石化企業(yè)電網(wǎng)無功補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)償方方法、原則以及補(bǔ)償量的計(jì)算方法，通過仿真計(jì)算，分析無功補(bǔ)償?shù)攸c(diǎn)以及補(bǔ)償量對(duì)電網(wǎng)損耗的影響，為石化企業(yè)無功補(bǔ)償提供理論基礎(chǔ)。

關(guān) 鍵 詞：電網(wǎng)降損；無功補(bǔ)償；仿真分析

中圖分類號(hào)：TE 43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(jī)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(jī)泵類設(shè)備運(yùn)行必不可少的，但應(yīng)對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償限制，使系統(tǒng)無功保持平衡[1]。無功補(bǔ)償設(shè)備通過自身容性無功補(bǔ)償系統(tǒng)感性無功，能夠起到提高功率因數(shù)、加大電機(jī)出力、降低電網(wǎng)損耗等作用，主要補(bǔ)償裝置有靜電電容器、同步調(diào)相機(jī)、靜止補(bǔ)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(bǔ)償方法、原則以及無功補(bǔ)償量計(jì)算的方法，運(yùn)用仿真技術(shù)，分析無功補(bǔ)償設(shè)備裝設(shè)地點(diǎn)以及無功補(bǔ)償量對(duì)電網(wǎng)損耗的影響。

1 無功補(bǔ)償方法

對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行無功優(yōu)化及補(bǔ)償?shù)幕驹瓌t是：全面規(guī)劃，合理布局，分級(jí)補(bǔ)償，就地補(bǔ)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(duì)系統(tǒng)無功優(yōu)化及補(bǔ)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(dòng)。按照無功補(bǔ)償裝置安裝地點(diǎn)進(jìn)行分類，無功補(bǔ)償方法包括集中補(bǔ)償和就地補(bǔ)償。

1.1 集中補(bǔ)償

無功補(bǔ)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(bǔ)償[2]，適用于遠(yuǎn)離供電電源的線路末端。集中補(bǔ)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(diǎn)是不能降低配電網(wǎng)的線損，經(jīng)濟(jì)效益相對(duì)較低。

1.2 就地補(bǔ)償

補(bǔ)償設(shè)備安裝在感性負(fù)載附近時(shí)稱為就地補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)償方法可以減少線路總電流、提高電動(dòng)機(jī)出力，既保證了負(fù)荷的工作狀態(tài)不變，也使發(fā)電機(jī)容量得到了充分的利用。

就地補(bǔ)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(duì)配電網(wǎng)最大無功負(fù)荷也起到了良好的限制作用，對(duì)于最大負(fù)荷小時(shí)數(shù)在1 200 h以上的電動(dòng)機(jī)采取隨機(jī)補(bǔ)償方式更加經(jīng)濟(jì)[3]，是目前較為常用的無功補(bǔ)償方法。

1.3 配置原則

在進(jìn)行無功補(bǔ)償時(shí)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(bǔ)償量計(jì)算方法

石化企業(yè)常用的無功補(bǔ)償量計(jì)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(shí)，有功功率傳輸?shù)亩?，無功功率傳輸?shù)纳?。所以在電力傳輸過程中應(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(dòng)機(jī)、變壓器等，此類負(fù)載工作時(shí)向電網(wǎng)同時(shí)吸收有功和無功，在安置電容器等無功補(bǔ)償設(shè)備作為無功電源后，向電網(wǎng)輸送容性無功，可以補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)等所需的感性無功，減少了無功功率在電網(wǎng)中的流動(dòng)，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(fèi)支出。

當(dāng)系統(tǒng)中諧波電流分量較高時(shí)，可能會(huì)引起設(shè)備過熱、噪音增大、繼電保護(hù)誤動(dòng)作等事件，此時(shí)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(yùn)行點(diǎn)離臨界崩潰電壓點(diǎn)電氣距離的大小。如果節(jié)點(diǎn)的無功裕度大，電壓值足夠大，該節(jié)點(diǎn)所需無功補(bǔ)償容量就小，反之所需的無功補(bǔ)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(bǔ)償?shù)狞c(diǎn)。

