張 帆

(華東建筑集團(tuán)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(qiáng)調(diào)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(yàn)、主題游樂、冒險(xiǎn)等體驗(yàn)于一身的文旅項(xiàng)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(dòng)和發(fā)展。新的開發(fā)模式、新的體驗(yàn)要求也為電氣設(shè)計(jì)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(xiàng)目的電氣設(shè)計(jì)后，發(fā)現(xiàn)無功補(bǔ)償技術(shù)的合理應(yīng)用已經(jīng)成為文旅項(xiàng)目在設(shè)計(jì)供配電系統(tǒng)時(shí)，一個(gè)非常重要且需要普遍考慮的問題。筆者下文將結(jié)合句容恒大童世界文化旅游項(xiàng)目的工程實(shí)例，詳細(xì)敘述并總結(jié)項(xiàng)目中應(yīng)用無功補(bǔ)償技術(shù)的方式方法，希望為今后同類項(xiàng)目的設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程設(shè)計(jì)概況

句容恒大童世界文化旅游項(xiàng)目位于句容市主城區(qū)北部新城城南。其建設(shè)目的是為少年兒童打造的全室內(nèi)、全天候、全季節(jié)的世界頂級(jí)童話神話樂園。園區(qū)共分為一個(gè)主城堡區(qū)；璀璨中華區(qū)、探險(xiǎn)南美區(qū)、穿越太空區(qū)、神秘古國(guó)區(qū)、漫游海洋區(qū)、魔幻西歐區(qū)等六個(gè)主題區(qū)和一個(gè)兒童屋單體；南北兩個(gè)生態(tài)停車場(chǎng)(庫(kù))及童話大街，并設(shè)有一座110kV園區(qū)專用變電站(由當(dāng)?shù)仉娏υO(shè)計(jì)院設(shè)計(jì))。園區(qū)建筑功能涉及游樂、商業(yè)、餐飲、博覽、劇場(chǎng)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(fù)責(zé)設(shè)計(jì)的范圍：璀璨中華區(qū)(共13個(gè)單體)、神秘古國(guó)區(qū)(共5個(gè)單體)、兒童屋1個(gè)單體及南北兩個(gè)生態(tài)停車場(chǎng)庫(kù)等21個(gè)單體，建筑面積接近30萬m2。根據(jù)《全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施——電氣》2009年版中規(guī)定，低壓線路的供電半徑應(yīng)根據(jù)具體供電條件，干線一般不超過250m，當(dāng)供電容量超過500kW，供電距離超過250m時(shí)，宜考慮增設(shè)變電所。這恰恰符合本樂園項(xiàng)目的用電特點(diǎn)，本項(xiàng)目?jī)蓚€(gè)主題區(qū)和兒童屋基本每個(gè)游樂設(shè)施均為一個(gè)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(diǎn)。針對(duì)這樣的特點(diǎn)，在供配電設(shè)計(jì)中決定對(duì)兩個(gè)主題區(qū)按單體分布情況設(shè)置7座變電所，每個(gè)變電所負(fù)責(zé)附近的幾個(gè)單體，加上兒童屋和南北兩個(gè)生態(tài)停車場(chǎng)庫(kù)分別各設(shè)1座變電所，總共10座變電所，用電負(fù)荷接近35MVA。

2 項(xiàng)目中的無功補(bǔ)償設(shè)置

2.1 為何設(shè)置無功補(bǔ)償

對(duì)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(dá)到0.9以上，當(dāng)用戶單靠提高用電設(shè)備的自然功率因數(shù)達(dá)不到要求時(shí)，就要裝設(shè)必要的無功補(bǔ)償設(shè)備以滿足此要求。對(duì)本項(xiàng)目而言，供電部門對(duì)用戶用電的計(jì)量及功率因數(shù)的測(cè)量點(diǎn)位于110kV園區(qū)專用變電站的總進(jìn)線處，因此必然會(huì)在此處裝設(shè)高壓無功補(bǔ)償裝置來滿足功率因數(shù)的要求。但由于此110kV變電站的設(shè)計(jì)由當(dāng)?shù)仉娏υO(shè)計(jì)院完成，不在本院設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，因此本文對(duì)高壓補(bǔ)償?shù)脑O(shè)置不做過多敘述。

那么，是否僅在供電計(jì)量處設(shè)置高壓無功補(bǔ)償裝置以滿足供電部門對(duì)功率因數(shù)的要求就可達(dá)到節(jié)能的效果呢？是否有必要繼續(xù)在用戶配電網(wǎng)絡(luò)中也增加無功補(bǔ)償呢？其實(shí)是有必要的，此時(shí)從110kV變電站出線側(cè)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(cè)的配電網(wǎng)絡(luò)中依然存在著由無功負(fù)載產(chǎn)生的大量無功功率，降低了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的效能。反之對(duì)于用戶而言，如果能在用戶配電網(wǎng)路中合理進(jìn)行無功補(bǔ)償，減少無功損耗，就能降低整個(gè)配電網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)成本。

