LNG 接收站輕載線路功率因素低原因計(jì)算分析和應(yīng)對(duì)措施

陳鋒云，金安福，司倡如

(1.浙江浙能溫州液化天然氣有限公司，浙江 溫州 325700；2. 中石化北海液化天然氣有限責(zé)任公司，廣西 北海 536000)

廣西北海LNG 接收站設(shè)計(jì)總用電負(fù)荷約為22MW（考慮到遠(yuǎn)期規(guī)劃），但是，由于LNG 接收站下游管道限制，2017和2018 年度天然氣外輸系統(tǒng)未投運(yùn)，用電負(fù)荷約為3MW，高壓輸電線路長(zhǎng)期處于輕載運(yùn)行，此時(shí)，線路充電功率大于線路消耗無(wú)功，輸電線路呈容性，對(duì)側(cè)變電站側(cè)貿(mào)易結(jié)算點(diǎn)功率因素低至0.65，每月須額外支付力調(diào)電費(fèi)。對(duì)于輕載線路分布電容對(duì)功率因素的影響，前人已經(jīng)做了較多分析，在此基礎(chǔ)上，筆者通過對(duì)LNG 接收站的案例的分析，提出兩種措施，有針對(duì)性地解決負(fù)荷變化大的大用戶在線路輕載時(shí)功率因素低的問題。

1 案例分析

1.1 問題的提出

北海LNG 接收站是我國(guó)西南地區(qū)第一個(gè)LNG 接收站項(xiàng)目，其正常運(yùn)營(yíng)能夠有效保證整個(gè)西南地區(qū)天然氣供應(yīng)安全。所帶負(fù)荷對(duì)供電可靠性要求較高，采用了雙電源供電，北海LNG 接收站總變接線圖如圖1 所示。

圖1 總變一次接線圖

正常運(yùn)行方式下為1#鐵山進(jìn)線供電，2#鐵荔線處于充電狀態(tài)，110kV 母線分段開關(guān)處于合閘狀態(tài)。6kV 母線分段開關(guān)處于分閘狀態(tài)，每條6kV 母線下配置兩組并聯(lián)電容器成套無(wú)功補(bǔ)償裝置。

設(shè)計(jì)院在計(jì)算無(wú)功補(bǔ)償容量的時(shí)候，參考《供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》按照統(tǒng)計(jì)法分別計(jì)算出實(shí)際最大負(fù)荷10MW 時(shí)所需要的補(bǔ)償容量為4000kvar，2 臺(tái)主變的無(wú)功損耗1800kvar，取4 套并聯(lián)電容器的無(wú)功補(bǔ)償容量為4000kvar，且4 套可分批次投入。可以完全實(shí)現(xiàn)站內(nèi)功率因素滿足《全國(guó)供用電規(guī)則》要求的高壓供電的工業(yè)用戶功率因素不小于0.9的要求。

當(dāng)外輸系統(tǒng)未投運(yùn)時(shí)，站內(nèi)關(guān)口電度表實(shí)際有功功率約為3000kW，功率因素也在0.9 以上。但是，貿(mào)易計(jì)量點(diǎn)為變電站側(cè)關(guān)口電度表，其顯示當(dāng)月功率因素為0.65，故而產(chǎn)生力調(diào)電費(fèi)。實(shí)則是因?yàn)楸焙NG 接收站長(zhǎng)達(dá)37km 的線路產(chǎn)生的容性無(wú)功大于LNG 接收站所消耗的感性無(wú)功，使得整個(gè)線路與接收站呈容性，且此數(shù)值不小的容性無(wú)功在變電站與接收站之間傳輸，而關(guān)口電度表又設(shè)在變電站側(cè)，從而導(dǎo)致功率因素低至0.65。下面我們就從無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑砗投喙δ茈娔鼙淼臒o(wú)功計(jì)量方式來(lái)分析其原因。

1.2 線路和接收站總無(wú)功計(jì)算

北海LNG 接收站正常運(yùn)行時(shí)由1#鐵山進(jìn)線供電，其導(dǎo)線采用JL/G1A-300/40 型鋅-5%鋁-稀土合金鍍層鋼芯稀土鋁絞線，地線采用兩根16 芯OPGW 復(fù)合地線，敷設(shè)約32km至引堤然后電纜溝內(nèi)平面敷設(shè)ZR-YJLW03-64/110 500mm2單芯銅芯電力電纜約5.2km。

（1）架空線路充電功率計(jì)算。有架空低吸納的架空線路的電容電流可按手冊(cè)估算：

充電功率按下式計(jì)算：

（2）電纜充電功率計(jì)算。查電纜廠家所提供數(shù)據(jù)，電纜平面敷設(shè)時(shí)，其充電電流為3.3A/km，故充電功率按下式計(jì)算：

（3）接收站消耗無(wú)功。接收站消耗無(wú)功為2 臺(tái)變壓器損耗無(wú)功QT和負(fù)荷消耗無(wú)功Qe之和，依據(jù)手冊(cè)

其中，主變空載電流百分?jǐn)?shù)I0%=0.8， 短路電壓Uk%=12， 接收站無(wú)外輸時(shí)有功功率約為3000kW,S ≈3300KVA，計(jì)算得QT≈250kvar。

而站內(nèi)3000kW 的負(fù)荷所消耗的感性無(wú)功Qe≈1400kvar。

由上可知，若貿(mào)易結(jié)算點(diǎn)電能表在變電站側(cè)，在忽略線損的情況下

其為容性，我們習(xí)慣用負(fù)號(hào)來(lái)表示以區(qū)分于感性無(wú)功，此線路變電站側(cè)功率因素約為0.64，計(jì)算結(jié)果與電能表統(tǒng)計(jì)顯示相近。

