零過渡過程動態無功補償裝置在電廠燃料碼頭的應用

謝子騫

（廣東省粵電集團有限公司沙角C電廠，廣東東莞523936）

0 引言

在現代經濟發展的過程中，節能減排越來越成為社會各界關注的焦點。實現節能減排的目標，科學和有效的方法是關鍵。在發電廠生產運行過程當中，其燃料廠用電系統表現出了無功功率變化非常頻繁的現象，而無功補償裝置能夠顯著地提高功率因數，有效解決燃料廠用電無功功率高等問題。下文就以零過渡過程動態無功補償裝置在發電廠燃料碼頭變壓器的應用為例，對其進行分析和探討。

1 無功補償原理概述

三相三線系統的功率公式如下：

其中，φ為功率因數角，它是電壓U和對應電流I的相位角。當有功功率P和電壓U不變時，電流I與功率因數cosφ成反比，而線路的損耗與電流的平方成正比，因此提高功率因數對降低線路損耗有很大的幫助。

另一方面，視在功率的公式為：

S2=P2+Q2

其中，Q為系統中電源需要提供給感性負荷的無功功率，Qc為加裝無功補償裝置后補償的無功功率，則加裝后電源需要提供的無功功率為Q1=Q-Qc，功率因數從cosφ提升到cosφ1，視在功率就由S減少到S1，電能的利用效率顯著提高。

2 零過渡過程動態無功補償的技術特點

零過渡過程動態無功補償裝置的原理是，與電網視為一個有機的整體，以二相開關控制三相電路的大功率電力電子開關為執行機構，ARM嵌入式系統為控制單元，通過收集系統和無功補償裝置的電信息和零過渡條件，自動跟蹤、分析系統和無功補償裝置的運行狀態，以系統的無功功率實際變化，確定投切電容器組的組數，根據電磁能量守恒原理，在電容器無需放電的情況下，選擇在系統零過渡過程時刻動態投切電容器組，使電網的動態電流和電壓的非周期衰減分量接近零，從而實現零過渡過程動態無功補償。該裝置的技術特點如下：

（1）安全性：零過渡過程時刻動態投切電容器組，有效避免了投切電容器組時產生過電壓、過電流等問題，既延長了無功補償裝置的壽命，使其能達到3～4倍，又使系統其他設備壽命、效率提高。

（2）環保性：工作過程中，無功補償裝置自身不產生諧波、投切振蕩或涌流，不引起電壓波形畸變，反而對抗諧波并吸收部分諧波、抑制沖擊負荷引起的電壓波動有明顯效果，對提高電壓質量能起到有效作用。

（3）動態性：電容器組投切過程中不需要電阻放電，這使其投切間隔響應速度比現行的國家和行業標準提高3000倍以上，可快速、動態補償沖擊負荷，對抑制電壓劇烈波動，改善電壓質量起到有效作用，從而實現工業產品生產質量和產量的提高。

（4）經濟性：該裝置通過動態補償使高瞬間功率因數保持在0.98以上，從而使供用電裝置的出力加大、壽命延長、產品生產的質量和產量提高，在給企業帶來直接可觀經濟效益的同時，也間接帶來了巨大的社會效益。

3 零過渡過程動態無功補償裝置在電廠燃料碼頭的應用實例

沙角C電廠燃料輸煤碼頭低壓廠用配電系統由燃料碼頭10/0.4kV變壓器提供，該變壓器是由ALSTHOM公司生產的CASTRESINCR86624系列產品，容量1000kVA，其主要的負荷有兩臺132kW的皮帶電機、除鐵器、照明及值班室用電等等。無功補償裝置接線圖如圖1所示。

圖1 無功補償裝置接線圖

此次項目于2016年12月開始，在燃料碼頭變低壓側安裝了容量為450kvar的零過渡動態無功補償裝置，安裝后設備調試正常，在來年的1月份正式投入運行。為了檢測無功補償裝置實際使用的節能效果，在現場碼頭變負荷高峰期間，廠家協同項目經理使用“HIOKI3196電能質量分析儀”采集了零過渡過程動態無功補償裝置前后的運行數據，其主要電能質量及能效對比數據如表1所示。

表1 380V碼頭變壓器設備投運前后電能質量及能效對比數據

表1中，降損率的計算方法采用電流對比法，即：通過計量降損措施實施前和實施后的兩種狀態，在同一負荷、同一時間、同一條件下輸出的總電流所產生的有功功率損耗之差與降損措施實施前的有功功率損耗之比計算降損率，并通過測出大、中、小三種負荷狀態的降損率取平均值，此值為平均降損率。計算公式為式（1）：

式中，I1i為降損措施實施前的總電流；I2i為降損措施實施后的總電流；ΔP為降損率。

通過上述實驗數據的對比和分析，可以得到以下結論：

（1）節能降耗作用顯著：設備投運后380V碼頭變壓器電力需求（視在功率）從198kVA下降至135kVA。

（2）電能利用效率顯著提高：設備投運前后380V碼頭變壓器功率因數從0.69提高到0.99，達到了國務院〔2008〕23號文《關于進一步加強節油節電工作的通知》中有關功率因數在0.95以上的要求，電能利用效率提高30%。

（3）電壓質量改善、電氣設備工作效率提高：設備投運后380V碼頭變壓器啟動瞬間最低工作電壓從382V提高至389V，運行期間平均工作電壓從412V提高至416V，改善了由于啟動瞬間電壓過低造成的電機啟動困難以及負荷末端工作電壓偏低的問題。

（4）電流顯著下降、降損明顯：設備投入后380V碼頭變壓器系統電流從277A下降至183A，降損率56%。

（5）電能質量改善、電氣設備可靠性提高：補償裝置投入后380V碼頭變壓器平均功率因數為0.99，電壓不平衡率為0.48%，電壓波動率為0.97%，電壓諧波總畸變率U-THD%為0.79%，達到節能降耗目標的同時，間接對電氣設備起到了保護作用，為設備的安全運行提供了保障。

4 結語

在發電廠廠用電系統中，大量的無功功率會造成電能損耗，過度的電能損耗不利于提高電廠經營水平，尤其是在當下電力產能過剩、形勢日漸下行的大趨勢下。采用無功補償技術可通過有效提高功率因數來降低電氣設備的電能損耗，同時還可一定程度上提高電能質量，降低設備故障率，延長電機等設備的壽命，這對發電廠經濟效益的提高有著良好的促進作用。

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