龍鴻昌

山西金鼎潞寶能源科技有限公司

摘要：一般的電力用戶系統(tǒng)中，以電機(jī)、變壓器等感性負(fù)載為主，電壓超前電流，無功功率呈現(xiàn)感性特點(diǎn)，導(dǎo)致功率因數(shù)降低，往往通過投入電容器等容性設(shè)備進(jìn)行無功功率補(bǔ)償，提高功率因數(shù)，但有些用戶的用電系統(tǒng)由于發(fā)電機(jī)或同步電機(jī)的存在，呈現(xiàn)容性的特點(diǎn)，就不能通過再增加容性設(shè)備去提高功率因數(shù)，本文借助具體實(shí)際案例，通過對三相三線智能電能表四象限計(jì)量功能進(jìn)行詳細(xì)的分析和研究，深入剖析容性用電系統(tǒng)中用電功率的無功分量性質(zhì)及組成，采取對應(yīng)的調(diào)整手段，達(dá)到提升功率因數(shù)的目的。

關(guān)鍵詞：電能的無功分量；低負(fù)荷；功率因數(shù)；感性無功；容性無功

0  引言

在交流電路的電力系統(tǒng)中，當(dāng)電壓與電流之間存在相位差時(shí)，無功功率分量便產(chǎn)生，該分量雖不直接參與對外做功，卻在電源與負(fù)載之間進(jìn)行能量的周期性交換^【1】。無功功率分量對于某些電氣設(shè)備的正常運(yùn)行至關(guān)重要，但無功功率的存在會(huì)占用電源容量，導(dǎo)致電源提供的有功功率相應(yīng)減少^【2】，電力公司通常將控制功率因數(shù)作為管控?zé)o功功率的手段，以降低電網(wǎng)損耗、提升輸電設(shè)備的使用效率，調(diào)節(jié)無功功率以確保進(jìn)線線路功率因數(shù)滿足供電公司規(guī)定的最低標(biāo)準(zhǔn)，是用電企業(yè)必須解決的關(guān)鍵問題。功率因數(shù)的計(jì)算公式為：

計(jì)算時(shí)需取其絕對值之和。假設(shè)在用戶有功電量保持不變的前提下，提升功率因數(shù)的策略是減少無功電量的吸收和倒送。目前，實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償?shù)闹饕夹g(shù)包括并聯(lián)電容器、靜止無功補(bǔ)償器（SVC）和動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償器（SVG）調(diào)相機(jī)、有源濾波器等。這些技術(shù)均能實(shí)現(xiàn)有效的補(bǔ)償效果^【3】。然而，在用戶所需電網(wǎng)的有功功率極低的情況下，電容補(bǔ)償可能會(huì)導(dǎo)致頻繁的自動(dòng)投切，難以控制。此外，采用SVC或SVG等設(shè)備時(shí)，投入產(chǎn)出比可能會(huì)降低。因此，在現(xiàn)有條件下，精確控制無功功率成為首選策略。為了精確控制無功功率，在此通過電能的四象限計(jì)量進(jìn)行精準(zhǔn)分析，以確定無功功率的感性或容性特性，并據(jù)此采取適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償措施，以實(shí)現(xiàn)提高功率因數(shù)的目標(biāo)^【4】。

1  提出問題

在某煤焦化企業(yè)的電力一次系統(tǒng)圖中，可見一座35KV變電站的配置。該變電站設(shè)計(jì)包含兩路35KV進(jìn)線，其中一路由進(jìn)線2開關(guān)413供電。在運(yùn)行過程中，兩臺(tái)主變有載調(diào)壓開關(guān)在第一檔位，10KV母線電壓在10.5KV，功率因數(shù)保持在0.97的穩(wěn)定水平，而進(jìn)線2的功率因數(shù)僅為約0.75。在三個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，企業(yè)因功率因數(shù)未達(dá)標(biāo)而遭受的罰款累計(jì)已超過100萬元。因此，降低10KV母線電壓和提升進(jìn)線功率因數(shù)已成為該企業(yè)迫切需要解決的關(guān)鍵問題。

圖一  電力一次系統(tǒng)圖

2  問題分析

2.1  進(jìn)線間隔413

2.1.1  電量統(tǒng)計(jì)