1.3 線路容性無(wú)功對(duì)多功能電能表的無(wú)功計(jì)量影響

劉海燕針對(duì)多功能電能表的無(wú)功計(jì)量方式作了深度解讀。LNG 接收站為純用電客戶，基本上不會(huì)向系統(tǒng)發(fā)出有功功率，當(dāng)“消耗”感性無(wú)功時(shí)計(jì)量于I 象限，當(dāng)“發(fā)出”容性無(wú)功時(shí)計(jì)量于IV 象限，如圖2 所示。

圖2 電子式電能表無(wú)功計(jì)量四象限

而變電站側(cè)的電能表的無(wú)功計(jì)量設(shè)置為：

正向無(wú)功電量：消耗有功功率時(shí)，其值為I 象限感性無(wú)功+IV 象限容性無(wú)功（取的是無(wú)功計(jì)量絕對(duì)值的和）。

反向無(wú)功電量：發(fā)出有功功率時(shí)，其值為II 象限感性無(wú)功+III 象限容性無(wú)功（取的是無(wú)功計(jì)量絕對(duì)值的和）。

綜上所述，變電站側(cè)所供給LNG 接收站的專線的電能表其反向無(wú)功計(jì)量為0，正向無(wú)功不論是欠補(bǔ)償“消耗”感性無(wú)功，還是過補(bǔ)償“發(fā)出”容性無(wú)功，都會(huì)取其絕對(duì)值算在無(wú)功計(jì)量中。結(jié)合北海LNG 接收站的實(shí)際負(fù)荷情況，因線路充電功率較大此用戶一直處于過補(bǔ)償狀態(tài)，計(jì)量于變電站側(cè)電能表IV 象限。

2 解決措施

2.1 采用SVG 進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償

北海LNG 接收站用SVG 無(wú)功補(bǔ)償裝置代替了并聯(lián)電容器，控制系統(tǒng)采集母線500kV 母線電壓和線路電流，利用瞬時(shí)無(wú)功補(bǔ)償理論，快速計(jì)算出各功率單元的電流指令，并通過光纖傳給各功率單元。功率柜每相由若干個(gè)功率單元串聯(lián)，采用移相載波技術(shù)，各單元的輸出電壓疊加，形成多電平高壓輸出，通過電抗器連接到電網(wǎng)，輸出可控的無(wú)功電流（圖3）。

SVG 正常工作時(shí)候就是通過IGBT 的通斷將由二極管整流成的直流側(cè)電壓轉(zhuǎn)換至交流側(cè)與電網(wǎng)同頻率的電壓，類似于電壓型逆變器?？紤]變流器和電抗器的損耗，并用電阻表示總損耗。SVG 的單相等效電路如下圖4a，其電流超前電壓和電流滯后電壓的工作向量圖如圖4b 和4c 所示。

分析圖4c 所示的SVG 吸收滯后電流的工作狀況，SVG 相當(dāng)于交流電壓源，通過控制逆變器交流測(cè)電壓幅值和相位來(lái)間接控制SVG 的交流測(cè)電流。從圖中系統(tǒng)電壓、逆變器交流側(cè)電壓和電抗器兩端電壓構(gòu)成的三角形關(guān)系，可以得到如下等式：

圖3 電壓型橋式電路SVG

圖4

由此公式推導(dǎo)，靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置吸收的有功和無(wú)功電流有效值分別為為

由此可看出，可以通過功角δ 來(lái)控制SVG 的無(wú)功電流。當(dāng)滯后于，功角δ為負(fù)，IQ為負(fù)，SVG從系統(tǒng)吸收容性無(wú)功；當(dāng)超前于，功角δ 為正，IQ為正，SVG從系統(tǒng)吸收感性無(wú)功。

因此，通過SVG 從系統(tǒng)吸收感性無(wú)功可以有效地解決北海LNG 接收站線路過長(zhǎng)導(dǎo)致功率因素貿(mào)易結(jié)算點(diǎn)后容性無(wú)功過剩的問題。但是，北海LNG 接收站功率因素貿(mào)易結(jié)算點(diǎn)后在變電站側(cè)，其并無(wú)采樣對(duì)側(cè)的電壓和電流，故無(wú)法瞬時(shí)補(bǔ)償無(wú)功，只能通過電話聯(lián)系對(duì)側(cè)詢問無(wú)功缺額而進(jìn)行手動(dòng)設(shè)置SVG 補(bǔ)償。

2.2 將功率因素貿(mào)易結(jié)算點(diǎn)放在供電側(cè)

按照張建華的建議，應(yīng)通過與供電局協(xié)商采用另外計(jì)算線損費(fèi)用的方式將無(wú)功計(jì)量點(diǎn)由變電站側(cè)移至接收站側(cè)，而北海LNG 接收站通過多方努力最終也實(shí)現(xiàn)了。

3 結(jié)語(yǔ)

LNG 接收站長(zhǎng)線路輕載運(yùn)行，由充電功率造成的容性無(wú)功與系統(tǒng)間的傳輸而致使功率因素低。為解決此問題，可以通過SVG 進(jìn)行瞬時(shí)補(bǔ)償，若貿(mào)易結(jié)算點(diǎn)依然在變電站側(cè)，可以將線路充電功率和實(shí)時(shí)感性無(wú)功損耗放在SVG 的邏輯運(yùn)算中，通過綜合計(jì)算進(jìn)行補(bǔ)償。措施二，將無(wú)功計(jì)量點(diǎn)由變電站側(cè)移至接收站側(cè)。