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(1.南瑞集團(tuán)公司(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院)，江蘇　南京　210000； 2.南瑞(武漢)電氣設(shè)備與工程能效測(cè)評(píng)中心，湖北　武漢　430074; 3.國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院,福建　福州　350007)

0　引言

隨著居民生活水平的提高和家用電器的普及，以及小工業(yè)用戶的增多，我國(guó)配電網(wǎng)的功率因數(shù)大都比較低，尤其是電力電子裝置的應(yīng)用日益廣泛，造成電網(wǎng)供電質(zhì)量下降，也給電網(wǎng)帶來額外負(fù)擔(dān)。因此，利用無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)正成為當(dāng)前世界各國(guó)電力設(shè)計(jì)及決策人員的共識(shí)[1]。

現(xiàn)在，美國(guó)電力主網(wǎng)設(shè)備的功率因數(shù)己接近于1，原蘇聯(lián)法律規(guī)定功率因數(shù)應(yīng)大于0.92，日本等國(guó)還建立了全國(guó)性的無(wú)功管理委員會(huì)，研究無(wú)功補(bǔ)償方面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策。從實(shí)際情況看[2]，世界上工業(yè)比較發(fā)達(dá)的國(guó)家，其電網(wǎng)功率因數(shù)都比較高。我國(guó)《國(guó)家電網(wǎng)公司電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償配置技術(shù)原則》[3]提出，10 kV及以下電壓等級(jí)補(bǔ)償?shù)阶儔浩髯畲筘?fù)荷時(shí)其高壓側(cè)功率因數(shù)不低于0.95。因此，大力提高電網(wǎng)功率因數(shù)，降低線損，節(jié)約能源，挖掘發(fā)電設(shè)備的潛力，是當(dāng)前電力網(wǎng)發(fā)展的趨勢(shì)[4-5]。

本文介紹了四種配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)方案，基于第三方豐富的檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，給出了配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償項(xiàng)目節(jié)電量測(cè)算方法，具有可操作性。本方法的應(yīng)用，一方面對(duì)電網(wǎng)企業(yè)完成電力需求側(cè)管理目標(biāo)責(zé)任考核提供了指導(dǎo)作用；另一方面為支撐電網(wǎng)節(jié)能公司以合同能源管理模式開展配網(wǎng)改造項(xiàng)目提供了節(jié)能效益的測(cè)算依據(jù)[6-9]。

1　配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)方案

在配電網(wǎng)中主要采用并聯(lián)電容器及動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備來進(jìn)行電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償，其方式主要有[10-12]：變電站集中補(bǔ)償、低壓集中補(bǔ)償、10 kV桿上無(wú)功補(bǔ)償和用戶終端分散補(bǔ)償，分別如圖1中的方式1～方式4。

圖1　配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償方式示意圖

1.1　變電站集中補(bǔ)償

在變電站進(jìn)行集中補(bǔ)償(如圖1的方式1)，主要目的是改善輸電網(wǎng)的功率因數(shù)，提高終端變電所的電壓和補(bǔ)償主變壓器的無(wú)功損耗。這些補(bǔ)償裝置一般連接在變電站的10 kV母線上，因此具有管理容易、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，不足之處在于不能補(bǔ)償配電線路和配變的無(wú)功缺額，而對(duì)于農(nóng)網(wǎng)而言，后兩者所占的無(wú)功損耗又較大，所以單獨(dú)安裝變電站無(wú)功補(bǔ)償裝置是不夠的。

1.2　低壓集中補(bǔ)償

配電變壓器400 V側(cè)進(jìn)行集中補(bǔ)償(如圖1的方式2)，作用是補(bǔ)償各個(gè)配電變壓器及以上配電線路的無(wú)功缺額，減少10 kV線路和配電變壓器的無(wú)功損耗，保證負(fù)荷的電壓合格。目前配變400 V動(dòng)態(tài)無(wú)功調(diào)節(jié)設(shè)備可以做到跟隨配變負(fù)荷的變化而補(bǔ)償合適的電容量，適合配電網(wǎng)的實(shí)際要求。存在的問題是由于配變?nèi)萘啃?，補(bǔ)償單位無(wú)功的價(jià)格較高。選擇合適的補(bǔ)償容量時(shí)，需要考慮到全年負(fù)荷變化和日負(fù)荷變化，使投資效益達(dá)到最佳。