針對(duì)本項(xiàng)目的用電情況，本設(shè)計(jì)范圍內(nèi)用電負(fù)荷實(shí)在功率S為35MVA，可根據(jù)公式實(shí)際計(jì)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(dāng)于在自然功率因數(shù)下運(yùn)行，比設(shè)置無功補(bǔ)償后的高功率因數(shù)下運(yùn)行多消耗21 420 000度電，這對(duì)用戶考慮運(yùn)營(yíng)成本而言，絕對(duì)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(shí)也使整個(gè)系統(tǒng)更加安全。因此，無功功率補(bǔ)償不僅對(duì)于供電側(cè)有節(jié)約能源節(jié)省投資的作用，對(duì)于用戶側(cè)的作用和效果也十分明顯。

2.2 如何選擇無功補(bǔ)償

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

無功補(bǔ)償按照設(shè)置位置進(jìn)行分類，可以分為就地補(bǔ)償、分散補(bǔ)償、集中補(bǔ)償三類。

(1)就地補(bǔ)償：對(duì)于大型電機(jī)或者大功率用電設(shè)備宜裝設(shè)就地補(bǔ)償裝置。就地補(bǔ)償是最經(jīng)濟(jì)、最簡(jiǎn)單以及最見效的補(bǔ)償方式。由于無功負(fù)載一般為感性負(fù)載，如變壓器、配電線路、電動(dòng)機(jī)、空調(diào)等，因此使用電容器作為無功補(bǔ)償元件。在就地補(bǔ)償方式中，把電容器直接接在用電設(shè)備上，中間只加串熔斷器保護(hù)，用電設(shè)備投入時(shí)電容器跟著一起投入，切除時(shí)一塊切除，實(shí)現(xiàn)了最方便的無功自動(dòng)補(bǔ)償。

(2)分散補(bǔ)償：當(dāng)各供電末端距離變壓器較遠(yuǎn)時(shí)，宜分散在各供電末端配電柜設(shè)置無功補(bǔ)償裝置，這樣對(duì)于變壓器相對(duì)分散，而對(duì)于末端配電相對(duì)集中便于管理的補(bǔ)償方式，可以使線損大大降低，同時(shí)可以兼顧提升末端電壓的作用。

(3)集中補(bǔ)償：設(shè)置于變電站內(nèi)的無功補(bǔ)償，主要是補(bǔ)償變壓器對(duì)無功容量的需求，可以系統(tǒng)地對(duì)變壓器低壓側(cè)以下的所有負(fù)荷進(jìn)行集中的無功補(bǔ)償，可以結(jié)合考慮供電壓區(qū)內(nèi)的無功潮流及配電線路和用戶對(duì)無功補(bǔ)償效果的要求來確定無功補(bǔ)償容量。

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

(1)調(diào)相機(jī)：調(diào)相機(jī)或稱同步調(diào)相機(jī)、同步補(bǔ)償機(jī)，是較早出現(xiàn)的一類無功補(bǔ)償設(shè)備。調(diào)相機(jī)實(shí)際是一臺(tái)空載運(yùn)行的同步電動(dòng)機(jī)，利用同步電動(dòng)機(jī)在不同勵(lì)磁電流下發(fā)出或吸收無功電流的能力起到無功補(bǔ)償作用。當(dāng)正常勵(lì)磁時(shí)，調(diào)相機(jī)的電樞電流接近于零；過勵(lì)磁時(shí)，調(diào)相機(jī)向電網(wǎng)發(fā)出無功電流；欠勵(lì)磁時(shí)，調(diào)相機(jī)從電網(wǎng)中吸收無功電流。因此，調(diào)相機(jī)經(jīng)常運(yùn)行在過勵(lì)狀態(tài)，勵(lì)磁電流較大，損耗也比較大，發(fā)熱比較嚴(yán)重。以上缺點(diǎn)均大大限制了調(diào)相機(jī)的應(yīng)用范圍，目前除在高壓直流輸電線路的終端作動(dòng)態(tài)無功支持外，已很少使用。