該間隔采用DSZ178型三相三線智能電能表，依據(jù)《多功能電能表通訊協(xié)議》DL/T645-2007標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定一個(gè)平面坐標(biāo)系，其中橫軸代表有功功率，縱軸代表無功功率。該坐標(biāo)系將平面劃分為四個(gè)象限，逆時(shí)針方向依次為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ象限。在第一象限中，無功功率為正值，此時(shí)電能表測量的是負(fù)載消耗的感性無功電能；在第二象限，無功功率同樣為正值，電能表測量的是負(fù)載消耗的容性無功電能；在第三象限，無功功率為負(fù)值，電能表測量的是負(fù)載向電網(wǎng)反饋的感性無功電能；在第四象限，無功功率亦為負(fù)值，電能表測量的是負(fù)載向電網(wǎng)反饋的容性無功電能^【5】。進(jìn)線間隔413三個(gè)月內(nèi)無功電能表的計(jì)量數(shù)據(jù)如表一所示（CT變比為600/5，PT變比為35000/100）。

表1  變電站進(jìn)線413無功電量統(tǒng)計(jì)

無功電量，即無功功率隨時(shí)間的積分，是建立磁場所必需的。在電網(wǎng)參考框架下，當(dāng)負(fù)載呈現(xiàn)感性特性時(shí)，電流相對于電壓滯后，此時(shí)無功功率從電網(wǎng)流向負(fù)載，電網(wǎng)需提供相應(yīng)的感性無功功率。相反，若負(fù)載呈容性特性，電流則領(lǐng)先于電壓，無功功率的流向則為從負(fù)載返回至電網(wǎng)。

根據(jù)表一數(shù)據(jù)，35KV變電站從外部網(wǎng)絡(luò)吸收了88200kvarh的感性無功電能，未吸收任何容性無功電能，同時(shí)向外部網(wǎng)絡(luò)反饋了252000kvarh的感性無功電能以及1083600kvarh的容性無功電能。進(jìn)線處的無功電量主要分布在第四象限，表明無功電量的輸出以容性無功為主。

2.1.2  該間隔無功功率變化曲線

圖2、圖3及圖4展示了進(jìn)線413間隔在連續(xù)三個(gè)月期間無功功率變化的曲線圖。

圖2  第一月無功功率變化曲線

圖3  第二月無功功率變化曲線  

 圖4  第三月無功功率變化曲線

觀察圖二所示的月度無功功率變化曲線，可以發(fā)現(xiàn)其平均值大致分布在-1Mvar區(qū)間。圖三所展示的月度無功功率變化曲線，其平均值主要集中在-2Mvar區(qū)間。進(jìn)一步分析圖四，該月度無功功率變化曲線的集中趨勢亦顯示在-1Mvar區(qū)間。

3.1.3、功率因數(shù)計(jì)算

在間隔413處，有功負(fù)荷長期穩(wěn)定在0.5-1MW區(qū)間，三個(gè)月累計(jì)吸收的有功電量約為WP=750*24*90=2160000KWh，即162萬KWh。在計(jì)算功率因數(shù)時(shí)，所涉及的無功電量包括從電網(wǎng)流向用戶的無功電量絕對值與從用戶流向電網(wǎng)的無功電量絕對值之和。因此，參與計(jì)算的總無功電量為：

2.2  同步發(fā)電機(jī)組

2.2.1  同步發(fā)電機(jī)

在35KV開關(guān)站35KVⅡ段母線，配置了一臺(tái)額定容量為30MW的同步發(fā)電機(jī)組。該機(jī)組通過414間隔實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)接入。該同步發(fā)電機(jī)組具備向電網(wǎng)提供感性無功功率或容性無功功率的能力。具體而言，當(dāng)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流較高時(shí)，其向電網(wǎng)輸送的無功功率表現(xiàn)為感性；反之，當(dāng)勵(lì)磁電流逐漸減小，發(fā)電機(jī)端電壓隨之下降，而電網(wǎng)電壓保持不變，此時(shí)發(fā)電機(jī)定子繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢低于電網(wǎng)電壓，電樞呈現(xiàn)助磁效應(yīng)，導(dǎo)致定子電流相位超前于端電壓，從而使得發(fā)電機(jī)輸出容性無功功率^【6】。

2.2.2  無功分量四象限分析

  表二展示了414間隔三相三線智能電能表在四象限無功電能統(tǒng)計(jì)方面的數(shù)據(jù)：

表2  發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)線414無功電量統(tǒng)計(jì)

