關于客戶變電站無功功率因數補償問題研究

楊春華

摘要：欽州天億石化有限公司成立于2017年1月10日，位于欽州港金谷石化產業園內，現有員工200人，一期投資建設液化氣綜合利用15萬噸MTBE裝置，10萬脫氫裝置，15萬噸異構裝置，項目點占地200畝，總投資5億元人民幣;主要產品有MTBE，異丁烷等。廠區配套建設了一座110KV變電站（客戶站），有兩臺容量40MW變壓器。自國家推行產業節能政策以來，國家供電部門對企業電能質量監管越來越重視，相關政策不斷出臺;無功補償對電網也是一種必須配套設備，對提高電能輸送質量減少損耗有很大作用;為提高用戶高備運行質量，提高電網質量，無功補償在電網中顯得越來重要的存在。

關鍵詞：無功功率;補償問題;研究

1 國內無功補償情況概述

目前，我國的電網，特別是廣大的中低壓電網中，普遍存在功率因數較低、電網線損較大的情況。導致此現象的主要原因是眾多的感性或容性負載用電設備設計落后，功率因數較低。比如我國的電動機消耗的電能占全部發電量的70%，而由于設計和使用等方面的原因我國電動機的功率因數往往較低，一般約為cosφ=0.70

2 在這種情況下，采用無功補償節能技術，對提高電能質量和挖掘電網潛力是十分必要的，世界各國都把無功補償作為電網規劃的重要組成部分。從我國電網功率因數和補償深度來看，我國與世界發達國家有不小差距。因此大力推廣無功補償技術是非常必要的，并且從以下數據，我們也能看出發展無功補償所能帶來的巨大經濟效益。以2007年為例，我國年總發電量為32559億千瓦時，統計線損率為8.77%，但是這個數字沒有包含相當大的110千伏、35千伏、10千伏的輸電線損及0.38千伏的低壓電網線損。據報道，估計實際的統計線損率約為15%，即2007年全國年線損量約為4800億千瓦時。假設全國的理論線損與統計線損相一致，其中可變線損約占理論總線損的80%，則年可變線損電量約為3900億千瓦時。假設當前全國電力網總負荷的當前功率因數cosφ=0.85，采用無功功率補償后，把電力網總負荷的功率因數提高到cosφ=0.95，則每年可以降低線損約為390億千瓦時，按0.5元每千瓦時計，價值約為185億元。假設2007年全國電網的最大負荷利用小時數為5000小時，則電網的最大負荷約為2億千瓦，當用無功功率補償法把功率因數cosφ=0.85，提高到cosφ=0.95，全國電網需總補償容量約為0.58億千瓦。當前無功功率補償裝置設備主要為電力電容器，電抗器，假設無功補償設備每千瓦的平均綜合造價為50元，則全國無功補償裝置的總投資約為29億元。應當指出，節省240億千瓦時約相當于一座400萬千瓦火電廠的年發電量，而建一座400萬千瓦的火電廠需綜合費用約為300億元，同時每年需燃燒煤約為1200萬噸，每年產生CO2，SQ2等有害物質約為600萬噸。由此可見，產生相同的電力，無功補償的費用約為新建電廠費用10%，而且無功補償設備的費用僅需兩個月的無功功率補償的即可將損節電費用即可全部收回。現在全國用電量大大增加，加大無功裝置投入，社會經濟效益會更明顯。

3一般工廠外線進線電源采用電纜供電，而電纜無功上呈現容性，需補償感性無功。而工廠由于多數是感性無功負載，配置上多以容性無功為主，在工廠停工時生產不正常時，負荷負載過小，上般無功裝置一般不會自動投入，即使采用手動方式投入補償，由于投入是容性無功，反而導致功率因數走低。供電局計量點一般安裝于設備產權分界處，距離較遠，電纜無功需求加大，供電等級越高，需求無功越大，如果不把握好補償性質和容量，反而將會拉低功率因數而受到考核，因為供電部門的無功計量是正反計量的，無論是輸出或反送無功，達不到標準也是要考核的。

4影響功率因數的主要因素

（1）大量的電感性設備，如異步電動機、感應電爐、交流電焊機等設備是無功功率的主要消耗者。據有關的統計，在工礦企業所消耗的全部無功功率中，異步電動機的無功消耗占了60%～70%;而在異步電動機空載時所消耗的無功又占到電動機總無功消耗的60%～70%。

（2）變壓器消耗的無功功率一般約為其額定容量的10%～15%，它的滿載無功功率約為空載時的1/3。因而，為了改善電力系統和企業的功率因數，變壓器不應空載運行或長期處于低負載運行狀態。

