零過渡動態無功補償技術的實踐應用

吳艷平

摘 要：當前電力體制改革及電力過剩的雙重壓力非常不利于電廠的經濟效益可持續發展。文章闡述了零過渡動態無功補償裝置的原理和技術特點，以平海電廠實踐應用作為實例，闡述該項技術在保障安全和節能優化方面的優勢，希望能為相關部門提供可行性借鑒。

關鍵詞：無功補償;電除塵380V配電段;功率因數;節能

0 引言

為響應國家號召，節能減排已成為電力行業重點關注的對象。對于燃煤發電廠而言，因電能是通過能量轉換而來的二次能源，轉換效率一般只能到達30%左右。若將節能量折算成節約標準煤量，根據相關數據統計，每降低電能量損耗1%，就相當于降低了標準煤消耗量2.53%，節能減排效率非常高[1]。而在發電廠生產運行過程中，廠用電系統用電負荷的無功功率變化非常頻繁，無功損耗很大，在當前電力體制改革及電力過剩的雙重壓力下，非常不利于電廠經濟效益的可持續發展，若能找到有效的解決方法，既可達到節能減排的目標，又能提高電廠的直接經濟效益和市場競爭力。

自平海電廠1號機組投產以來，電除塵380 V低壓配電系統一直存在母線電流大、溫度高的現象。配電變壓器和380 V進線開關及其進出線母排的溫度長期在87 ℃以上高溫運行，此溫度遠超過設備長期安全、穩定運行的要求，存在較高的安全隱患。同時，該配電系統還存在功率因數、母線電壓等參數波動大及偏低的現象。為解決以上問題，該廠在1號機組大修期間對1號機組電除塵380V A段、B段分別增加了一套容量為630 kVar的零過渡動態無功補償裝置。

1 零過渡動態無功補償裝置的原理

零過渡動態無功補償是把無功補償裝置和電力網視為一個整體，包含控制單元和執行機構，實時監測電網和無功補償裝置的實際運行狀態，通過控制單元對系統所需無功的計算分析，給執行機構發出相應的投切電容器組數的指令，實現動態控制，始終使系統無功處于最優狀態。由電磁能量守恒定律可知，在電容器不需要放電的前提下，當選擇在系統零過渡時刻投切電容器組時，電網的動態電流和電壓的非周期分量接近于零，實現零過渡過程動態無功補償[2-4]。其簡化原理如圖1所示，其中系統理想電壓源定義為系統等效內阻。

當t≥0時：Vc=Vc'（Vs（ωt））+Vc''（Vs（ω0，β，t），Vs（0），Vc（0））;其中，ω=2πf;f=50 Hz，為衰減系數;ω0=2πf0，為諧振頻率，與ZS和C相關，ω0>ω;Vc'∣t→∞=Vc為穩態分量（周期函數）;Vc''∣t→∞為暫態分量（非周期衰減函數）。零過渡過程投切的基本原理：Vc''（0）→0。

2 零過渡動態無功補償裝置技術優勢

零過渡過程無功補償裝置與傳統無功補償裝置相比，具有以下優勢。

（1）投切響應速度快。因為在零過渡時刻切換，所以投切電容器組時不需要放電電阻，大大提高了投切間隔響應速度，是國家和行業標準的3 000倍以上，能實現快速、動態補償沖擊負荷，同時抑制電壓劇烈波動，保證電壓質量[5]。

（2）設備壽命長。零過渡過程無功補償裝置有效地避免了電容器組投切過程中可能產生的過電壓、過電流現象，與傳統補償裝置相比，使用壽命約可提高3～4倍，同時因對系統沖擊較小，有效地延長了負荷設備的使用壽命[6]。

（3）降低功率損耗。動態進行電壓補償，使電壓穩定在保證設備正常運行的合格電壓范圍內，大幅降低了由于電壓下降引起的設備電流快速上升而產生的額外功率損耗（設備繞組的發熱損耗），另外也沒有放電電阻消耗額外的功率，減少了裝置損耗，比傳統無功補償裝置更經濟。

（4）高效節能。裝置能達到0.95以上的高瞬時功率因數，取代了傳統無功補償裝置應用平均功率因數的算法，不但增加了供用電裝置的功率轉換效率，還更加高效節能。

（5）無諧波污染。因零過渡時刻切換，故裝置工作時不會產生諧波、振蕩或涌流，也不會引起電壓波形的畸變;相反，還能起到抵抗并吸收部分諧波，也能起到抑制沖擊負荷引起的電壓波動，從原理上避免裝置本身對系統產生的電能污染[7]。

