規(guī)劃，合理布局，分級補償，就地補償。既要滿足整體系統(tǒng)的無功平衡，又要使局部地區(qū)及分站的無功在一定的范圍內(nèi)達(dá)到平衡。所以應(yīng)通過對系統(tǒng)無功優(yōu)化及補償裝置的合理配置來調(diào)節(jié)電壓，降低線損，保證系統(tǒng)內(nèi)電力設(shè)備的電壓在一定的范圍內(nèi)波動。按照無功補償裝置安裝地點進(jìn)行分類，無功補償方法包括集中補償和就地補償。

1.1 集中補償

無功補償設(shè)備集中安裝在總降壓變電所6～10 kV母線上，稱為集中補償[2]，適用于遠(yuǎn)離供電電源的線路末端。集中補償可減小系統(tǒng)的無功潮流，提高電網(wǎng)的輸送能力，改善電壓質(zhì)量和降低線損，缺點是不能降低配電網(wǎng)的線損，經(jīng)濟(jì)效益相對較低。

1.2 就地補償

補償設(shè)備安裝在感性負(fù)載附近時稱為就地補償。由于二者無功電流相位恰好相反，因此電感所需要的無功功率大部分可由補償裝置就地供給，電源只需供給有功電流和少量的無功電流，所以該種補償方法可以減少線路總電流、提高電動機出力，既保證了負(fù)荷的工作狀態(tài)不變，也使發(fā)電機容量得到了充分的利用。

就地補償設(shè)備投資小、易安裝、操作靈活，與能夠有效地降低設(shè)備的故障率，對配電網(wǎng)最大無功負(fù)荷也起到了良好的限制作用，對于最大負(fù)荷小時數(shù)在1 200 h以上的電動機采取隨機補償方式更加經(jīng)濟(jì)[3]，是目前較為常用的無功補償方法。

1.3 配置原則

在進(jìn)行無功補償時應(yīng)遵循以下原則：

（1）分層分區(qū)平衡；

（2）無功不倒送；

（3）功率因數(shù)滿足要求；

（4）電壓偏差滿足要求。

2 補償量計算方法

石化企業(yè)常用的無功補償量計算方法包括：功率因數(shù)法、空載無功功率法。

2.1 功率因數(shù)法

在交流電網(wǎng)中，電壓與電流向量之間的夾角 稱為功率因數(shù)角， 則為功率因數(shù)。功率因數(shù)的大小反映著電網(wǎng)中有功功率所占比例，當(dāng)功率因數(shù)大時，有功功率傳輸?shù)亩啵瑹o功功率傳輸?shù)纳佟Ｋ栽陔娏鬏斶^程中應(yīng)盡量提高功率因數(shù)，加大有功功率的傳輸量，提高電能傳輸效率。

電網(wǎng)中的感性負(fù)載較多，例如電動機、變壓器等，此類負(fù)載工作時向電網(wǎng)同時吸收有功和無功，在安置電容器等無功補償設(shè)備作為無功電源后，向電網(wǎng)輸送容性無功，可以補償電動機等所需的感性無功，減少了無功功率在電網(wǎng)中的流動，從而降低了輸送無功功率造成的電能損耗，從而達(dá)到降損目的。

提高功率因數(shù)的作用：

（1） 減少線路中的總電流；

（2） 減少設(shè)備投資；

（3） 改善電能質(zhì)量；

（4） 增加系統(tǒng)裕度、負(fù)載容量；

（5） 減少電費支出。

當(dāng)系統(tǒng)中諧波電流分量較高時，可能會引起設(shè)備過熱、噪音增大、繼電保護(hù)誤動作等事件，此時需要在電容器端串聯(lián)調(diào)諧電抗[4]，改善諧波。另外，有源功率因數(shù)校正技術(shù)也能夠極大地減少電流的高次諧波，消除無功損耗。

無功裕度是指在靜態(tài)電壓穩(wěn)定的條件下，系統(tǒng)運行點離臨界崩潰電壓點電氣距離的大小。如果節(jié)點的無功裕度大，電壓值足夠大，該節(jié)點所需無功補償容量就小，反之所需的無功補償容量大。通過無功裕度值的大小，可以找出系統(tǒng)需要進(jìn)行無功補償?shù)狞c。

2.2 空載無功功率法

異步電機作為旋轉(zhuǎn)負(fù)荷，需要一部分電流建立勵磁磁場，該電流稱為勵磁電流，這部分電流產(chǎn)生的功率為無功功率。當(dāng)異步電機的尺寸、結(jié)構(gòu)、工藝、材質(zhì)確定后，無功功率在異步電機的整個運行過程中一般不會發(fā)生改變。當(dāng)異步電機空載時，異步電機內(nèi)的電流幾乎全部用來建立磁場，此時的電流可全部認(rèn)為是無功電流，隨著負(fù)載的增大，有功電流比例逐漸增大，功率因數(shù)提高；在額定負(fù)載附近，功率因數(shù)最大；若負(fù)載繼續(xù)增大，轉(zhuǎn)子電流繼續(xù)上升，轉(zhuǎn)差率增大，使得功率因數(shù)角變大，最終導(dǎo)致功率因數(shù)下降。

