供電系統(tǒng)中無功補償設計應用經濟性分析

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，該變電站主變容量為兩臺10 000 kVA 變壓器。變電站為廠區(qū)辦公樓、生產、包裝等產線車間供電。地面配電一、二級負荷為雙回路放射式，三級負荷為單回路放射式。廠內電路敷設以電纜井為主，配電電纜電壓為10 kV。經過檢測發(fā)現(xiàn)該企業(yè)供電系統(tǒng)功率因數相對較低，平均功率因數僅達到0.679，并且三項諧波含量較大，其中相諧波電流最大值可達47.35 A。此種情況下，企業(yè)內部設備的運行效率相對較低，電能消耗量較大，并且高含量諧波會對系統(tǒng)設備的運行穩(wěn)定性和安全性產生影響，不利于企業(yè)的健康生產。

2 無功補償設計方案

2.1 硬件設計

根據某企業(yè)供電系統(tǒng)的實際情況來看，本次方案設計利用TMS320F2812 型的數字信號處理器對所采集的參數進行計算，該芯片具有延遲低、計算精度高的特點。在整個電路當中還包含有信號采集模塊、信號調理模塊、過零捕獲模塊、保護控制模塊等。

2.2 軟件設計

在系統(tǒng)進行無功補償時，需要采集電網電壓、電容電壓、電流信號等信息，以此為基礎，經過計算得出具體補償數值，進而實現(xiàn)無功補償，因此軟件設計也需要圍繞該方面開展。本次無功補償軟件程序邏輯設計如下所示：

1）在系統(tǒng)開始后首先對其中的模塊和接口進行初始化操作；

2）對系統(tǒng)進行自檢，查看系統(tǒng)內部各模塊功能是否正常；

3）根據系統(tǒng)預先設定的定時模塊進行中斷指令；

4）中斷后查詢各數據采集程序是否存在邏輯錯誤，如果發(fā)生錯誤則進行自動處理，錯誤處理完成后再次進入中斷指令；

5）進行數據采集，采集完成后傳遞至TMS320F2812數字信號處理器中，處理器通過自身所附帶的A/D 轉換器將傳遞回的電流模擬信號轉換為數字信號，再根據預先輸入的算法對諧波和無功功率進行計算，得出PWM脈沖信號；

6）將脈沖信號傳遞至驅動電路，進行無功補償后結束一個周期的運行。

3 仿真模擬

為了判斷無功補償設計方案的有效性，利用MATLAB 軟件對并聯(lián)有SVG 與APF 裝置的電路進行仿真模擬，所建立模型如圖1 所示。在具體仿真模擬過程中，電源參數設置為380 V，頻率設置為50 Hz，SVG裝置投入時間為0.1 s，APF 裝置投入時間為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 裝置均投入電路當中，Display 模塊顯示的功率因數為0.980 8，相比較未投入時的0.893 2 有了一定的提高，由此可見本次設計的無功補償裝置能夠對無功功率進行有效補償。

經過仿真分析，可以得出電網波形圖如圖2 所示。

圖2 電網波形

由圖2 可知，在0.1 s 時投入SVG 裝置，電網波形幅度有了明顯的改善，在0.2 s 時投入APF 裝置后，不規(guī)則波形逐步轉變?yōu)橐?guī)則的正弦波形。除此之外，經過波形圖的計算分析可知，在仿真初始階段（0.1 s以內），供電系統(tǒng)總諧波畸變率高達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)當中介入SVG 與APF 裝置能夠有效抑制諧波的產生，確保供電系統(tǒng)運行平穩(wěn)性。

4 實踐應用分析

4.1 應用效果分析

4.1.1 電壓穩(wěn)定性分析

無功補償方案主要應用于某公司供電系統(tǒng)當中，SVG 與APF 裝置并入10 kV 低壓側，變壓器型號為SF7-10000/35。在無功補償裝置投入之前，經過24 h監(jiān)測可知母線電壓波動較大，而在投無功補償裝置投入后母線電壓波動有了極大的下降，具體波動變化情況如圖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，某公司供電系統(tǒng)10 kV 母線24 h 電壓值波動較大，其中最低值為9.12 kV，最高值為13.75 kV，節(jié)點電壓合格率相對較低，對生產有著嚴重的影響。在投入SVG 與APF 裝置后，供電系統(tǒng)10 kV 母線24 h 電壓值波動相對平穩(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計的無功補償裝置有著良好的應用效果。

4.1.2 諧波抑制情況分析

本次研究在SVG 與APF 裝置投入前后均對供電系統(tǒng)的諧波電流情況進行了詳細檢測，檢測結果如表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，經過無功補償后，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到84.15%；L2 相總諧波電流下降幅度達到90.46%；L3 相總諧波電流下降幅度達到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)電能質量。

4.2 經濟效益分析

某公司在無功補償設計方案實施后，電能質量問題得到有效解決。除此之外，還能夠有效降低設備在運行過程中的電能消耗。如果某公司變電站在經過無功補償后的增益為Y，則可以將其表示為：

式中：S為經過補償后每年能夠降低的電能消耗量，單位為kW·h；N為電價利潤，元。根據某公司上一年電能統(tǒng)計情況可知，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，在二級變壓供電過程中能夠解決0.06~0.1 kW 的電能，在三級變壓供電過程中能夠解決0.1~0.15 kW 的電能[2]。因此，本次經濟效益計算以單位無功量解決0.1 kW 的電能為準。本次所投入的無功補償裝置能夠自動采集、存儲系統(tǒng)運行時間以及累計無功電量，根據系統(tǒng)顯示數據可以計算出某個時間段內無功補償裝置所發(fā)出的無功量。在SVG 與APF 裝置投入后屏顯時間數據為357 923 s 開始計算，直到20 d 后查看屏顯時間為2 097 819 s，可以得出具體運行時間為20.13 d。經過系統(tǒng)數據查看可發(fā)現(xiàn)，此時間段所發(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)電價為0.72 元/（kW·h），因此無功補償裝置在應用后每年能夠降低電費為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，在無功補償設計應用后該企業(yè)每年能夠降低136.32 萬元成本。

5 結論

1）通過對該企業(yè)的分析發(fā)現(xiàn)，其存在著嚴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無功補償方案進行設計。

3）利用MATLAB 對無功補償設計進行仿真模擬，研究發(fā)現(xiàn)無功補償設計方案不僅能夠有效進行無功功率補償，同時也能抑制諧波的產生，從而提高供電系統(tǒng)運行的平穩(wěn)性。

4）將SVG 與APF 裝置投入到某企業(yè)供電系統(tǒng)當中，不僅供電穩(wěn)定性得到有效提升，同時總諧波電流也有了明顯下降，該企業(yè)電能質量問題得到良好解決；從經濟方面分析，在無功補償設計方案應用后，企業(yè)每年能夠降低136.32 萬元成本。