零過渡動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用

吳艷平

摘 要：當(dāng)前電力體制改革及電力過剩的雙重壓力非常不利于電廠的經(jīng)濟(jì)效益可持續(xù)發(fā)展。文章闡述了零過渡動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的原理和技術(shù)特點(diǎn)，以平海電廠實(shí)踐應(yīng)用作為實(shí)例，闡述該項(xiàng)技術(shù)在保障安全和節(jié)能優(yōu)化方面的優(yōu)勢，希望能為相關(guān)部門提供可行性借鑒。

關(guān)鍵詞：無功補(bǔ)償;電除塵380V配電段;功率因數(shù);節(jié)能

0 引言

為響應(yīng)國家號(hào)召，節(jié)能減排已成為電力行業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。對(duì)于燃煤發(fā)電廠而言，因電能是通過能量轉(zhuǎn)換而來的二次能源，轉(zhuǎn)換效率一般只能到達(dá)30%左右。若將節(jié)能量折算成節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤量，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，每降低電能量損耗1%，就相當(dāng)于降低了標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量2.53%，節(jié)能減排效率非常高[1]。而在發(fā)電廠生產(chǎn)運(yùn)行過程中，廠用電系統(tǒng)用電負(fù)荷的無功功率變化非常頻繁，無功損耗很大，在當(dāng)前電力體制改革及電力過剩的雙重壓力下，非常不利于電廠經(jīng)濟(jì)效益的可持續(xù)發(fā)展，若能找到有效的解決方法，既可達(dá)到節(jié)能減排的目標(biāo)，又能提高電廠的直接經(jīng)濟(jì)效益和市場競爭力。

自平海電廠1號(hào)機(jī)組投產(chǎn)以來，電除塵380 V低壓配電系統(tǒng)一直存在母線電流大、溫度高的現(xiàn)象。配電變壓器和380 V進(jìn)線開關(guān)及其進(jìn)出線母排的溫度長期在87 ℃以上高溫運(yùn)行，此溫度遠(yuǎn)超過設(shè)備長期安全、穩(wěn)定運(yùn)行的要求，存在較高的安全隱患。同時(shí)，該配電系統(tǒng)還存在功率因數(shù)、母線電壓等參數(shù)波動(dòng)大及偏低的現(xiàn)象。為解決以上問題，該廠在1號(hào)機(jī)組大修期間對(duì)1號(hào)機(jī)組電除塵380V A段、B段分別增加了一套容量為630 kVar的零過渡動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置。

1 零過渡動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的原理

零過渡動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償是把無功補(bǔ)償裝置和電力網(wǎng)視為一個(gè)整體，包含控制單元和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)時(shí)監(jiān)測電網(wǎng)和無功補(bǔ)償裝置的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，通過控制單元對(duì)系統(tǒng)所需無功的計(jì)算分析，給執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出相應(yīng)的投切電容器組數(shù)的指令，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)控制，始終使系統(tǒng)無功處于最優(yōu)狀態(tài)。由電磁能量守恒定律可知，在電容器不需要放電的前提下，當(dāng)選擇在系統(tǒng)零過渡時(shí)刻投切電容器組時(shí)，電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)電流和電壓的非周期分量接近于零，實(shí)現(xiàn)零過渡過程動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償[2-4]。其簡化原理如圖1所示，其中系統(tǒng)理想電壓源定義為系統(tǒng)等效內(nèi)阻。

當(dāng)t≥0時(shí)：Vc=Vc'（Vs（ωt））+Vc''（Vs（ω0，β，t），Vs（0），Vc（0））;其中，ω=2πf;f=50 Hz，為衰減系數(shù);ω0=2πf0，為諧振頻率，與ZS和C相關(guān)，ω0>ω;Vc'∣t→∞=Vc為穩(wěn)態(tài)分量（周期函數(shù)）;Vc''∣t→∞為暫態(tài)分量（非周期衰減函數(shù)）。零過渡過程投切的基本原理：Vc''（0）→0。

2 零過渡動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置技術(shù)優(yōu)勢

零過渡過程無功補(bǔ)償裝置與傳統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置相比，具有以下優(yōu)勢。

（1）投切響應(yīng)速度快。因?yàn)樵诹氵^渡時(shí)刻切換，所以投切電容器組時(shí)不需要放電電阻，大大提高了投切間隔響應(yīng)速度，是國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的3 000倍以上，能實(shí)現(xiàn)快速、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償沖擊負(fù)荷，同時(shí)抑制電壓劇烈波動(dòng)，保證電壓質(zhì)量[5]。

