龍鴻昌

山西金鼎潞寶能源科技有限公司

摘要：一般的電力用戶系統中，以電機、變壓器等感性負載為主，電壓超前電流，無功功率呈現感性特點，導致功率因數降低，往往通過投入電容器等容性設備進行無功功率補償，提高功率因數，但有些用戶的用電系統由于發電機或同步電機的存在，呈現容性的特點，就不能通過再增加容性設備去提高功率因數，本文借助具體實際案例，通過對三相三線智能電能表四象限計量功能進行詳細的分析和研究，深入剖析容性用電系統中用電功率的無功分量性質及組成，采取對應的調整手段，達到提升功率因數的目的。

關鍵詞：電能的無功分量；低負荷；功率因數；感性無功；容性無功

0  引言

在交流電路的電力系統中，當電壓與電流之間存在相位差時，無功功率分量便產生，該分量雖不直接參與對外做功，卻在電源與負載之間進行能量的周期性交換^【1】。無功功率分量對于某些電氣設備的正常運行至關重要，但無功功率的存在會占用電源容量，導致電源提供的有功功率相應減少^【2】，電力公司通常將控制功率因數作為管控無功功率的手段，以降低電網損耗、提升輸電設備的使用效率，調節無功功率以確保進線線路功率因數滿足供電公司規定的最低標準，是用電企業必須解決的關鍵問題。功率因數的計算公式為：

計算時需取其絕對值之和。假設在用戶有功電量保持不變的前提下，提升功率因數的策略是減少無功電量的吸收和倒送。目前，實現無功補償的主要技術包括并聯電容器、靜止無功補償器（SVC）和動態無功補償器（SVG）調相機、有源濾波器等。這些技術均能實現有效的補償效果^【3】。然而，在用戶所需電網的有功功率極低的情況下，電容補償可能會導致頻繁的自動投切，難以控制。此外，采用SVC或SVG等設備時，投入產出比可能會降低。因此，在現有條件下，精確控制無功功率成為首選策略。為了精確控制無功功率，在此通過電能的四象限計量進行精準分析，以確定無功功率的感性或容性特性，并據此采取適當的補償措施，以實現提高功率因數的目標^【4】。

1  提出問題

在某煤焦化企業的電力一次系統圖中，可見一座35KV變電站的配置。該變電站設計包含兩路35KV進線，其中一路由進線2開關413供電。在運行過程中，兩臺主變有載調壓開關在第一檔位，10KV母線電壓在10.5KV，功率因數保持在0.97的穩定水平，而進線2的功率因數僅為約0.75。在三個月的時間內，企業因功率因數未達標而遭受的罰款累計已超過100萬元。因此，降低10KV母線電壓和提升進線功率因數已成為該企業迫切需要解決的關鍵問題。

圖一  電力一次系統圖

2  問題分析

2.1  進線間隔413

2.1.1  電量統計

該間隔采用DSZ178型三相三線智能電能表，依據《多功能電能表通訊協議》DL/T645-2007標準，設定一個平面坐標系，其中橫軸代表有功功率，縱軸代表無功功率。該坐標系將平面劃分為四個象限，逆時針方向依次為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ象限。在第一象限中，無功功率為正值，此時電能表測量的是負載消耗的感性無功電能；在第二象限，無功功率同樣為正值，電能表測量的是負載消耗的容性無功電能；在第三象限，無功功率為負值，電能表測量的是負載向電網反饋的感性無功電能；在第四象限，無功功率亦為負值，電能表測量的是負載向電網反饋的容性無功電能^【5】。進線間隔413三個月內無功電能表的計量數據如表一所示（CT變比為600/5，PT變比為35000/100）。

表1  變電站進線413無功電量統計

無功電量，即無功功率隨時間的積分，是建立磁場所必需的。在電網參考框架下，當負載呈現感性特性時，電流相對于電壓滯后，此時無功功率從電網流向負載，電網需提供相應的感性無功功率。相反，若負載呈容性特性，電流則領先于電壓，無功功率的流向則為從負載返回至電網。

根據表一數據，35KV變電站從外部網絡吸收了88200kvarh的感性無功電能，未吸收任何容性無功電能，同時向外部網絡反饋了252000kvarh的感性無功電能以及1083600kvarh的容性無功電能。進線處的無功電量主要分布在第四象限，表明無功電量的輸出以容性無功為主。