依據(jù)《農(nóng)村電網(wǎng)無功優(yōu)化補償技術(shù)導(dǎo)則》（Q/GDW435-2010）中規(guī)定：機械負(fù)荷慣性大的電動機（如水泵等），隨機補償容量可按1.3～1.5倍的電動機空載無功功率配置；機械負(fù)荷慣性小的電動機（如風(fēng)機等），隨機補償容量可按0.9倍電動機空載無功功率配置。

3 無功補償設(shè)備

3.1 同步調(diào)相機

早期的無功功率補償裝置主要為同步調(diào)相機，多為高壓側(cè)集中補償，目前只有少量使用。

3.2 靜止型無功補償裝置

靜止型無功補償器（SVC）采用電力電子技術(shù)，響應(yīng)迅速，將節(jié)點電壓作為目標(biāo)函數(shù)，控制吸收或發(fā)出的無功功率。此種設(shè)備價格較低、工作可靠，目前占據(jù)主要市場，主要包括直流助磁飽和電抗器型、可控硅控制電抗器型和自飽和電抗器型3種。

目前，國內(nèi)外對SVC的研究仍在繼續(xù)，研究的重點主要集中在控制策略上，試圖借助于人工智能技術(shù)，提高性能。

3.3 靜止無功發(fā)生器[5]

靜止無功發(fā)生器（SVG）同樣采用電力電子技術(shù)，利用電流相位轉(zhuǎn)換器達(dá)到吸收或發(fā)出容性無功的目的。此種設(shè)備不需要大容量的儲能元件，這是SVG與SVC的不同之處。但SVG不能應(yīng)用于不對稱系統(tǒng)，因此適用范圍受限。

4 仿真分析

對某煉廠變電站進(jìn)行無功補償仿真實驗，該變電站有兩條110 kV電源進(jìn)線，4臺110/6.3/6.3 kV、50 MVA分裂變壓器作為主變，負(fù)荷共計58 MW，1號主變帶載22 MW，2號主變帶載18 MW，3號主變帶載8 MW，4號主變帶載10 MW。110 kV母線采用雙母線，6 kV采用單母線分段。

首先在8段6 kV母線上分別設(shè)置電容器，進(jìn)行集中補償。由式（1）確定各母線補償容量，設(shè)定補償后變壓器功率因數(shù)不超過0.97，計算結(jié)果具體見表1。

對應(yīng)集中補償，保持每條6 kV母線補償量不變，選取功率因數(shù)較低的裝置開閉所進(jìn)行就地補償。對兩種補償方案進(jìn)行仿真計算，對比網(wǎng)絡(luò)損耗，結(jié)果如表2所示。

從仿真結(jié)果可以看出，無功補償可以降低變壓器及線路損耗，其中集中補償降低網(wǎng)損7.2%，就地補償降低網(wǎng)損8.5%。由此可知，當(dāng)補償容量相同時，采取就地補償方式的降損幅度比集中補償大，效果明顯。

以上方案中的補償容量按照公式（1）計算結(jié)果進(jìn)行配置，達(dá)到降損目的。當(dāng)增大補償容量，即在就地補償方式下發(fā)生過補償時，進(jìn)行仿真計算，比較網(wǎng)損，結(jié)果見表3。

由表3可知，少量過補償時，網(wǎng)絡(luò)損耗降低，當(dāng)補償容量進(jìn)一步增大時，損耗反而增加。這是因為當(dāng)發(fā)生少量過補償時，變壓器自身的無功電流能夠得到補償，流過線路的無功也隨之減少，所以網(wǎng)絡(luò)損耗略有下降；但是當(dāng)補償量進(jìn)一步增大時，產(chǎn)生無功倒送現(xiàn)象，和正常潮流一樣產(chǎn)生損耗，導(dǎo)致網(wǎng)損增大，另外，供電公司針對無功倒送收取一定費用，所以過補償既危險又不經(jīng)濟(jì)，要盡量避免。

4 結(jié) 論

無功補償技術(shù)可在一定程度上降低網(wǎng)絡(luò)損耗。對于石化企業(yè)電網(wǎng)而言，接地補償效果更加明顯。設(shè)計人員在今后的無功補償應(yīng)用中應(yīng)充分考慮電網(wǎng)運行方式及負(fù)荷分布情況，綜合考慮功率因數(shù)、電壓質(zhì)量等因素，避免產(chǎn)生過補償及高次諧波等不良情況，在安全的前提下降低網(wǎng)絡(luò)損耗，節(jié)省生產(chǎn)成本。

參考文獻(xiàn)：

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