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(wú)功補(bǔ)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(shí)無(wú)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(duì)上海電網(wǎng)典型低壓側(cè)的無(wú)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(duì)提高供電服務(wù)有很大的幫助。

1 上海電網(wǎng)低壓側(cè)無(wú)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(duì)無(wú)功污染，配置傳統(tǒng)電容器投切型無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，但針對(duì)諧波污染，無(wú)論電業(yè)站，還是用戶站，均沒有配置相應(yīng)的補(bǔ)償設(shè)備。

諧波污染也會(huì)對(duì)電力設(shè)備和用戶設(shè)備帶來(lái)很大的危害。所以對(duì)上海電網(wǎng)典型低壓側(cè)的無(wú)功和諧波情況進(jìn)行調(diào)研和分析，設(shè)計(jì)并實(shí)踐采用新技術(shù)和新設(shè)備的治理方案，對(duì)國(guó)網(wǎng)上海市電力公司采用何種技術(shù)和管理手段來(lái)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(guó)網(wǎng)上海市電力公司各供電分公司低壓側(cè)配電站無(wú)功補(bǔ)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(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，而動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備、有源電力濾波器(APF)等無(wú)功補(bǔ)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(wú)功補(bǔ)償設(shè)備不能正常使用，這既造成設(shè)備投資浪費(fèi)，又無(wú)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(guó)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(jí)，擁有近300個(gè)專業(yè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過整合公司已有信息資源，無(wú)縫接入了其他系統(tǒng)約3 500個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，從而成為目前國(guó)內(nèi)外最大的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)。

上海電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中包含0.4 kV電壓等級(jí)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)17個(gè)，其他系統(tǒng)接入的監(jiān)測(cè)點(diǎn)為29個(gè)，涉及居民、商業(yè)、工業(yè)等典型負(fù)荷。國(guó)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(cè)點(diǎn)均為低壓非工業(yè)負(fù)荷，在低壓設(shè)備受電端無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備大部分為電容器投切型無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，由于電容器投切型無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備響應(yīng)時(shí)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(dòng)、閃變、諧波通過供電公司低壓配電系統(tǒng)，進(jìn)而影響上級(jí)電網(wǎng)。若要徹底阻斷低壓設(shè)備產(chǎn)生的諧波流向上級(jí)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(yùn)行，應(yīng)在上海電網(wǎng)全面推廣無(wú)功補(bǔ)償及諧波治理裝置。

近年來(lái), 上海電網(wǎng)負(fù)荷增長(zhǎng)迅猛, 日趨復(fù)雜、多樣化，建議采用先進(jìn)的動(dòng)態(tài)無(wú)功及諧波治理設(shè)備來(lái)設(shè)計(jì)治理方案，以分析動(dòng)態(tài)無(wú)功及諧波治理設(shè)備在低壓側(cè)的技術(shù)可行性、運(yùn)行效果、效益產(chǎn)生，為今后上海電網(wǎng)典型低壓側(cè)的無(wú)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(wú)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(wú)功負(fù)荷，使電力系統(tǒng)在傳輸有功功率的同時(shí)輸送大量的無(wú)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(qiáng)對(duì)低壓供配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償，保持無(wú)功平衡，對(duì)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(wú)功補(bǔ)償應(yīng)遵循“全面規(guī)劃，合理布局，分級(jí)補(bǔ)償，就地平衡”的基本原則，按照變電站的配電臺(tái)區(qū)集中補(bǔ)償，用戶終端就地分散補(bǔ)償和配電線路分散補(bǔ)償?shù)脑瓌t，實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率的分級(jí)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(yùn)營(yíng)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(duì)輸電網(wǎng)的無(wú)功平衡，在配電網(wǎng)變壓器380 V側(cè)進(jìn)行集中補(bǔ)償，是普遍采用的一種模式。在此模式下，補(bǔ)償裝置可以采用新型動(dòng)態(tài)無(wú)功及諧波治理裝置，根據(jù)用戶負(fù)荷水平的波動(dòng)，投入補(bǔ)償裝置自動(dòng)進(jìn)行跟蹤補(bǔ)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(tái)公用變壓器上安裝無(wú)功補(bǔ)償裝置，就會(huì)造成設(shè)備投資大，利用率低，經(jīng)濟(jì)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(zhǎng)且負(fù)荷較重，而且只對(duì)大容量負(fù)荷就地補(bǔ)償時(shí)，線路中仍有大量的無(wú)功功率在流動(dòng)，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(wú)功補(bǔ)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(wú)功優(yōu)化補(bǔ)償?shù)幕灸Ｊ?，即單點(diǎn)補(bǔ)償?shù)攸c(diǎn)選在離線路首端2/3處，補(bǔ)償容量為無(wú)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(wú)功補(bǔ)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(duì)電動(dòng)機(jī)等用戶負(fù)載就地補(bǔ)償。

