浅析工业用户电能质量综合治理技术应用研究

摘 要：随着高科技产业的发展，电力电子技术的发展给现代工业带来节能和能量变换积极的一面，但电能质量，已成为电网的主要谐波污染源。根据国家规定，因电网或用户用电原因引起的电能质量不符合国家标准时，需要按“谁干扰，谁污染，谁治理”的原则及时处理。本文针对宁波中金石化有限公司220kV项目用电系统存在的功率因数低、谐波、电压波动等问题，从系统动态补偿和电能质量改善、总体提升设备运行效率和电力能源使用效率的角度来提出的解决方案。

关键词：电能质量；无功补偿装置；石化企业；综合治理

中图分类号：V242.3+3 文献标识码：A

目前电能质量问题主要由负荷引起。例如冲击性无功负载会使电网电压产生剧烈波动，降低供电质量。电力电子技术的发展给现代工业带来节能和能量变换积极的一面，但同时对电能质量带来了新的更加严重的损害，已成为电网的主要谐波污染源。谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，使绝缘老化，寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波还会引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波被放大，致使电容器等设备烧毁。目前电压波动、闪变、三相不平衡、谐波与功率因数低已并列为电力系统的五大公害。因而了解各项电能质量问题产生的机理，研究抑制供配电系统中的电能质量问题的办法，对改善供电质量和确保电力系统安全、稳定、经济运行有着非常积极的意义。

电压波动是冲击性负荷引起的，在现代企业中，冲击负荷一般有两大种类，一类是三相基本平衡的冲击负荷，如大型轧钢机、电动机群的频繁启停等；另一类是三相不平衡的冲击负荷，如大型电弧炉。普遍采用晶闸管变流装置供电的直流电机或交流同步电机在生产时既消耗有功功率又消耗无功功率，特别是电动机低速运转时，由于晶闸管变流装置控制角较大，功率因数较低，此时所需的无功功率很大，相应有功功率较小。随着控制角减小，功率因数上升，无功功率减少。由此可见，有功功率负荷的幅值大小，功率变化速率，冲击负荷出现频度，与设备性能、产品材质、工艺、操作技能等诸因数有关。而无功冲击负荷，除与上述诸因数有关外，还与设备运行方式有关。

中金石化拟通过建设连续重整、抽提蒸馏、芳烃分离及硫磺回收装置相应配套工程，形成年产90万吨芳烃的生产能力，项目建成投产后，总用电负荷约13.5万千瓦。该厂所在系统的冲击性负荷为各类轧机。轧机为整流型负荷，是一个典型的非线性负荷，谐波较大。同时由于周期性工作，负荷变化较大，也是一个典型的冲击性负荷，需要采取相应的措施改善电能质量，提升设备使用效率。

1 系统参数

根据国家标准GB/T14549-1993《电能质量――公用电网谐波》，各电压等级谐波电压限值如表1所示。

当连接点的实际短路容量不同于规定的基准容量时，连接点的谐波电流允许值应按系统实际的最小短路容量进行换算，即

式中：Sd1-公共连接点的实际最小短路容量，MVA；Sd2-基准短路容量，MVA；Ihp-基准容量下的第h次谐波电流允许值，A；Ih-实际最小短路容量下的第h次谐波电流允许值，A。

这样可以得出公共连接点所有用户向配电系统注入的各次总谐波电流允许值，按照下式可算出同一公共连接点允许第i个用户注入的第h次谐波电流允许值为：

式中：Ih-实际最小短路容量下的第h次谐波电流允许值，A；Si-第i个用户的用电协议容量，MVA；ST-公共连接点的供电设备，MVA；a-相位叠加系数，按表3取值。

2 负荷分析

2.1 基波（稳态）无功补偿容量计算

根据实际设备情况，220kV母线下的生产线负荷总有功功率大约为90MW，取所有负荷的同时率70%，补偿前的平均功率因数为0.81，功率因数补偿到0.92所需求容量为：

2.2 动态无功补偿容量计算

国标 GB12326-2008《电能质量-电压波动和闪变》中对由波动负荷产生的电力系统公共连接点的电压变动限值和变动频度、电压等级进行了相应规定。

220kV用户变由沿海变供电，根据中金石化提供的电机资料计算，中金石化最大功率电机为单台10000kW，其启动引起的系统公共连接点电压变动表6。

计算结果反映因用户变的接入，引起殿跟变、沿海变 220kV母线在最大电压变动值分别为0.91%，1.02%，上述电压变动指标小于国标的允许值 2.5%。所以在设计时只需要考虑到一定的动态无功补偿容量。

2.3 谐波分析

根据用户提供的资料，注入系统的谐波电流如表7所示：

从上表可以看出，用户注入系统的谐波电流主要为5次、7次，项目一期负荷情况下，其值分别为2.22A、1.73A，谐波上述指标均未超标。

综合功率因数补偿、无功冲击及谐波补偿，从经济性考虑，确定每段35kV母线设备补偿容量为19Mvar，共2套。

3 解决方案

根据上述分析，系统内存在一定无功冲击，需配置一定的动态无功补偿。因此本方案中设计在35kV母线上装设补偿容量为19Mvar的动态无功补偿与谐波治理成套装置2套。每套装置中包括一套±10Mvar SVG和1组9Mvar FC，并且将FC部分设置的电抗率设为1%。SVG具有从感性10Mvar到容性10Mvar范围内连续调节的功能，因此成套装置可实现在-10Mvar～+19Mvar范围内无功功率快速调节。