（CT:600/5，PT:35000/100）

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)分析，可以明確地觀察到發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中并未從電網(wǎng)中吸收感性無功功率，同時(shí)未從外部電網(wǎng)獲取容性無功功率，亦未向外部電網(wǎng)回饋容性無功功率。在414間隔的無功功率記錄中，所有無功電量均位于第三象限，這表明該發(fā)電機(jī)僅向電網(wǎng)提供了感性無功功率，總量為1386000kvarh。

2.3  同步電動(dòng)機(jī)

2.3.1  同步電動(dòng)機(jī)

在35KV開關(guān)站主變低壓側(cè)10KV II段母線上配置有一臺(tái)同步電機(jī)負(fù)荷。通過調(diào)節(jié)該同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流，其功率因數(shù)得以調(diào)整。當(dāng)勵(lì)磁電流處于較低水平時(shí)，電動(dòng)機(jī)表現(xiàn)為感性負(fù)載，類似于常規(guī)的異步電動(dòng)機(jī)，需要從電網(wǎng)吸收感性無功。隨著勵(lì)磁電流的逐步提升，功率因數(shù)可達(dá)到1的臨界值。若繼續(xù)增加勵(lì)磁電流，電樞電流超前于端電壓，電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)處于超前狀態(tài)，相當(dāng)于一個(gè)容性負(fù)載，向電網(wǎng)發(fā)出感性無功，相當(dāng)于吸收電網(wǎng)的容性無功，通常同步電機(jī)運(yùn)行與過勵(lì)狀態(tài)^【7】。

2.3.2  無功分量分析

表3展示了該同步電機(jī)三相三線智能電能表在四象限無功電能計(jì)量方面的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

表3  同步電動(dòng)機(jī)無功電量統(tǒng)計(jì)

（CT:1000/1）

根據(jù)表3的數(shù)據(jù)分析，可以觀察到同步電機(jī)并未從電網(wǎng)中吸收感性或容性無功功率，其無功功率的交換完全集中在第四象限，表明該電機(jī)向電網(wǎng)回饋了3260000kvarh的容性無功功率。

2.4  分析小結(jié)

在10KV側(cè)未投入高壓電容補(bǔ)償柜的情況下，10KV母線功率因數(shù)依然保持在較高水平，其原因在于系統(tǒng)中存在一臺(tái)同步電機(jī)負(fù)載，該負(fù)載向電網(wǎng)提供容性電流。此外，380V低壓側(cè)亦投入了一定數(shù)量的低壓電容補(bǔ)償柜，導(dǎo)致10KV系統(tǒng)中的容性無功功率分量超過了感性無功功率分量，使得10KV系統(tǒng)處于功率因數(shù)超前的運(yùn)行狀態(tài)^【8】。然而，這種運(yùn)行狀態(tài)具有顯著的危害性，容易與系統(tǒng)中的感性元件形成諧振條件，進(jìn)而引起10KV系統(tǒng)電壓升高，并可能導(dǎo)致系統(tǒng)諧波的放大，對其他設(shè)備產(chǎn)生諧波干擾，影響其正常運(yùn)行。

由于企業(yè)內(nèi)部配備有自備發(fā)電機(jī)組，企業(yè)對電網(wǎng)的有功功率需求相對較低，平均只有0.75MW左右，同時(shí)向電網(wǎng)輸送容性功率，導(dǎo)致413間隔進(jìn)線的視在功率中容性功率分量較大。盡管自備發(fā)電機(jī)組向系統(tǒng)提供了部分感性功率，但這一輸入量仍不足以逆轉(zhuǎn)系統(tǒng)的容性特性，綜合以上有功和無功功率情況，造成了35KV進(jìn)線413間隔的功率因數(shù)持續(xù)偏低。

了解清楚進(jìn)線413間隔有功、無功的大小和性質(zhì)后，就不能盲目的通過簡單增加電容補(bǔ)償?shù)姆椒ㄈヌ岣咴撈髽I(yè)的進(jìn)線功率因數(shù)，

3  解決問題

3.1  通過以上分析，有以下幾種解決問題的辦法

    尋找新的用電負(fù)荷，通過企業(yè)多用電，直接增加413進(jìn)線有功功率輸入值，提高有功功率在視在功率中的占比，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)的提高，但目前，企業(yè)的用電總負(fù)荷比較穩(wěn)定，沒有新負(fù)荷可增加，所以這個(gè)辦法暫時(shí)行不通。