與其他方式相比，優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)是低壓無(wú)功補(bǔ)償通常按配電變壓器低壓側(cè)最大無(wú)功功率需求來(lái)確定安裝容量，而各配電變壓器負(fù)荷波動(dòng)的不同時(shí)性造成了大量電容器在輕載時(shí)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(guó)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(chǎng)機(jī)制，達(dá)到項(xiàng)目節(jié)能減排的社會(huì)效益目標(biāo)的同時(shí)，還能為合同雙方帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益。

目前，美國(guó)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(shí)施節(jié)能項(xiàng)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(duì)未完成的合同內(nèi)容進(jìn)行賠償。

在中國(guó)，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(yù)，也缺乏良好的經(jīng)營(yíng)業(yè)績(jī)，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(wú)功補(bǔ)償?shù)恼J(rèn)識(shí)需要再提高，對(duì)于相關(guān)的法律體系也尚未完善，還需要統(tǒng)一的無(wú)功補(bǔ)償?shù)臏y(cè)試、驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)以及對(duì)完成無(wú)功補(bǔ)償目標(biāo)企業(yè)的政策支持。

3 上海電網(wǎng)低壓側(cè)無(wú)功及諧波治理案例

3.1 工業(yè)案例

對(duì)工業(yè)案例(某塑膠企業(yè))采用了動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償及諧波治理裝置加電容器投切補(bǔ)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(cè)量情況統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 治理前諧波測(cè)量情況統(tǒng)計(jì)

治理后諧波測(cè)量情況統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 治理后諧波測(cè)量情況統(tǒng)計(jì)

表3中,電壓總諧波畸變率THDU=2.33%，小于國(guó)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(lái)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(gè)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(yùn)行模式，由節(jié)能公司和上海大眾合作配置動(dòng)態(tài)無(wú)功及諧波治理裝置加晶閘管投切式電容器組進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償及諧波治理并且對(duì)中線電流的諧波分量有補(bǔ)償能力。補(bǔ)償前、后系統(tǒng)側(cè)各次諧波電流對(duì)比表見表4至表7。

由表4至表7所示，電流波形比補(bǔ)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(bǔ)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(duì)于上海大眾汽車某廠車間而言，配置動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)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(xiàng)目的組織實(shí)施，社會(huì)大眾汽車某廠負(fù)責(zé)項(xiàng)目的設(shè)備使用，項(xiàng)目投資四年可全部回收。

3.3 居民案例的改善

本項(xiàng)目對(duì)居民案例采用了動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償及諧波治理裝置加電容器投切補(bǔ)償?shù)母纳拼胧?，針?duì)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(yùn)前后數(shù)據(jù)比較

由表8可知，安裝動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)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(dòng)態(tài)補(bǔ)償無(wú)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(bǔ)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(yùn)行功率因數(shù)。

表4 補(bǔ)償前、后系統(tǒng)側(cè)各次諧波電流(A相)對(duì)比表

表5 補(bǔ)償前、后系統(tǒng)側(cè)各次諧波電流(B相)對(duì)比表

表6 補(bǔ)償前、后系統(tǒng)側(cè)各次諧波電流(C相)對(duì)比表

表7 補(bǔ)償前、后系統(tǒng)側(cè)各次諧波電流(N相)對(duì)比表

3.4 商業(yè)案例的改善

對(duì)商業(yè)案例采用了動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償及諧波治理裝置加電容器投切補(bǔ)償?shù)母纳拼胧诠?jié)能降耗方面取得了明顯效果。

(1)治理前諧波測(cè)量情況統(tǒng)計(jì)。實(shí)測(cè)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(cè)量情況統(tǒng)計(jì)。濾波裝置投運(yùn)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(yùn)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(yǔ)

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(wú)功補(bǔ)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(fèi)，又無(wú)法解決功率因數(shù)偏低的問題。同時(shí)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(dòng)態(tài)無(wú)功及諧波治理設(shè)備來(lái)設(shè)計(jì)治理方案，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行，以分析動(dòng)態(tài)無(wú)功及諧波治理設(shè)備在低壓側(cè)的技術(shù)可行性、運(yùn)行效果、效益產(chǎn)生，為今后上海電網(wǎng)典型低壓側(cè)的無(wú)功及諧波治理設(shè)備的選型提供參考依據(jù)。