（3）另外電纜輸配電線路與供電電壓超出規定范圍也會對功率因數造成很大的影響。

其計算公式為：P=U×Icosφ

其中的φ指的是電壓和電流的相位差。在電力網的運行中，功率因數反映了電源輸出的視在功率被有效利用的程度，我們希望的是功率因數越大越好。這樣電路中的無功功率可以降到最小，視在功率將大部分用來供給有功功率，從而提高電能輸送的功率，所以無功功率就地補償是必要措施，對電網整體運行有利。電纜消耗無功往往被忽視，其實這一塊無功在空載和高電壓線路輸電時，問題較突出。在終端用戶來說，由于計量問題成為用戶不得不考慮的問題。

5實施案例：天億石化化工廠變電站，配套有110KV變電站一座，有兩臺40MW變壓器，平常日常運行方式為一備一用。試運時，負荷較小，實際負荷約100-200KW，電流16.52A（含無功電流，經過換算后的值），上一級計量側220KV變電站計算無功得功率因數：

cosφ=P/U×I=200/110×16.52=0.11

計量側顯示線路運行功率因數很低。由于供電線路用電核算是以220KV變電站側計量數來作為計量考核點，對用戶供電系統運行非常不利。由于功率因數較低，當月被供電部門考核二十多萬元，造成用戶較大經濟損失。用戶110KV站雖然配套有兩套8Mavr無功補償電容裝置，由于負荷小，無法自動投入。而當時配套是一代電容補償技術裝置，也無法進行手動投入，由于是容性補償原因。即使手動投入一組無功補償，會因為每組8Mavr容量過大而過補而導致功率因走低。后來根據經驗配套一套第三代技術SVG償裝置，裝置設備比較技術先進，手動投運使用后，補償作用明顯，上級功率因數可調高至0.99甚至達1.0。經過分析研究原因，110KV用戶站外部電源為500平方電纜埋地電纜溝敷設，電纜無功主要呈容性。

根據計量側運行參數計算得無功量為：

Q=U×Isinφ=110×16.52×0.89=1617Kvar

開始采用償試手動投入低壓側無功柜，功率因數反而更低，分析原因是因為低壓無功補償的輸出主要是

容性電容，而輸送電電纜無功呈容性，形成了過補，參數更不理想，變得更低更差，不得不放棄這種償試方法。

6經過研究，用戶110KV電站需要一種能根據負載無功需求量而進行對應補償的裝置，這個技術目前只有第三代補償技術SVG償裝置有能力達到，SVG裝置設備補償技術先進，能根據負載無功感性或容性需量同時發出相應容性或感性無功進行補償，經過專業討論后，決定上馬一套8MavrSVG無功補償裝置。投運使用，作用明顯。后來投運了SVG裝置，220KV變電站側功率因數支行一直都比較正常，也沒受到考核，產生很好經濟效益。下面對SVG技術作簡要介紹。

（1）主電路逆變器主要采用國際著名品牌的IGBT器件以及進口驅動電路。

（2）低壓SVG一般具有三種控制模式，可自由設定：

1）恒無功裝置處于恒無功閉環工作方式下，其無功電流目標值由設定的參數“功率目標值”決定;

2）恒電壓裝置無功輸出的目標是將電網電壓控制在所需要的目標值當中

3）自動跟蹤是指自動補償負荷側的無功電流，目標是在裝置的補償能力范圍之內，控制裝置的無功電流輸出，使電網側的無功電流為零。

（3）具有濾波能力。要求SVG具有一定的濾波功能，有效抑制13次及以下各次諧波。

（4）可方便地通過并聯實現擴容。

（5）實時跟蹤，動態補償電網中的無功功率。可以使功率因數完全滿足電力部門的要求。

（6）過電流限制：采用可靠的限流控制環節，當系統中的無功或諧波電流大于有源濾波器的治理能力時，裝置能在自己的額定容量范圍內最大限度的對無功或諧波進行補償，維持正常工作，不會出現過載燒毀等故障。

（7）具備完整的保護功能，包括母線過壓、母線欠壓、直流過壓過流、IGBT元件損壞保護、超溫、IGBT短路等。具備系統啟動自診斷功能。

（8）具有緩沖啟動控制回路，能夠避免自啟動瞬間過大的投入電流，并限制該電流在額定范圍之內。

（9）控制器：計算與邏輯處理采用全數字化技術，采用DSP并配有功能強大的FPGA芯片。

（10）采用液晶顯示面板，具有故障報警及追憶功能，在面板上能實時顯示運行狀態，以及設定運行參數

（11）功率因數補償后一般可達到0.99-1。

綜上所述，對于條件允許的單位，在配套傳統電容柜同時應該配套一套先進SVG補償裝置，補償和濾波效果都很好，對設備穩定和節能運行有很大好處。

7總結

通過對SVG技術應用，合理選擇運行方式，設置合適參數，是可以解決客戶遠程輸電線路無功損耗的問題，減少經濟損失，效益明顯。

參考文獻

行業標準

【1】DL/T672-1999《變電所電壓無功調節控制裝置訂貨技術條件》

國家標準

【2】GB 12326-2008 《電能質量 電壓波動和閃變》

【3】GB/T 14549-1993 《電能質量 公用電網諧波》