供電系統(tǒng)中無功補(bǔ)償設(shè)計(jì)應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性分析

張嘉偉

（山西焦煤西山煤電鐵路公司， 山西 太原 030000）

1 問題的提出

某企業(yè)供電系統(tǒng)是由35 kW 變電站所提供的，該變電站主變?nèi)萘繛閮膳_(tái)10 000 kVA 變壓器。變電站為廠區(qū)辦公樓、生產(chǎn)、包裝等產(chǎn)線車間供電。地面配電一、二級(jí)負(fù)荷為雙回路放射式，三級(jí)負(fù)荷為單回路放射式。廠內(nèi)電路敷設(shè)以電纜井為主，配電電纜電壓為10 kV。經(jīng)過檢測(cè)發(fā)現(xiàn)該企業(yè)供電系統(tǒng)功率因數(shù)相對(duì)較低，平均功率因數(shù)僅達(dá)到0.679，并且三項(xiàng)諧波含量較大，其中相諧波電流最大值可達(dá)47.35 A。此種情況下，企業(yè)內(nèi)部設(shè)備的運(yùn)行效率相對(duì)較低，電能消耗量較大，并且高含量諧波會(huì)對(duì)系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性產(chǎn)生影響，不利于企業(yè)的健康生產(chǎn)。

2 無功補(bǔ)償設(shè)計(jì)方案

2.1 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)某企業(yè)供電系統(tǒng)的實(shí)際情況來看，本次方案設(shè)計(jì)利用TMS320F2812 型的數(shù)字信號(hào)處理器對(duì)所采集的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，該芯片具有延遲低、計(jì)算精度高的特點(diǎn)。在整個(gè)電路當(dāng)中還包含有信號(hào)采集模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、過零捕獲模塊、保護(hù)控制模塊等。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償時(shí)，需要采集電網(wǎng)電壓、電容電壓、電流信號(hào)等信息，以此為基礎(chǔ)，經(jīng)過計(jì)算得出具體補(bǔ)償數(shù)值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償，因此軟件設(shè)計(jì)也需要圍繞該方面開展。本次無功補(bǔ)償軟件程序邏輯設(shè)計(jì)如下所示：

1）在系統(tǒng)開始后首先對(duì)其中的模塊和接口進(jìn)行初始化操作；

2）對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自檢，查看系統(tǒng)內(nèi)部各模塊功能是否正常；

3）根據(jù)系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的定時(shí)模塊進(jìn)行中斷指令；

4）中斷后查詢各數(shù)據(jù)采集程序是否存在邏輯錯(cuò)誤，如果發(fā)生錯(cuò)誤則進(jìn)行自動(dòng)處理，錯(cuò)誤處理完成后再次進(jìn)入中斷指令；

5）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集完成后傳遞至TMS320F2812數(shù)字信號(hào)處理器中，處理器通過自身所附帶的A/D 轉(zhuǎn)換器將傳遞回的電流模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再根據(jù)預(yù)先輸入的算法對(duì)諧波和無功功率進(jìn)行計(jì)算，得出PWM脈沖信號(hào)；

6）將脈沖信號(hào)傳遞至驅(qū)動(dòng)電路，進(jìn)行無功補(bǔ)償后結(jié)束一個(gè)周期的運(yùn)行。

3 仿真模擬

為了判斷無功補(bǔ)償設(shè)計(jì)方案的有效性，利用MATLAB 軟件對(duì)并聯(lián)有SVG 與APF 裝置的電路進(jìn)行仿真模擬，所建立模型如圖1 所示。在具體仿真模擬過程中，電源參數(shù)設(shè)置為380 V，頻率設(shè)置為50 Hz，SVG裝置投入時(shí)間為0.1 s，APF 裝置投入時(shí)間為0.2 s。

圖1 并聯(lián)有SVG 與APF 裝置的電路

由圖1 可知，在SVG 與APF 裝置均投入電路當(dāng)中，Display 模塊顯示的功率因數(shù)為0.980 8，相比較未投入時(shí)的0.893 2 有了一定的提高，由此可見本次設(shè)計(jì)的無功補(bǔ)償裝置能夠?qū)o功功率進(jìn)行有效補(bǔ)償。

經(jīng)過仿真分析，可以得出電網(wǎng)波形圖如圖2 所示。

圖2 電網(wǎng)波形

由圖2 可知，在0.1 s 時(shí)投入SVG 裝置，電網(wǎng)波形幅度有了明顯的改善，在0.2 s 時(shí)投入APF 裝置后，不規(guī)則波形逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)則的正弦波形。除此之外，經(jīng)過波形圖的計(jì)算分析可知，在仿真初始階段（0.1 s以內(nèi)），供電系統(tǒng)總諧波畸變率高達(dá)24.01%，而在0.2 s后投入SVG 與APF 裝置后，供電系統(tǒng)總諧波畸變率降低至1.41%，降低幅度為22.6%。由此可見，在供電系統(tǒng)當(dāng)中介入SVG 與APF 裝置能夠有效抑制諧波的產(chǎn)生，確保供電系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)性。

4 實(shí)踐應(yīng)用分析

4.1 應(yīng)用效果分析

4.1.1 電壓穩(wěn)定性分析

無功補(bǔ)償方案主要應(yīng)用于某公司供電系統(tǒng)當(dāng)中，SVG 與APF 裝置并入10 kV 低壓側(cè)，變壓器型號(hào)為SF7-10000/35。在無功補(bǔ)償裝置投入之前，經(jīng)過24 h監(jiān)測(cè)可知母線電壓波動(dòng)較大，而在投無功補(bǔ)償裝置投入后母線電壓波動(dòng)有了極大的下降，具體波動(dòng)變化情況如圖3 所示。

