無功補償技術在文旅項目中的應用

張 帆

(華東建筑集團股份有限公司上海建筑科創(chuàng)中心，上海 200001)

0 引言

近些年來，在強調綠色生態(tài)以及人與自然和諧共處的大背景下，集綜合休閑度假、文化體驗、主題游樂、冒險等體驗于一身的文旅項目，成為了新興的產(chǎn)業(yè)開發(fā)方向，并迅速得到了大力推動和發(fā)展。新的開發(fā)模式、新的體驗要求也為電氣設計帶來了新的思考。筆者在參與或主持諸如主題樂園、紅色文化旅游中心、展覽植物園等一系列文旅類項目的電氣設計后，發(fā)現(xiàn)無功補償技術的合理應用已經(jīng)成為文旅項目在設計供配電系統(tǒng)時，一個非常重要且需要普遍考慮的問題。筆者下文將結合句容恒大童世界文化旅游項目的工程實例，詳細敘述并總結項目中應用無功補償技術的方式方法，希望為今后同類項目的設計提供參考。

1 工程設計概況

句容恒大童世界文化旅游項目位于句容市主城區(qū)北部新城城南。其建設目的是為少年兒童打造的全室內、全天候、全季節(jié)的世界頂級童話神話樂園。園區(qū)共分為一個主城堡區(qū)；璀璨中華區(qū)、探險南美區(qū)、穿越太空區(qū)、神秘古國區(qū)、漫游海洋區(qū)、魔幻西歐區(qū)等六個主題區(qū)和一個兒童屋單體；南北兩個生態(tài)停車場(庫)及童話大街，并設有一座110kV園區(qū)專用變電站(由當?shù)仉娏υO計院設計)。園區(qū)建筑功能涉及游樂、商業(yè)、餐飲、博覽、劇場等，用地面積1 243畝，總建筑面積約50萬m2。

本次由筆者所在單位負責設計的范圍：璀璨中華區(qū)(共13個單體)、神秘古國區(qū)(共5個單體)、兒童屋1個單體及南北兩個生態(tài)停車場庫等21個單體，建筑面積接近30萬m2。根據(jù)《全國民用建筑工程設計技術措施——電氣》2009年版中規(guī)定，低壓線路的供電半徑應根據(jù)具體供電條件，干線一般不超過250m，當供電容量超過500kW，供電距離超過250m時，宜考慮增設變電所。這恰恰符合本樂園項目的用電特點，本項目兩個主題區(qū)和兒童屋基本每個游樂設施均為一個建筑單體，且又多為單層或多層建筑，形成了用電量隨建筑單體分布較為分散的供配電特點。針對這樣的特點，在供配電設計中決定對兩個主題區(qū)按單體分布情況設置7座變電所，每個變電所負責附近的幾個單體，加上兒童屋和南北兩個生態(tài)停車場庫分別各設1座變電所，總共10座變電所，用電負荷接近35MVA。

2 項目中的無功補償設置

2.1 為何設置無功補償

對供電部門來說，保持較高的功率因數(shù)可以降低供電回路的電能損耗，使得配變電資源利用率提高，有效降低電能成本，從而能夠滿足更多客戶的供電需求。根據(jù)供電部門規(guī)定，一般要求用戶的月平均功率因數(shù)達到0.9以上，當用戶單靠提高用電設備的自然功率因數(shù)達不到要求時，就要裝設必要的無功補償設備以滿足此要求。對本項目而言，供電部門對用戶用電的計量及功率因數(shù)的測量點位于110kV園區(qū)專用變電站的總進線處，因此必然會在此處裝設高壓無功補償裝置來滿足功率因數(shù)的要求。但由于此110kV變電站的設計由當?shù)仉娏υO計院完成，不在本院設計范圍內，因此本文對高壓補償?shù)脑O置不做過多敘述。

那么，是否僅在供電計量處設置高壓無功補償裝置以滿足供電部門對功率因數(shù)的要求就可達到節(jié)能的效果呢？是否有必要繼續(xù)在用戶配電網(wǎng)絡中也增加無功補償呢？其實是有必要的，此時從110kV變電站出線側向低壓配電的方向來看，配電回路上依然是自然功率因數(shù)，這意味著用戶側的配電網(wǎng)絡中依然存在著由無功負載產(chǎn)生的大量無功功率，降低了整個網(wǎng)絡的效能。反之對于用戶而言，如果能在用戶配電網(wǎng)路中合理進行無功補償，減少無功損耗，就能降低整個配電網(wǎng)絡的運營成本。

