徐蕊妍

(上海市安全生產(chǎn)科學(xué)研究所，上海 200233)

表1 上海電網(wǎng)低壓側(cè)配電站無功補償及諧波治理設(shè)備安裝調(diào)查表

上海電網(wǎng)低壓側(cè)的功率因數(shù)普遍偏低，采用力率調(diào)節(jié)的罰款手段并不能從根本上解決因功率因數(shù)偏低而造成的線路損耗問題，同時無功導(dǎo)致的用戶出線電纜末端電壓下降問題也得不到根治。本文對上海電網(wǎng)典型低壓側(cè)的無功和諧波情況進(jìn)行調(diào)研并提出治理措施，有利于為大用戶用電咨詢提供依據(jù)，對提高供電服務(wù)有很大的幫助。

1 上海電網(wǎng)低壓側(cè)無功及諧波現(xiàn)狀

目前上海電網(wǎng)低壓側(cè)配電站內(nèi)針對無功污染，配置傳統(tǒng)電容器投切型無功補償設(shè)備，但針對諧波污染，無論電業(yè)站，還是用戶站，均沒有配置相應(yīng)的補償設(shè)備。

諧波污染也會對電力設(shè)備和用戶設(shè)備帶來很大的危害。所以對上海電網(wǎng)典型低壓側(cè)的無功和諧波情況進(jìn)行調(diào)研和分析，設(shè)計并實踐采用新技術(shù)和新設(shè)備的治理方案，對國網(wǎng)上海市電力公司采用何種技術(shù)和管理手段來降低線損，為大用戶用電咨詢提供依據(jù)，提高供電服務(wù)有很大的幫助。

國網(wǎng)上海市電力公司各供電分公司低壓側(cè)配電站無功補償及諧波治理設(shè)備的安裝情況如表1所示。

由表1可以看出，上海電網(wǎng)大部分低壓側(cè)配電站內(nèi)配置傳統(tǒng)電容器投切型無功補償設(shè)備，而動態(tài)無功補償設(shè)備、有源電力濾波器(APF)等無功補償效果好，濾波性能好的設(shè)備卻未能大量采用或基本未采用。由于諧波影響等，上海電網(wǎng)大部分低壓側(cè)配電站電容器投切型無功補償設(shè)備不能正常使用，這既造成設(shè)備投資浪費，又無法解決功率因數(shù)偏低的問題。

為了保障電網(wǎng)的安全和優(yōu)質(zhì)供電，國網(wǎng)上海市電力公司自2007年起，經(jīng)過一期和二期的建設(shè)，建立了覆蓋0.4 kV到500 kV電壓等級，擁有近300個專業(yè)監(jiān)測點的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)。通過整合公司已有信息資源，無縫接入了其他系統(tǒng)約3 500個監(jiān)測點數(shù)據(jù)，從而成為目前國內(nèi)外最大的電能質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)。

上海電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)中包含0.4 kV電壓等級的監(jiān)測點17個，其他系統(tǒng)接入的監(jiān)測點為29個，涉及居民、商業(yè)、工業(yè)等典型負(fù)荷。國網(wǎng)上海市電力公司市區(qū)供電公司諧波調(diào)查的監(jiān)測點均為低壓非工業(yè)負(fù)荷，在低壓設(shè)備受電端無功補償設(shè)備大部分為電容器投切型無功補償設(shè)備，由于電容器投切型無功補償設(shè)備響應(yīng)時間過慢，并未采取諧波濾除措施。因此，低壓設(shè)備產(chǎn)生的電壓波動、閃變、諧波通過供電公司低壓配電系統(tǒng)，進(jìn)而影響上級電網(wǎng)。若要徹底阻斷低壓設(shè)備產(chǎn)生的諧波流向上級電網(wǎng)，必須安裝諧波濾除裝置。而市區(qū)供電公司反映的僅僅是上海電網(wǎng)的一小部分低壓配電站，為保證上海電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，應(yīng)在上海電網(wǎng)全面推廣無功補償及諧波治理裝置。

近年來, 上海電網(wǎng)負(fù)荷增長迅猛, 日趨復(fù)雜、多樣化，建議采用先進(jìn)的動態(tài)無功及諧波治理設(shè)備來設(shè)計治理方案，以分析動態(tài)無功及諧波治理設(shè)備在低壓側(cè)的技術(shù)可行性、運行效果、效益產(chǎn)生，為今后上海電網(wǎng)典型低壓側(cè)的無功及諧波治理設(shè)備的選型提供參考依據(jù)。