圖3 SVG 與APF 裝置投入前后10 kV 母線24 h 電壓值

由圖3 可知，在未投入SVG 與APF 裝置時(shí)，某公司供電系統(tǒng)10 kV 母線24 h 電壓值波動(dòng)較大，其中最低值為9.12 kV，最高值為13.75 kV，節(jié)點(diǎn)電壓合格率相對(duì)較低，對(duì)生產(chǎn)有著嚴(yán)重的影響。在投入SVG 與APF 裝置后，供電系統(tǒng)10 kV 母線24 h 電壓值波動(dòng)相對(duì)平穩(wěn)，最大電壓值為10.41 kV，最小電壓值為0.12 kV，符合供電穩(wěn)定性需求，由此可見在本次所設(shè)計(jì)的無功補(bǔ)償裝置有著良好的應(yīng)用效果。

4.1.2 諧波抑制情況分析

本次研究在SVG 與APF 裝置投入前后均對(duì)供電系統(tǒng)的諧波電流情況進(jìn)行了詳細(xì)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表1 所示。

表1 SVG 與APF 裝置投入前后諧波電流情況

由表1 可知，經(jīng)過無功補(bǔ)償后，諧波電流最大值、平均值、最小值、95%最大值均有明顯下降，L1 相總諧波電流下降幅度達(dá)到84.15%；L2 相總諧波電流下降幅度達(dá)到90.46%；L3 相總諧波電流下降幅度達(dá)到90.18%。由此可見，在SVG 與APF 裝置投入后諧波含量明顯降低，能夠有效提高企業(yè)電能質(zhì)量。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

某公司在無功補(bǔ)償設(shè)計(jì)方案實(shí)施后，電能質(zhì)量問題得到有效解決。除此之外，還能夠有效降低設(shè)備在運(yùn)行過程中的電能消耗。如果某公司變電站在經(jīng)過無功補(bǔ)償后的增益為Y，則可以將其表示為：

式中：S為經(jīng)過補(bǔ)償后每年能夠降低的電能消耗量，單位為kW·h；N為電價(jià)利潤，元。根據(jù)某公司上一年電能統(tǒng)計(jì)情況可知，每年由電能增益所能接受的成本約為30.53 萬元。

通常情況下，在供電系統(tǒng)當(dāng)中每投入1 kV 無功功率，便能夠解決直配電路0.02~0.03 kW 的電能，在二級(jí)變壓供電過程中能夠解決0.06~0.1 kW 的電能，在三級(jí)變壓供電過程中能夠解決0.1~0.15 kW 的電能[2]。因此，本次經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算以單位無功量解決0.1 kW 的電能為準(zhǔn)。本次所投入的無功補(bǔ)償裝置能夠自動(dòng)采集、存儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間以及累計(jì)無功電量，根據(jù)系統(tǒng)顯示數(shù)據(jù)可以計(jì)算出某個(gè)時(shí)間段內(nèi)無功補(bǔ)償裝置所發(fā)出的無功量。在SVG 與APF 裝置投入后屏顯時(shí)間數(shù)據(jù)為357 923 s 開始計(jì)算，直到20 d 后查看屏顯時(shí)間為2 097 819 s，可以得出具體運(yùn)行時(shí)間為20.13 d。經(jīng)過系統(tǒng)數(shù)據(jù)查看可發(fā)現(xiàn)，此時(shí)間段所發(fā)出的無功電量為897 619 kV·h，因此電力系統(tǒng)每日能夠節(jié)約的有功電量為897 619÷20.13×0.1≈4 459.11 kW·h，該企業(yè)所在地區(qū)工業(yè)電價(jià)為0.72 元/（kW·h），因此無功補(bǔ)償裝置在應(yīng)用后每年能夠降低電費(fèi)為4 459.11（kW·h）/d×0.72 元/（kW·h）×365 d≈1 057 924.03 元，加上增益所節(jié)約的成本，在無功補(bǔ)償設(shè)計(jì)應(yīng)用后該企業(yè)每年能夠降低136.32 萬元成本。

5 結(jié)論

1）通過對(duì)該企業(yè)的分析發(fā)現(xiàn)，其存在著嚴(yán)重的諧波污染和無功功率損耗問題。

2）從硬件和軟件方面對(duì)無功補(bǔ)償方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3）利用MATLAB 對(duì)無功補(bǔ)償設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真模擬，研究發(fā)現(xiàn)無功補(bǔ)償設(shè)計(jì)方案不僅能夠有效進(jìn)行無功功率補(bǔ)償，同時(shí)也能抑制諧波的產(chǎn)生，從而提高供電系統(tǒng)運(yùn)行的平穩(wěn)性。

4）將SVG 與APF 裝置投入到某企業(yè)供電系統(tǒng)當(dāng)中，不僅供電穩(wěn)定性得到有效提升，同時(shí)總諧波電流也有了明顯下降，該企業(yè)電能質(zhì)量問題得到良好解決；從經(jīng)濟(jì)方面分析，在無功補(bǔ)償設(shè)計(jì)方案應(yīng)用后，企業(yè)每年能夠降低136.32 萬元成本。