針對本項目的用電情況，本設計范圍內用電負荷實在功率S為35MVA，可根據(jù)公式實際計算在自然功率因數(shù)(cosφ1=0.75)與提高功率因數(shù)后(cosφ2=0.92)的節(jié)電效果。

自然功率因數(shù)下的無功功率：

Q1=sin(arc cosφ1)×S=sin(arc cos0.75)×35MVA=23.15Mvar

抬高功率因數(shù)下的無功功率：

Q2=sin(arc cosφ2)×S=sin(arc cos0.92)×35MVA=13.71Mvar

可得在兩種情況下無功功率差值：

QΔ=Q1—Q2=9.44Mvar，差額將近40%。

如果再將無功功率的差值折算到的耗電電能則：

P1=cos φ1×S=26.25MW

P2=cos φ2×S=32.21MW

PΔ=P2—P1=5.95MW=5 950kW

WPΔ=PΔ×60min×60s=5 950kW×60min×60s=21 420 000kW·h

相當于在自然功率因數(shù)下運行，比設置無功補償后的高功率因數(shù)下運行多消耗21 420 000度電，這對用戶考慮運營成本而言，絕對是不容小覷的。此外，提高功率因數(shù)后從而有效減少了線路上的電流，不僅降低了用戶的投資成本，同時也使整個系統(tǒng)更加安全。因此，無功功率補償不僅對于供電側有節(jié)約能源節(jié)省投資的作用，對于用戶側的作用和效果也十分明顯。

2.2 如何選擇無功補償

在論述并確立了設置無功補償?shù)囊饬x后，又該如何在用戶配電網(wǎng)路中設置無功補償呢？首先，需要了解無功補償?shù)母鞣N分類，以便在設計具體的工程項目中采用最合適、最可靠、最經(jīng)濟的補償方案。

無功補償按照設置位置進行分類，可以分為就地補償、分散補償、集中補償三類。

(1)就地補償：對于大型電機或者大功率用電設備宜裝設就地補償裝置。就地補償是最經(jīng)濟、最簡單以及最見效的補償方式。由于無功負載一般為感性負載，如變壓器、配電線路、電動機、空調等，因此使用電容器作為無功補償元件。在就地補償方式中，把電容器直接接在用電設備上，中間只加串熔斷器保護，用電設備投入時電容器跟著一起投入，切除時一塊切除，實現(xiàn)了最方便的無功自動補償。

(2)分散補償：當各供電末端距離變壓器較遠時，宜分散在各供電末端配電柜設置無功補償裝置，這樣對于變壓器相對分散，而對于末端配電相對集中便于管理的補償方式，可以使線損大大降低，同時可以兼顧提升末端電壓的作用。

(3)集中補償：設置于變電站內的無功補償，主要是補償變壓器對無功容量的需求，可以系統(tǒng)地對變壓器低壓側以下的所有負荷進行集中的無功補償，可以結合考慮供電壓區(qū)內的無功潮流及配電線路和用戶對無功補償效果的要求來確定無功補償容量。

無功補償按照補償原理進行分類，可以分為調相機、靜止無功補償裝置(SVC)、靜止無功發(fā)生裝置(SVG)三類。

(1)調相機：調相機或稱同步調相機、同步補償機，是較早出現(xiàn)的一類無功補償設備。調相機實際是一臺空載運行的同步電動機，利用同步電動機在不同勵磁電流下發(fā)出或吸收無功電流的能力起到無功補償作用。當正常勵磁時，調相機的電樞電流接近于零；過勵磁時，調相機向電網(wǎng)發(fā)出無功電流；欠勵磁時，調相機從電網(wǎng)中吸收無功電流。因此，調相機經(jīng)常運行在過勵狀態(tài)，勵磁電流較大，損耗也比較大，發(fā)熱比較嚴重。以上缺點均大大限制了調相機的應用范圍，目前除在高壓直流輸電線路的終端作動態(tài)無功支持外，已很少使用。

(2)靜止無功補償裝置(Static Var Compensator，SVC)：是目前應用最為廣泛的一類無功補償設備。SVC中的“Static”即靜止，是相對于調相機的旋轉而言，因此除調相機和SVG之外，凡是用電感或電容進行無功補償?shù)难b置均可稱作SVC。按國際標準定義，SVC的投切可分為7類：機械投切電容器(MSC)、機械投切電抗器(MSR)、自飽和電抗器(SR)、晶閘管控制電抗器(TCR)、晶閘管投切電容器(TSC)、晶閘管投切電抗器(TSR)、自換向或電網(wǎng)換向轉換器(SCC/LCC)。