2.2 空載無功功率法

異步電機(jī)作為旋轉(zhuǎn)負(fù)荷，需要一部分電流建立勵(lì)磁磁場(chǎng)，該電流稱為勵(lì)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(jī)的尺寸、結(jié)構(gòu)、工藝、材質(zhì)確定后，無功功率在異步電機(jī)的整個(gè)運(yùn)行過程中一般不會(huì)發(fā)生改變。當(dāng)異步電機(jī)空載時(shí)，異步電機(jī)內(nèi)的電流幾乎全部用來建立磁場(chǎng)，此時(shí)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(bǔ)償技術(shù)導(dǎo)則》（Q/GDW435-2010）中規(guī)定：機(jī)械負(fù)荷慣性大的電動(dòng)機(jī)（如水泵等），隨機(jī)補(bǔ)償容量可按1.3～1.5倍的電動(dòng)機(jī)空載無功功率配置；機(jī)械負(fù)荷慣性小的電動(dòng)機(jī)（如風(fēng)機(jī)等），隨機(jī)補(bǔ)償容量可按0.9倍電動(dòng)機(jī)空載無功功率配置。

3 無功補(bǔ)償設(shè)備

3.1 同步調(diào)相機(jī)

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

3.2 靜止型無功補(bǔ)償裝置

靜止型無功補(bǔ)償器（SVC）采用電力電子技術(shù)，響應(yīng)迅速，將節(jié)點(diǎn)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(jià)格較低、工作可靠，目前占據(jù)主要市場(chǎng)，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(guó)內(nèi)外對(duì)SVC的研究仍在繼續(xù)，研究的重點(diǎn)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(chǔ)能元件，這是SVG與SVC的不同之處。但SVG不能應(yīng)用于不對(duì)稱系統(tǒng)，因此適用范圍受限。

4 仿真分析

對(duì)某煉廠變電站進(jìn)行無功補(bǔ)償仿真實(shí)驗(yàn)，該變電站有兩條110 kV電源進(jìn)線，4臺(tái)110/6.3/6.3 kV、50 MVA分裂變壓器作為主變，負(fù)荷共計(jì)58 MW，1號(hào)主變帶載22 MW，2號(hào)主變帶載18 MW，3號(hào)主變帶載8 MW，4號(hào)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(bǔ)償。由式（1）確定各母線補(bǔ)償容量，設(shè)定補(bǔ)償后變壓器功率因數(shù)不超過0.97，計(jì)算結(jié)果具體見表1。

對(duì)應(yīng)集中補(bǔ)償，保持每條6 kV母線補(bǔ)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(bǔ)償。對(duì)兩種補(bǔ)償方案進(jìn)行仿真計(jì)算，對(duì)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(bǔ)償可以降低變壓器及線路損耗，其中集中補(bǔ)償降低網(wǎng)損7.2%，就地補(bǔ)償降低網(wǎng)損8.5%。由此可知，當(dāng)補(bǔ)償容量相同時(shí)，采取就地補(bǔ)償方式的降損幅度比集中補(bǔ)償大，效果明顯。

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

由表3可知，少量過補(bǔ)償時(shí)，網(wǎng)絡(luò)損耗降低，當(dāng)補(bǔ)償容量進(jìn)一步增大時(shí)，損耗反而增加。這是因?yàn)楫?dāng)發(fā)生少量過補(bǔ)償時(shí)，變壓器自身的無功電流能夠得到補(bǔ)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(bǔ)償量進(jìn)一步增大時(shí)，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(duì)無功倒送收取一定費(fèi)用，所以過補(bǔ)償既危險(xiǎn)又不經(jīng)濟(jì)，要盡量避免。

4 結(jié) 論

無功補(bǔ)償技術(shù)可在一定程度上降低網(wǎng)絡(luò)損耗。對(duì)于石化企業(yè)電網(wǎng)而言，接地補(bǔ)償效果更加明顯。設(shè)計(jì)人員在今后的無功補(bǔ)償應(yīng)用中應(yīng)充分考慮電網(wǎng)運(yùn)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(bǔ)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。

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