2 上海電網(wǎng)低壓側(cè)無功及諧波治理模式

2.1 治理模式

電力系統(tǒng)存在大量的無功負(fù)荷，使電力系統(tǒng)在傳輸有功功率的同時輸送大量的無功功率，造成線路電壓損失加大和有功損耗增加，降低系統(tǒng)的功率因數(shù)，使電網(wǎng)的供電質(zhì)量惡化。低壓電網(wǎng)是電力網(wǎng)末梢，電壓低傳輸同樣的電能造成線路電壓損失要高于高電壓網(wǎng)絡(luò)，因此加強對低壓供配電網(wǎng)無功補償，保持無功平衡，對于保證電能質(zhì)量，降低配電網(wǎng)損耗，提高配電網(wǎng)的輸送能力和設(shè)備利用率具有重要的作用和意義。

配電網(wǎng)無功補償應(yīng)遵循“全面規(guī)劃，合理布局，分級補償，就地平衡”的基本原則，按照變電站的配電臺區(qū)集中補償，用戶終端就地分散補償和配電線路分散補償?shù)脑瓌t，實現(xiàn)無功功率的分級平衡。

按照治理策略的不同，主要分為供電企業(yè)治理、用戶治理以及能源合同管理。

2.2 運營模式

2.2.1供電企業(yè)治理模式

(1)供電企業(yè)治理模式主要是針對輸電網(wǎng)的無功平衡，在配電網(wǎng)變壓器380 V側(cè)進(jìn)行集中補償，是普遍采用的一種模式。在此模式下，補償裝置可以采用新型動態(tài)無功及諧波治理裝置，根據(jù)用戶負(fù)荷水平的波動，投入補償裝置自動進(jìn)行跟蹤補償。

(2)在配電系統(tǒng)中，除了專用變壓器外，還有許多公用變壓器，公用變壓器通常安裝在戶外的桿架上，并且負(fù)荷率普遍較低，如果在每臺公用變壓器上安裝無功補償裝置，就會造成設(shè)備投資大，利用率低，經(jīng)濟性差，并且難于維護(hù)、控制和管理。

(3)當(dāng)380 V低壓配電線路較長且負(fù)荷較重，而且只對大容量負(fù)荷就地補償時，線路中仍有大量的無功功率在流動，使低壓配電網(wǎng)線損及電壓損失較大。為了減小線損及電壓損失，可采用在低壓線路上進(jìn)行無功補償。

如果以減少線路有功損耗作為優(yōu)化目標(biāo)，可采用經(jīng)典優(yōu)化模式“三分之二法則”，作為低壓配電線路無功優(yōu)化補償?shù)幕灸Ｊ?，即單點補償?shù)攸c選在離線路首端2/3處，補償容量為無功負(fù)荷的2/3。

2.2.2用戶治理模式

用戶治理模式是指將無功補償或諧波治理裝置直接裝在用電設(shè)備附近，與用電設(shè)備并聯(lián)，對電動機等用戶負(fù)載就地補償。

與其他方式相比，優(yōu)點是能減少線損和電壓損失，改善電壓質(zhì)量，提高線路供電能力。缺點是低壓無功補償通常按配電變壓器低壓側(cè)最大無功功率需求來確定安裝容量，而各配電變壓器負(fù)荷波動的不同時性造成了大量電容器在輕載時的閑置，設(shè)備利用率不高。

2.2.3能源合同管理模式

能源合同管理模式是適應(yīng)“十一五”節(jié)能規(guī)劃要求而產(chǎn)生的國內(nèi)較新型的能源管理模式。與傳統(tǒng)的能源管理和節(jié)能改造模式相比，能源合同管理是一種市場機制，達(dá)到項目節(jié)能減排的社會效益目標(biāo)的同時，還能為合同雙方帶來經(jīng)濟效益。

目前，美國的能源合同管理較為普遍采用的是保證節(jié)能收益的合同方式，合同中規(guī)定了能源服務(wù)公司為客戶實施節(jié)能項目后必須達(dá)到的節(jié)能收益指標(biāo)；如果沒有達(dá)到，能源服務(wù)公司必須對未完成的合同內(nèi)容進(jìn)行賠償。

在中國，能源合同管理模式尚處于起步階段。能源服務(wù)公司尚未建立起足夠的商業(yè)信譽，也缺乏良好的經(jīng)營業(yè)績，所以較難獲得客戶的信任；另一方面，外部環(huán)境也不完善，不僅企業(yè)無功補償?shù)恼J(rèn)識需要再提高，對于相關(guān)的法律體系也尚未完善，還需要統(tǒng)一的無功補償?shù)臏y試、驗證標(biāo)準(zhǔn)以及對完成無功補償目標(biāo)企業(yè)的政策支持。