1.3　10 kV桿上無(wú)功補(bǔ)償

10 kV桿上無(wú)功補(bǔ)償方式(如圖1的方式3)，即在高壓側(cè)節(jié)點(diǎn)—10 kV線路和配電變壓器高壓側(cè)，加裝無(wú)功補(bǔ)償控制裝置和電容器組，作用在于補(bǔ)償線路上的無(wú)功缺額，減少10 kV線路的有功無(wú)功損耗，以提高配電網(wǎng)功率因數(shù)，達(dá)到降損升壓的目的。由于桿上安裝的并聯(lián)電容器遠(yuǎn)離變電站，容易出現(xiàn)保護(hù)不易配置、控制成本高、維護(hù)工作量大、受安裝環(huán)境和空間等客觀條件限制等工程問題。

1.4　用戶終端分散補(bǔ)償

目前在我國(guó)城鎮(zhèn)，低壓用戶的用電量大幅增長(zhǎng)，企業(yè)、廠礦和小區(qū)等對(duì)無(wú)功需求都很大，直接對(duì)用戶末端進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償(如圖1的方式4)將最恰當(dāng)?shù)亟档碗娋W(wǎng)的損耗和維持網(wǎng)絡(luò)的電壓水平。《供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50052-95)指出，容量較大、負(fù)荷平穩(wěn)且經(jīng)常使用的用電設(shè)備無(wú)功負(fù)荷宜單獨(dú)就地補(bǔ)償，如對(duì)于企業(yè)和廠礦中的電動(dòng)機(jī)，應(yīng)該進(jìn)行就地?zé)o功補(bǔ)償，即隨機(jī)補(bǔ)償。

根據(jù)以上無(wú)功補(bǔ)償方案的分析、討論，可歸納、整理出四種補(bǔ)償方案的特點(diǎn)和基本性能，如表1所示。

表1四種無(wú)功補(bǔ)償方式的比較

補(bǔ)償方式變電站集中補(bǔ)償?shù)蛪耗妇€集中補(bǔ)償桿上無(wú)功補(bǔ)償用戶終端分散補(bǔ)償補(bǔ)償對(duì)象變電站無(wú)功需求配電變無(wú)功需求10 kV線路無(wú)功負(fù)荷用電設(shè)備無(wú)功需求降損范圍主變壓器及輸電網(wǎng)配電變及輸配電網(wǎng)10 kV線路及輸電網(wǎng)整個(gè)輸配電系統(tǒng)網(wǎng)調(diào)壓效果較好較好較好最好單位投資較大較大較小較大設(shè)備利用率較高較高很高較低維護(hù)方便性方便較方便不方便不方便

2　配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償節(jié)電降損計(jì)算

根據(jù)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《電力網(wǎng)電能損耗計(jì)算導(dǎo)則》(DL/T686-1999)[13]，當(dāng)電網(wǎng)中某一點(diǎn)裝置無(wú)功補(bǔ)償裝置后，補(bǔ)償點(diǎn)到上一級(jí)無(wú)功電源點(diǎn)間所有串接線路及變壓器的無(wú)功潮流均將減少，從而使該點(diǎn)以前串接元件中的電能損耗減少，其降損節(jié)能可用潮流法計(jì)算，當(dāng)不具備條件或者假定無(wú)功補(bǔ)償前后并未引起有功負(fù)荷的變化時(shí)，可根據(jù)無(wú)功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量或者補(bǔ)償前后功率因數(shù)的變化值計(jì)算。

2.1　無(wú)功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量法

報(bào)告期電力損耗ΔP′為

(1)