单套装置主接线示意图如图1所示：

所装设的动态无功补偿成套装置可实现对220kV母线谐波、功率因数、电压波动等的综合补偿，明显改善220kV系统电能质量。

无功补偿作为电网安全、经济运行的一个重要手段，一直受到高度的重视。它对提高系统电压水平，降低线路损耗，改善系统功率因数，增强系统稳定起着十分重要的作用。

无功补偿由于减少了线路上的无功流动，稳定了电压，降损效果明显。线损率为线损电量占供电量的百分数，它是供电部门的一个重要考核指标。无功补偿对改善考核指标线损率效果明显。下面我们通过两个具体直观的方面进行分析：

（1）线损减少产生的经济效益分析

无功补偿应遵循的原则：

a.在技术经济比较的基础上，确定公用配变最佳补偿方案，将配变的无功损耗控制在最小范围内，将无功损耗消灭在高压入口端（包括变压器自身无功损耗、用电设备的无功损耗）。

b.最大限度提高配网的功率因数，使其达到0.92以上，达到降损目的。

有功或无功电能都是靠各电压等级的线路输送的，在输送电能的过程中，线路上都有功损耗。配网的无功补偿经济效益非常明显，节能降损的潜力巨大。由于无功补偿经济效益分析涉及很多内容，计算比较复杂。为简化计算程序，采用无功补偿经济当量来计算无功补偿的经济效益，即每安装1kvar的补偿电容，相当于降低了多少kW的有功损耗。查有关资料知，各种电压等级的无功补偿经济当量和该用户补偿后的降损功率如下所示：

各电压等级下的无功补偿经济当量

注：参见《无功补偿经济效益分析》

宁波中金石化有限公司220kV项目35kV侧无功补偿经济当量取0.017。则每套补偿设备投运后相当于减少的无功总量为19Mvar。

实际的无功需求为波动状态，且不可能时刻处于满负荷状态，无功补偿平均系数按50%计算。折合成补偿相对于节省的有功能量：

19Mvar×50%×0.017kW/kvar =1615kW

动态无功补偿设备始终投运在电力系统中，每年投运时间为：

24h/d×30d/m×12m/y×1y = 8640h

检修时间，每年按照60天计算，为1440h。

则实际运行时间：

T=8640h-1440h=7200 H

动态无功补偿系统投运后，每年可减少损耗为：

7200h×1615kW =11628000kW・h

按照平均电费率0.675元/kW・h计算，每年在损耗这一方面可减少的经济损失为：

11628000kW・h×0.675元/kW・h =784.9万元

总共投标设备为2套，即通过动态无功补偿，预计每年线损节约收益不低于1569.8万元。

（2）利率电费减少产生的经济效益分析

SVG与FC成套装置不可能一直处于满载运行状态。平均输出容量按照50%计，单机平均损耗小于装置额定容量的1%。每年投运时间按7200h计算，则成套装置每年损耗为：

（19×1000×0.01）kW×50%×7200h =684000kW・h

平均电价按照0.675元/kW・h计算，则每年花费为：

684000kW・h×0.675元/kW・h =46.2万元

通过成套动态无功补偿装置工作，系统功率因数从0.81提高到0.92，若煤矿提升机连续生产，每年扣除60天的检修时间，变电站总共有功功率为 90MW，按同时率70%计算，则节省用电罚款：90×1000×70% kW×7200h×0.675元/kW・h×4.5%=1377.8万元，用电奖励：90×1000×70%kW×7200h×0.675元/kW・h×0.3%=91.8万元。那么，总共2套无功补偿装置，每年可见的直接利率经济收益为：

2×（1377.8+91.8-46.2）=2906.8万元

即通过动态无功补偿，预计每年利率电费减少产生的经济收益不低于2906.8万元。

结语

中金石化公司的所在系统的冲击性负荷为各类轧机，是一个典型的冲击性负荷，需要采用相应的措施抑制由于冲击负荷引起的电压波动。通过对系统的仿真计算可知，220kV母线下的生产线负荷总有功功率大约为90MW，将系统的平均功率因数由0.81补偿到0.92所需求的容量为18.77Mvar。另外，系统的无功冲击机谐波电流均满足国标要求。综合功率因数补偿、无功冲击及谐波补偿，从经济性考虑，提出了在每段35kV母线设备补偿19Mvar的解决方案。采取此补偿方案后，不仅可以使系统的冲击负荷满足要求，同时也可以降低系统的损耗并产生较大的利率经济收益。

参考文献

[1]电能质量及其综合管理[J].安徽电力杂志.

[2]配电网新型电能质量综合治理装置的研究[J].湖南大学》.