3 上海電網(wǎng)低壓側(cè)無功及諧波治理案例

3.1 工業(yè)案例

對工業(yè)案例(某塑膠企業(yè))采用了動態(tài)無功補償及諧波治理裝置加電容器投切補償方式的改善措施，在節(jié)能降耗方面取得了明顯效果。

治理前諧波測量情況統(tǒng)計見表2。

表2 治理前諧波測量情況統(tǒng)計

治理后諧波測量情況統(tǒng)計見表3。

表3 治理后諧波測量情況統(tǒng)計

表3中,電壓總諧波畸變率THDU=2.33%，小于國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》中電壓總諧波畸變率THDU<5.0%的規(guī)定。奇次諧波電壓含有率也小于規(guī)定。功率因數(shù)由原來的0.60～0.80提高到0.98左右，電流波形基本接近于正弦波，大大降低了畸變率，整個治理達(dá)到了滿意的效果。

3.2 上海大眾汽車某廠車身車間

采用合同能源管理運行模式，由節(jié)能公司和上海大眾合作配置動態(tài)無功及諧波治理裝置加晶閘管投切式電容器組進(jìn)行無功補償及諧波治理并且對中線電流的諧波分量有補償能力。補償前、后系統(tǒng)側(cè)各次諧波電流對比表見表4至表7。

由表4至表7所示，電流波形比補償前有明顯改善，其中，A、B、C相電壓總畸變率分別由4.2%，4.4%，4.3%降低到1%以下，電流總畸變率分別由29.8%，28.7%，30.5%降低到4%以下，補償后電壓、電流相位基本相同，功率因數(shù)在0.95以上。

此外，對于上海大眾汽車某廠車間而言，配置動態(tài)無功補償和諧波治理裝置能降低變壓器損耗，提高基波功率因數(shù)，改善10/0.4 kV電網(wǎng)的電能質(zhì)量。采用合同能源管理模式治理方案，由節(jié)能公司及大眾雙方共同出資，并由節(jié)能服務(wù)公司負(fù)責(zé)項目的組織實施，社會大眾汽車某廠負(fù)責(zé)項目的設(shè)備使用，項目投資四年可全部回收。

3.3 居民案例的改善

本項目對居民案例采用了動態(tài)無功補償及諧波治理裝置加電容器投切補償?shù)母纳拼胧?，針對性的采用供電企業(yè)治理模式，節(jié)能降耗方面取得了明顯效果，如表8所示。

表8 設(shè)備投運前后數(shù)據(jù)比較

由表8可知，安裝動態(tài)無功功率補償和諧波治理綜合裝置，能夠有效濾除系統(tǒng)諧波電流和動態(tài)補償無功功率；濾除后系統(tǒng)諧波電流總畸變率小于5%，諧波電壓總畸變率也得到明顯降低，改善了系統(tǒng)電能質(zhì)量；補償后系統(tǒng)功率因數(shù)從原有0.95左右，提高到0.98左右，明顯提高了系統(tǒng)運行功率因數(shù)。

表4 補償前、后系統(tǒng)側(cè)各次諧波電流(A相)對比表

表5 補償前、后系統(tǒng)側(cè)各次諧波電流(B相)對比表

表6 補償前、后系統(tǒng)側(cè)各次諧波電流(C相)對比表

表7 補償前、后系統(tǒng)側(cè)各次諧波電流(N相)對比表

3.4 商業(yè)案例的改善

對商業(yè)案例采用了動態(tài)無功補償及諧波治理裝置加電容器投切補償?shù)母纳拼胧?，在?jié)能降耗方面取得了明顯效果。

(1)治理前諧波測量情況統(tǒng)計。實測結(jié)果表明,該辦公建筑諧波含量高,以3次倍數(shù)諧波為主；由于3次倍數(shù)諧波電流的疊加,中性線電流非常大。

(2)治理后諧波測量情況統(tǒng)計。濾波裝置投運前系統(tǒng)總電流波形畸變嚴(yán)重，電流總諧波畸變率 THDI為l5%，電壓總諧波畸變率THDV為 10%。 濾波裝置投運后系統(tǒng)總電流波形畸變得到了明顯改善，電流總諧波畸變率THDI下降到1.5%，電壓總諧波畸變率THDV下降到1.0%。

4 結(jié)語

目前上海電網(wǎng)低壓側(cè)配電站內(nèi)配置的傳統(tǒng)電容器投切型無功補償設(shè)備，由于諧波影響等，不能正常使用，這既造成設(shè)備投資浪費，又無法解決功率因數(shù)偏低的問題。同時諧波污染的問題也一直沒有很好的治理措施。本文將采用先進(jìn)技術(shù)的動態(tài)無功及諧波治理設(shè)備來設(shè)計治理方案，并結(jié)合現(xiàn)場實際運行，以分析動態(tài)無功及諧波治理設(shè)備在低壓側(cè)的技術(shù)可行性、運行效果、效益產(chǎn)生，為今后上海電網(wǎng)典型低壓側(cè)的無功及諧波治理設(shè)備的選型提供參考依據(jù)。