（2）設(shè)備壽命長。零過渡過程無功補(bǔ)償裝置有效地避免了電容器組投切過程中可能產(chǎn)生的過電壓、過電流現(xiàn)象，與傳統(tǒng)補(bǔ)償裝置相比，使用壽命約可提高3～4倍，同時(shí)因?qū)ο到y(tǒng)沖擊較小，有效地延長了負(fù)荷設(shè)備的使用壽命[6]。

（3）降低功率損耗。動(dòng)態(tài)進(jìn)行電壓補(bǔ)償，使電壓穩(wěn)定在保證設(shè)備正常運(yùn)行的合格電壓范圍內(nèi)，大幅降低了由于電壓下降引起的設(shè)備電流快速上升而產(chǎn)生的額外功率損耗（設(shè)備繞組的發(fā)熱損耗），另外也沒有放電電阻消耗額外的功率，減少了裝置損耗，比傳統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置更經(jīng)濟(jì)。

（4）高效節(jié)能。裝置能達(dá)到0.95以上的高瞬時(shí)功率因數(shù)，取代了傳統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置應(yīng)用平均功率因數(shù)的算法，不但增加了供用電裝置的功率轉(zhuǎn)換效率，還更加高效節(jié)能。

（5）無諧波污染。因零過渡時(shí)刻切換，故裝置工作時(shí)不會(huì)產(chǎn)生諧波、振蕩或涌流，也不會(huì)引起電壓波形的畸變;相反，還能起到抵抗并吸收部分諧波，也能起到抑制沖擊負(fù)荷引起的電壓波動(dòng)，從原理上避免裝置本身對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的電能污染[7]。

3 零過渡動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置在電廠廠用電系統(tǒng)的應(yīng)用

為響應(yīng)國家節(jié)能減排的環(huán)保指標(biāo)，同時(shí)提高供電設(shè)備的安全性和可靠性，平海電廠對(duì)1號(hào)機(jī)組廠用電系統(tǒng)的電除塵380 V配電段進(jìn)行了母線加裝零過渡動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的技術(shù)改造，其系統(tǒng)接線如圖2所示。

改造前后，分別用“HIOKI3196電能質(zhì)量分析儀”對(duì)1號(hào)機(jī)組電除塵380 V 配電段A段、B段進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，對(duì)比分析在安裝“GX-LDB2-630/0.4NK”型零過渡動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置前后的運(yùn)行參數(shù)及電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，對(duì)比數(shù)據(jù)如表1所示（機(jī)組負(fù)荷900 MW）。

表1中，降損率的計(jì)算方法采用電流對(duì)比法。根據(jù)表1統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和已知數(shù)據(jù)，可以得出以下分析結(jié)論。

3.1? 安全性分析

裝置投運(yùn)后，電除塵1A段電流從1 661 A降至1 495 A，降低了166 A，母排溫度最高點(diǎn)從約86 ℃降至約77 ℃;電除塵1 B段電流從1 771 A降至1 596 A，降低了175 A，母排溫度最高點(diǎn)從約87 ℃降至約75 ℃。說明裝置投運(yùn)后，在有功功率不變的情況下，因?yàn)檠a(bǔ)償了大量的無功，母線電壓得到升高，從而降低了運(yùn)行電流，也降低了母線運(yùn)行溫度，大大提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

3.2? 經(jīng)濟(jì)性分析

3.2.1 電能質(zhì)量分析

（1）能效提升作用顯著。

設(shè)備投運(yùn)后1號(hào)機(jī)組電除塵380V A段電力需求（視在功率）從1 061 kVA下降至973 kVA;B段電力需求從1 131 kVA下降至1 063 kVA。

（2）電能利用效率顯著提高，節(jié)能效果明顯。

設(shè)備投運(yùn)前后1號(hào)機(jī)組電除塵380V A段功率因數(shù)從0.88提高到0.98;B段功率因數(shù)從0.89提高到0.98，達(dá)到了國務(wù)院〔2008〕23號(hào)文《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)節(jié)油節(jié)電工作的通知》中有關(guān)功率因數(shù)0.95以上的要求，電能利用效率提高9%～10%。

（3）電壓質(zhì)量改善，電氣設(shè)備的工作效率提高。

設(shè)備投運(yùn)后1號(hào)機(jī)組電除塵380 V A段工作電壓從370 V提高至379 V;B段工作電壓從368 V提高至377 V，解決了由啟動(dòng)瞬間電壓過低造成的電機(jī)啟動(dòng)困難以及負(fù)荷末端工作電壓偏低的問題。