    降低發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)414間隔的并網(wǎng)電量，在企業(yè)總用電負(fù)荷穩(wěn)定的情況下，通過少發(fā)電，間接的增加413進(jìn)線間隔有功功率輸入，提高有功功率占比，進(jìn)而提高功率因數(shù)，企業(yè)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化，顯然不可能為了功率因數(shù)的提高，白白浪費(fèi)掉生產(chǎn)中產(chǎn)生的預(yù)熱、余氣等二次能源，減少發(fā)電量，提高從供電公司購買電量。

    適當(dāng)增加發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁電流，提高發(fā)電機(jī)組向外反饋的感性無功功率，用于抵消系統(tǒng)的一部分容性無功，但是由于需要增加的感性無功體量很小，并且目前發(fā)電機(jī)組輸出電壓已經(jīng)很高，如果增加或頻繁調(diào)整勵(lì)磁電流，不利于機(jī)組的平穩(wěn)運(yùn)行并且造成發(fā)電機(jī)組端電壓的進(jìn)一步升高。

    根據(jù)企業(yè)進(jìn)線413間隔無功電量構(gòu)成分析，第四象限的容性無功占比最大，減少第四象限的無功功率，容易減少總的無功功率，提高功率因數(shù)。目前3KV變電站10KV高壓電容組的沒有投入，但可以減少380低壓側(cè)無功補(bǔ)償?shù)耐度耄?dāng)減少低壓側(cè)電容組投入量時(shí)，由于高壓側(cè)和低壓側(cè)的電氣聯(lián)系，高壓側(cè)向電網(wǎng)反向反饋的無功電量也會(huì)隨著較少，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)提高功率因數(shù)的目的。

3.2  需切除電容容量計(jì)算

3.2.1  無功功率平均值

根據(jù)表一數(shù)據(jù)，計(jì)算切除電容器前進(jìn)線413間隔各種無功功率平均值為：

從電網(wǎng)吸收的感性無功功率：

3.2.2  調(diào)整后的無功功率計(jì)算

3.2.3  需要減少的無功功率

 取整，需要減少300kvar的無功功率

3.3  應(yīng)用實(shí)踐

 通過以上分析和計(jì)算，結(jié)合企業(yè)低壓補(bǔ)償?shù)木唧w情況，實(shí)際退出低壓無功補(bǔ)償350kvar，

實(shí)際切除后的總無功功率 ：

實(shí)際切除后功率因數(shù)：

在沒有增加硬件投資的前提下，通過分析計(jì)算，切除低壓補(bǔ)償電容，本企業(yè)實(shí)際運(yùn)行功率因數(shù)穩(wěn)定在0.92左右，滿足了供電公司的要求，避免了罰款考核，同時(shí)降低了電力損耗，提高了煤焦化企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

4  結(jié)語

    通過三相三線智能電能表的四象限計(jì)量特性，正確分析電能無功分量組成、方向及性質(zhì)，有針對性的減少無功分量，而不是盲目的通過多投入電容組去提高功率因數(shù)，功率因數(shù)達(dá)標(biāo)，不僅僅避免了供電部門對企業(yè)的考核，降低煤焦化企業(yè)的用電成本，而且可以改善電壓質(zhì)量、減少線路損耗、提高發(fā)電和供電設(shè)備的利用率，意義重大。

參考文獻(xiàn)

[1] 孟垂懿，孫笑雨，宋孚紅，等.無功補(bǔ)償技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用[J].電工材料，2021(02):75-77.

[2] 歐劍雄，對無功功率及相關(guān)概念常見的認(rèn)識誤區(qū)[J]，物理教師，2015（11）:7-10

[3] 張仕民,葉選茂,姜齊榮.配網(wǎng)及用戶側(cè)供電安全與電能質(zhì)量[J].四川電力技術(shù).2005,(4).52-55

[4] 張勇軍,任震,李邦峰.電力系統(tǒng)無功優(yōu)化調(diào)度研究綜述[J].電網(wǎng)技術(shù).2005,(2).DOI:10.3321/j.issn:1000-3673.2005.02.011 .

[5] 黃一洋,三相三線電能表第一元件電流顯示負(fù)值的原因[J],農(nóng)村電工.2021年第12期53-53

[6] 黃康，同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制研究綜述[J]， 電氣應(yīng)用，  2022年第9期9-10

[7] 李永東， 交流電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng) [M].機(jī)械工業(yè)出版社,2002

[8]劉介才.工廠供電[J].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013：258-270

[9]李國瑞.電氣控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.3：180-185.

[10] 王軍政 宋新凱，電力系統(tǒng)功率因數(shù)測量與補(bǔ)償技術(shù)[J]，數(shù)字化用戶，2024年44期