3 零過渡動態無功補償裝置在電廠廠用電系統的應用

為響應國家節能減排的環保指標，同時提高供電設備的安全性和可靠性，平海電廠對1號機組廠用電系統的電除塵380 V配電段進行了母線加裝零過渡動態無功補償裝置的技術改造，其系統接線如圖2所示。

改造前后，分別用“HIOKI3196電能質量分析儀”對1號機組電除塵380 V 配電段A段、B段進行了數據采集，對比分析在安裝“GX-LDB2-630/0.4NK”型零過渡動態無功補償裝置前后的運行參數及電能質量數據，對比數據如表1所示（機組負荷900 MW）。

表1中，降損率的計算方法采用電流對比法。根據表1統計數據和已知數據，可以得出以下分析結論。

3.1? 安全性分析

裝置投運后，電除塵1A段電流從1 661 A降至1 495 A，降低了166 A，母排溫度最高點從約86 ℃降至約77 ℃;電除塵1 B段電流從1 771 A降至1 596 A，降低了175 A，母排溫度最高點從約87 ℃降至約75 ℃。說明裝置投運后，在有功功率不變的情況下，因為補償了大量的無功，母線電壓得到升高，從而降低了運行電流，也降低了母線運行溫度，大大提高了設備運行的可靠性。

3.2? 經濟性分析

3.2.1 電能質量分析

（1）能效提升作用顯著。

設備投運后1號機組電除塵380V A段電力需求（視在功率）從1 061 kVA下降至973 kVA;B段電力需求從1 131 kVA下降至1 063 kVA。

（2）電能利用效率顯著提高，節能效果明顯。

設備投運前后1號機組電除塵380V A段功率因數從0.88提高到0.98;B段功率因數從0.89提高到0.98，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0.95以上的要求，電能利用效率提高9%～10%。

（3）電壓質量改善，電氣設備的工作效率提高。

設備投運后1號機組電除塵380 V A段工作電壓從370 V提高至379 V;B段工作電壓從368 V提高至377 V，解決了由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。

3.2.2 經濟效益分析

研究表明，在電網的經濟運行過程中，每補充相應的無功功率，就可以減少電網內部一定量有功功率的消耗，這就是無功經濟當量KQ的概念。根據國家標準《電力變壓器經濟運行》（GB/T 13462—2008）對無功經濟當量的規定，無功經濟當量KQ為變壓器每減少1 kVar的無功功率消耗引起其受電網所減少有功功率損耗，其取值參考表2。

照國家標準《電力變壓器經濟運行》（GB/T 13462—2008）中規定的計算方法，低壓廠用電變壓器為二次變壓，無功經濟當量KQ取0.07，據上，可對本項目的經濟性進行計算。

無功功率的計算公式為：

根據測量的數據，當機組負荷為900 MW時，可分別計算出改造前后無功功率值，如表3所示。

據此，機組負荷為900 MW時補償無功功率產生的有功功率節能量為：

P=0.07×（283+328）=42.77（kW）

按照機組運行小時數為7 200h（10個月）、電費? ? ? ? ? ? ?0.25元/kW·h進行計算，每年總計可節省電費為：

M=0.25×7 200×42.77=7.69（萬元）

另外，按照往年機組負荷較低（400 MW）時的測量參數進行計算，除塵變1A、1B段有功功率合計約為830 kW，無功補償改造前的功率因數約為0.7，投入無功補償裝置后可提高至0.95，則電除塵1A、1B段變壓器無功功率可降低：

δQ=830×（1.02-0.33）=572.7（kVar）

因此，機組負荷為400 MW時電除塵1A、1B段合計每年可節省電費：

M=0.07×2×572.7×7 200×0.25=14.43（萬元）

綜上，無功補償裝置投運后，在機組負荷參數不同時，所產生的經濟效益也不同，機組負荷越低，經濟效益越明顯，每年節能費用約7.69萬元～14.43萬元。

4 ? 結語

根據該廠1號機組電除塵380 V 1A、1B段應用“零過渡動態無功補償裝置”的實踐，從數據分析情況來看，改造后的系統各項參數均得到了優化提高，降低了能量損耗，達到了節能減排目的的同時，也很大程度上改善了電能質量，提高了設備安全運行的可靠性和穩定性。

[參考文獻]

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[10]HAYWARD TYLER GROUP LIMITED. BCP泵運行操作使用說明書[Z].英國：海伍德泰勒集團公司，2009.

（編輯 王雪芬）