(2)靜止無功補(bǔ)償裝置(Static Var Compensator，SVC)：是目前應(yīng)用最為廣泛的一類無功補(bǔ)償設(shè)備。SVC中的“Static”即靜止，是相對(duì)于調(diào)相機(jī)的旋轉(zhuǎn)而言，因此除調(diào)相機(jī)和SVG之外，凡是用電感或電容進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)难b置均可稱作SVC。按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)定義，SVC的投切可分為7類：機(jī)械投切電容器(MSC)、機(jī)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(zhuǎn)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(shè)備，是近年出現(xiàn)的新一代無功補(bǔ)償設(shè)備。SVG以IGBT模塊構(gòu)成的電壓源型逆變器為核心，通過實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)載電流波形，并調(diào)節(jié)橋式整流電路交流側(cè)輸出電流達(dá)到調(diào)節(jié)負(fù)載電流的幅值和相位的目的。通過以上調(diào)節(jié)，可以吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償。SVG具有響應(yīng)速度快、吸收無功連續(xù)、調(diào)節(jié)范圍廣、耗損與噪音小等突出優(yōu)點(diǎn)。而且作為有源型補(bǔ)償裝置，不僅可以跟蹤沖擊型負(fù)載的沖擊電流，而且可以對(duì)諧波電流也進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償。按特點(diǎn)來看SVG是以后發(fā)展的趨勢(shì)，響應(yīng)速度快并且集無功補(bǔ)償與有源濾波于一身，但在現(xiàn)階段來看由于發(fā)展時(shí)間較短，尚不是成熟產(chǎn)品，因此價(jià)格比較高昂，約為相同補(bǔ)償量下SVC價(jià)格的三到四倍。

2.3 項(xiàng)目具體使用情況

在了解了設(shè)置無功補(bǔ)償設(shè)置方式和產(chǎn)品的特點(diǎn)之后，將其技術(shù)結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行分析，靈活運(yùn)用于本項(xiàng)目設(shè)計(jì)當(dāng)中。具體設(shè)計(jì)思路介紹如下。

(1)針對(duì)本次設(shè)計(jì)范圍內(nèi)10處變電所采用集中補(bǔ)償?shù)姆绞?，于變壓器的低壓?cè)設(shè)置無功補(bǔ)償裝置。這樣做的目的在于，設(shè)置的無功補(bǔ)償裝置抵消了變壓器低壓側(cè)無功負(fù)載、抬高了變壓器低壓側(cè)的功率因數(shù)，使得變壓器運(yùn)行時(shí)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(yùn)行效率、保障了其運(yùn)行安全。

在集中無功補(bǔ)償裝置的選擇方面，考慮到樂園中各游樂設(shè)施在運(yùn)行時(shí)，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(dǎo)致游樂設(shè)施供電變壓器用電負(fù)載的變化隨機(jī)性比較大，所產(chǎn)生無功負(fù)載的變化隨機(jī)性也比較大。因此，針對(duì)游樂設(shè)施存在這種多變的負(fù)載特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)中選擇采用靜止無功補(bǔ)償裝置(SVC)和靜止無功發(fā)生裝置(SVG)相結(jié)合的方式進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置SVC的作用為：滿足對(duì)無變化無功負(fù)載的補(bǔ)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(duì)無功負(fù)載進(jìn)行階梯型補(bǔ)償，其中電抗器起到防止電容器與用電負(fù)載發(fā)生諧振和限制涌流的作用。設(shè)置SVG的作用為：既能夠根據(jù)隨時(shí)變化的用電負(fù)荷情況進(jìn)行連續(xù)、快速的響應(yīng)，滿足系統(tǒng)中對(duì)變化無功功率的補(bǔ)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(jié)合的補(bǔ)償方案，也不會(huì)增加太大的投資壓力，其在本項(xiàng)目變電所低壓柜中的具體運(yùn)用及接線方式，如圖1所示。

圖1 變電所內(nèi)集中無功補(bǔ)償示意圖

(2)針對(duì)其余不單獨(dú)設(shè)變電所而由區(qū)域變電所負(fù)責(zé)供電的游樂設(shè)施單體，擬根據(jù)其配電特點(diǎn)在各單體的低壓總進(jìn)線采用分散補(bǔ)償?shù)姆绞?，或稱之為低壓配電線路補(bǔ)償。其原因：(1)這些單體的用電負(fù)荷在200～350kW，其中還包括不少一、二級(jí)負(fù)荷，經(jīng)計(jì)算所需從區(qū)域變電所敷設(shè)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(jìn)行配電，將會(huì)給變電所出線和整體敷設(shè)造成巨大困難；(2)考慮到區(qū)域變電所敷設(shè)至各單體的配電電纜其敷設(shè)距離約在150～200m左右，對(duì)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(shè)方式多采用密集敷設(shè)，就會(huì)導(dǎo)致配電電纜的溫升較高，會(huì)對(duì)其使用壽命產(chǎn)生較大影響。

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

圖2 單體內(nèi)低壓配電線路補(bǔ)償柜示意圖

3 結(jié)束語