(3)靜止無功發(fā)生裝置(Static Var Generator，SVG)：與SVC一樣，也是一種“靜止”設備，是近年出現(xiàn)的新一代無功補償設備。SVG以IGBT模塊構成的電壓源型逆變器為核心，通過實時檢測負載電流波形，并調節(jié)橋式整流電路交流側輸出電流達到調節(jié)負載電流的幅值和相位的目的。通過以上調節(jié)，可以吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流，實現(xiàn)動態(tài)無功補償。SVG具有響應速度快、吸收無功連續(xù)、調節(jié)范圍廣、耗損與噪音小等突出優(yōu)點。而且作為有源型補償裝置，不僅可以跟蹤沖擊型負載的沖擊電流，而且可以對諧波電流也進行跟蹤補償。按特點來看SVG是以后發(fā)展的趨勢，響應速度快并且集無功補償與有源濾波于一身，但在現(xiàn)階段來看由于發(fā)展時間較短，尚不是成熟產(chǎn)品，因此價格比較高昂，約為相同補償量下SVC價格的三到四倍。

2.3 項目具體使用情況

在了解了設置無功補償設置方式和產(chǎn)品的特點之后，將其技術結合實際情況進行分析，靈活運用于本項目設計當中。具體設計思路介紹如下。

(1)針對本次設計范圍內10處變電所采用集中補償?shù)姆绞剑谧儔浩鞯牡蛪簜仍O置無功補償裝置。這樣做的目的在于，設置的無功補償裝置抵消了變壓器低壓側無功負載、抬高了變壓器低壓側的功率因數(shù)，使得變壓器運行時的電流減小，無功損耗也隨之大大減小，并提高了變壓器的運行效率、保障了其運行安全。

在集中無功補償裝置的選擇方面，考慮到樂園中各游樂設施在運行時，隨天氣、季節(jié)和假期等不確定因素造成人流量變化較大，從而導致游樂設施供電變壓器用電負載的變化隨機性比較大，所產(chǎn)生無功負載的變化隨機性也比較大。因此，針對游樂設施存在這種多變的負載特點，在設計中選擇采用靜止無功補償裝置(SVC)和靜止無功發(fā)生裝置(SVG)相結合的方式進行設置。設置SVC的作用為：滿足對無變化無功負載的補償需求，主要通過選用由功率因數(shù)控制器控制的分步投切電容電抗器組對無功負載進行階梯型補償，其中電抗器起到防止電容器與用電負載發(fā)生諧振和限制涌流的作用。設置SVG的作用為：既能夠根據(jù)隨時變化的用電負荷情況進行連續(xù)、快速的響應，滿足系統(tǒng)中對變化無功功率的補償需求；又具備一定程度的消除系統(tǒng)中諧波的作用，使配電系統(tǒng)更加安全穩(wěn)定。另外，采用SVC與SVG相結合的補償方案，也不會增加太大的投資壓力，其在本項目變電所低壓柜中的具體運用及接線方式，如圖1所示。

圖1 變電所內集中無功補償示意圖

(2)針對其余不單獨設變電所而由區(qū)域變電所負責供電的游樂設施單體，擬根據(jù)其配電特點在各單體的低壓總進線采用分散補償?shù)姆绞?，或稱之為低壓配電線路補償。其原因：(1)這些單體的用電負荷在200～350kW，其中還包括不少一、二級負荷，經(jīng)計算所需從區(qū)域變電所敷設至單體的配電電纜數(shù)量非常多，如果不通過有效途徑抬高配電回路的功率因數(shù)以減小其配電電流，而直接選擇大截面甚至雙拼、三拼電纜進行配電，將會給變電所出線和整體敷設造成巨大困難；(2)考慮到區(qū)域變電所敷設至各單體的配電電纜其敷設距離約在150～200m左右，對于大規(guī)格電纜來說配電線路阻抗不可忽略，如果配電回路電流較大，加之敷設方式多采用密集敷設，就會導致配電電纜的溫升較高，會對其使用壽命產(chǎn)生較大影響。

基于以上的綜合分析，實際設計中在各單體的每路進線電纜進線配電柜處分別配置一個配電線路補償柜，其中補償裝置主要考慮選用價格較低、可進行階梯型補償?shù)撵o止無功補償裝置(SVC)，以達到提高配電線路功率因數(shù)的目的。單體內低壓配電線路補償?shù)脑O置及接線方式，如圖2所示。

圖2 單體內低壓配電線路補償柜示意圖

3 結束語