3.2.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

研究表明，在電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行過程中，每補(bǔ)充相應(yīng)的無功功率，就可以減少電網(wǎng)內(nèi)部一定量有功功率的消耗，這就是無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量KQ的概念。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《電力變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》（GB/T 13462—2008）對(duì)無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量的規(guī)定，無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量KQ為變壓器每減少1 kVar的無功功率消耗引起其受電網(wǎng)所減少有功功率損耗，其取值參考表2。

照國家標(biāo)準(zhǔn)《電力變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》（GB/T 13462—2008）中規(guī)定的計(jì)算方法，低壓廠用電變壓器為二次變壓，無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量KQ取0.07，據(jù)上，可對(duì)本項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行計(jì)算。

無功功率的計(jì)算公式為：

根據(jù)測量的數(shù)據(jù)，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷為900 MW時(shí)，可分別計(jì)算出改造前后無功功率值，如表3所示。

據(jù)此，機(jī)組負(fù)荷為900 MW時(shí)補(bǔ)償無功功率產(chǎn)生的有功功率節(jié)能量為：

P=0.07×（283+328）=42.77（kW）

按照機(jī)組運(yùn)行小時(shí)數(shù)為7 200h（10個(gè)月）、電費(fèi)? ? ? ? ? ? ?0.25元/kW·h進(jìn)行計(jì)算，每年總計(jì)可節(jié)省電費(fèi)為：

M=0.25×7 200×42.77=7.69（萬元）

另外，按照往年機(jī)組負(fù)荷較低（400 MW）時(shí)的測量參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，除塵變1A、1B段有功功率合計(jì)約為830 kW，無功補(bǔ)償改造前的功率因數(shù)約為0.7，投入無功補(bǔ)償裝置后可提高至0.95，則電除塵1A、1B段變壓器無功功率可降低：

δQ=830×（1.02-0.33）=572.7（kVar）

因此，機(jī)組負(fù)荷為400 MW時(shí)電除塵1A、1B段合計(jì)每年可節(jié)省電費(fèi)：

M=0.07×2×572.7×7 200×0.25=14.43（萬元）

綜上，無功補(bǔ)償裝置投運(yùn)后，在機(jī)組負(fù)荷參數(shù)不同時(shí)，所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益也不同，機(jī)組負(fù)荷越低，經(jīng)濟(jì)效益越明顯，每年節(jié)能費(fèi)用約7.69萬元～14.43萬元。

4 ? 結(jié)語

根據(jù)該廠1號(hào)機(jī)組電除塵380 V 1A、1B段應(yīng)用“零過渡動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置”的實(shí)踐，從數(shù)據(jù)分析情況來看，改造后的系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)均得到了優(yōu)化提高，降低了能量損耗，達(dá)到了節(jié)能減排目的的同時(shí)，也很大程度上改善了電能質(zhì)量，提高了設(shè)備安全運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。

[參考文獻(xiàn)]

[1]陳妍妍，李曉明.零過渡過程動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償與節(jié)能減排[J].廣西輕工業(yè)，2009（7）：33-35.

[2]孔祥志.無功補(bǔ)償在發(fā)電廠用電系統(tǒng)中應(yīng)用的研究[J].科技與企業(yè)，2014（13）：398.

[3]高宇英，劉乾業(yè).智能型低壓無功補(bǔ)償裝置若干問題的探討[J].電力電容器，2002（2）：43-47.

[4]孫茂船，周建春，李偉，等.新型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置研究與應(yīng)用[J].港口裝卸，2001（3）：19-21.

[5]蘇桂枝.零過渡過程動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的研發(fā)[J].山西電力，2009（6）：1-4，21.

[6]王兆安，楊君，劉進(jìn)軍.諧波抑制和無功補(bǔ)償[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[7]劉淑敏，李奎文，劉輝，等.無功補(bǔ)償裝置的選擇[J].電氣傳動(dòng)，2002（4）：61-64.

[8]中華人民共和國國家能源局.電站爐水循環(huán)泵電機(jī)檢修導(dǎo)則：DL/T 1132-2009[EB/OL].（2009-07-22）[2021-03-10].https：//www.doc88.com/p-6387758212681.html.

[9]四川省電力試驗(yàn)研究院.高壓電氣設(shè)備試驗(yàn)方法[M].北京：中國電力出版社，2001.

[10]HAYWARD TYLER GROUP LIMITED. BCP泵運(yùn)行操作使用說明書[Z].英國：海伍德泰勒集團(tuán)公司，2009.

（編輯 王雪芬）