在負(fù)荷和元件電阻不變條件下，若減小無(wú)功功率，電力損耗也隨之減小。若補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功為QC，不計(jì)補(bǔ)償前后電網(wǎng)電壓的變化，則基準(zhǔn)期(未加裝無(wú)功補(bǔ)償裝置)的電力損耗ΔP為

(2)

考慮補(bǔ)償裝置的自身?yè)p耗，項(xiàng)目節(jié)電力Δ(ΔP)為

(3)

式中P′——補(bǔ)償后的有功功率/kW；

Q′——補(bǔ)償后的無(wú)功功率/kvar；

UN——無(wú)功補(bǔ)償點(diǎn)額定電壓歸算至某一電壓等級(jí)的額定電壓/kV；

R——所有串聯(lián)元件歸算至某一電壓等級(jí)的等效電阻/Ω；

QC——無(wú)功補(bǔ)償裝置補(bǔ)償容量/kvar；

C——無(wú)功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量/kW·kvar-1；

K——無(wú)功補(bǔ)償裝置損耗率。

2.2　功率因數(shù)法

報(bào)告期電力損耗ΔP′也可以表示為

(4)

根據(jù)補(bǔ)償前后功率因數(shù)變化表達(dá)，項(xiàng)目節(jié)電力Δ(ΔP)為

(5)

式中conθ、cosθ′——補(bǔ)償前后的功率因數(shù)；

P′、UN、R、QC、K等參數(shù)同上。

2.3　主要參數(shù)的測(cè)量與確定

采用功率因數(shù)法，最主要的是測(cè)算項(xiàng)目邊界范圍內(nèi)配網(wǎng)的等效電阻R。因電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，一般較難獲取。本文僅介紹無(wú)功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量法的相關(guān)參數(shù)的測(cè)量與確定方法。

無(wú)功補(bǔ)償項(xiàng)目的節(jié)電量表示為

(6)

在負(fù)荷不變條件下，根據(jù)有功功率、無(wú)功功率及功率因數(shù)之間的關(guān)系，可得

QC=P·(tanθ-tan′θ)

(7)

式中tanθ、tan′θ——補(bǔ)償前后輸入相電流滯后相電壓相角的正切值。

對(duì)于實(shí)際運(yùn)行不足一年的情況下，報(bào)告期實(shí)際供電量數(shù)據(jù)無(wú)法獲取，可以保證的是在全社會(huì)用電量不斷提升的背景下，改造后配電臺(tái)區(qū)全年供電量必將大于改造前全年供電量，因此，從保守原則出發(fā)，可以選定改造前全年實(shí)際用電量為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

同時(shí)，平均功率因數(shù)由供電公司提供，受測(cè)量設(shè)備、抄表管理等方面影響，可能有少量數(shù)據(jù)存在誤差。建議加強(qiáng)分析功率因數(shù)的變化規(guī)律，合理確定補(bǔ)償前后的功率因數(shù)。

在國(guó)家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償裝置節(jié)約電力電量與驗(yàn)證規(guī)范》(Q/GDW11036-2013)[14]中，也給出一個(gè)近似等效公式

(8)

式中QN——最大補(bǔ)償量，即無(wú)功補(bǔ)償裝置的裝機(jī)容量；

τmax——最大負(fù)荷損耗小時(shí)數(shù)。

根據(jù)Q/GDW11036-2013附表A.1，例如功率因數(shù)0.95，統(tǒng)計(jì)實(shí)際最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)Tmax為4 500 h，查表得最大負(fù)荷損耗小時(shí)數(shù)τmax取為2 700 h。

(2)C的確定

C是無(wú)功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量[11]，與補(bǔ)償點(diǎn)無(wú)功功率、電壓以及補(bǔ)償點(diǎn)至電源點(diǎn)的所有串聯(lián)元件的電阻有關(guān)。典型無(wú)功補(bǔ)償位置的無(wú)功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量值，如表2所示。

表2無(wú)功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量推薦值

無(wú)功補(bǔ)償位置C發(fā)電廠母線直配0.02～0.04變電站0.05～0.07配電變壓器0.08～0.10校正前功率因數(shù)已達(dá)到0.9及以上0.02～0.04

(3)K的確定

K為無(wú)功補(bǔ)償裝置損耗率，由廠家提供。如補(bǔ)償裝置為電容器，則K=tanθ，其中tanθ為介質(zhì)損耗角正切值，以出廠值為準(zhǔn)。表3為典型介質(zhì)損耗角正切值。

表3典型介質(zhì)損耗角正切值

介質(zhì)二膜一紙全膜三紙二膜tan θ0.000 80.000 50.001 2

3　案例分析

為提高江蘇省配網(wǎng)輸電效率，實(shí)現(xiàn)江蘇配網(wǎng)節(jié)能減排，對(duì)江蘇省10 kV以下配網(wǎng)實(shí)施綜合無(wú)功補(bǔ)償節(jié)能改造。選擇在邳州農(nóng)網(wǎng)13個(gè)公變和專變用戶實(shí)施低壓集中補(bǔ)償，總補(bǔ)償容量為810 kvar?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果顯示，通過安裝無(wú)功補(bǔ)償裝置后，各個(gè)變壓器低壓輸出側(cè)的功率因數(shù)普遍提高到0.95左右，具體參數(shù)及投資情況見表4。

表4邳州配網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償項(xiàng)目節(jié)能量及投資情況

序號(hào)臺(tái)區(qū)名稱容量/kVA補(bǔ)償容量/kvar補(bǔ)償前有功電量/kWh補(bǔ)償前功率因數(shù)補(bǔ)償后功率因數(shù)節(jié)能量/kWh投資額/元電容/60元·kvar-1附件其他費(fèi)用/元1公變李場(chǎng)區(qū)變20060424 1090.9270.9959 2903 6003 0002公變劉莊工業(yè)16060203 5150.7550.9377 2633 6003 0003公變?nèi)A莊工業(yè)31590403 6000.80.92810 1285 4004 0004公變賀莊村莊變20090363 9630.890.999 6915 4004 0005公變?nèi)A莊扶貧200120620 4400.8720.9713 8817 2005 0006公變劉莊扶貧20090409 7410.8450.96911 1485 4004 0007公變黃堰村南變10060314 2830.858 50.96775553 6003 0008公變黃堰村北變10060373 7970.8670.98410 5953 6003 0009公變大劉莊變10060285 5210.9430.983 0813 6003 00010專變弘華木業(yè)廠8030116 0610.7880.98550651 8002 00011專變劉兆輝803069 5360.8180.9792 4781 8002 00012專變喜達(dá)水泥廠12530122 2230.7810.98454441 8002 00013專變劉新林板廠803043 9490.6650.9372 3741 8002 000合計(jì)1 94081097 99348 60040 000

該項(xiàng)目節(jié)電量采用無(wú)功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量法，選取無(wú)功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量推薦值0.08，無(wú)功補(bǔ)償介質(zhì)損耗正切角按“二膜一紙”選取為0.000 8，則項(xiàng)目年節(jié)電量為97 993 kWh。按公變電價(jià)0.58元/kWh、專變電價(jià)0.8元/kWh，計(jì)算年節(jié)電收益為60 215元。項(xiàng)目總投資88 600元，則項(xiàng)目靜態(tài)回收期為1.47年。

4　結(jié)論

結(jié)合配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)膸追N技術(shù)方案，本文介紹了一種簡(jiǎn)易的項(xiàng)目節(jié)電量的測(cè)算方法，并從合理性、保守性、可操作性角度，講述了相關(guān)參數(shù)的獲取方式。通過案例分析，證實(shí)配網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償項(xiàng)目效益良好，投資回收期較短，適合我國(guó)配網(wǎng)節(jié)能改造項(xiàng)目的開展。