2.1.2  該間隔無功功率變化曲線

圖2、圖3及圖4展示了進線413間隔在連續三個月期間無功功率變化的曲線圖。

圖2  第一月無功功率變化曲線

圖3  第二月無功功率變化曲線  

 圖4  第三月無功功率變化曲線

觀察圖二所示的月度無功功率變化曲線，可以發現其平均值大致分布在-1Mvar區間。圖三所展示的月度無功功率變化曲線，其平均值主要集中在-2Mvar區間。進一步分析圖四，該月度無功功率變化曲線的集中趨勢亦顯示在-1Mvar區間。

3.1.3、功率因數計算

在間隔413處，有功負荷長期穩定在0.5-1MW區間，三個月累計吸收的有功電量約為WP=750*24*90=2160000KWh，即162萬KWh。在計算功率因數時，所涉及的無功電量包括從電網流向用戶的無功電量絕對值與從用戶流向電網的無功電量絕對值之和。因此，參與計算的總無功電量為：

2.2  同步發電機組

2.2.1  同步發電機

在35KV開關站35KVⅡ段母線，配置了一臺額定容量為30MW的同步發電機組。該機組通過414間隔實現并網接入。該同步發電機組具備向電網提供感性無功功率或容性無功功率的能力。具體而言，當發電機的勵磁電流較高時，其向電網輸送的無功功率表現為感性；反之，當勵磁電流逐漸減小，發電機端電壓隨之下降，而電網電壓保持不變，此時發電機定子繞組中的感應電動勢低于電網電壓，電樞呈現助磁效應，導致定子電流相位超前于端電壓，從而使得發電機輸出容性無功功率^【6】。

2.2.2  無功分量四象限分析

  表二展示了414間隔三相三線智能電能表在四象限無功電能統計方面的數據：

表2  發電機組并網線414無功電量統計

（CT:600/5，PT:35000/100）

根據表2的數據分析，可以明確地觀察到發電機在運行過程中并未從電網中吸收感性無功功率，同時未從外部電網獲取容性無功功率，亦未向外部電網回饋容性無功功率。在414間隔的無功功率記錄中，所有無功電量均位于第三象限，這表明該發電機僅向電網提供了感性無功功率，總量為1386000kvarh。

2.3  同步電動機

2.3.1  同步電動機

在35KV開關站主變低壓側10KV II段母線上配置有一臺同步電機負荷。通過調節該同步電動機的勵磁電流，其功率因數得以調整。當勵磁電流處于較低水平時，電動機表現為感性負載，類似于常規的異步電動機，需要從電網吸收感性無功。隨著勵磁電流的逐步提升，功率因數可達到1的臨界值。若繼續增加勵磁電流，電樞電流超前于端電壓，電動機功率因數處于超前狀態，相當于一個容性負載，向電網發出感性無功，相當于吸收電網的容性無功，通常同步電機運行與過勵狀態^【7】。

2.3.2  無功分量分析

表3展示了該同步電機三相三線智能電能表在四象限無功電能計量方面的統計數據。

表3  同步電動機無功電量統計

（CT:1000/1）

根據表3的數據分析，可以觀察到同步電機并未從電網中吸收感性或容性無功功率，其無功功率的交換完全集中在第四象限，表明該電機向電網回饋了3260000kvarh的容性無功功率。

2.4  分析小結

在10KV側未投入高壓電容補償柜的情況下，10KV母線功率因數依然保持在較高水平，其原因在于系統中存在一臺同步電機負載，該負載向電網提供容性電流。此外，380V低壓側亦投入了一定數量的低壓電容補償柜，導致10KV系統中的容性無功功率分量超過了感性無功功率分量，使得10KV系統處于功率因數超前的運行狀態^【8】。然而，這種運行狀態具有顯著的危害性，容易與系統中的感性元件形成諧振條件，進而引起10KV系統電壓升高，并可能導致系統諧波的放大，對其他設備產生諧波干擾，影響其正常運行。

由于企業內部配備有自備發電機組，企業對電網的有功功率需求相對較低，平均只有0.75MW左右，同時向電網輸送容性功率，導致413間隔進線的視在功率中容性功率分量較大。盡管自備發電機組向系統提供了部分感性功率，但這一輸入量仍不足以逆轉系統的容性特性，綜合以上有功和無功功率情況，造成了35KV進線413間隔的功率因數持續偏低。

了解清楚進線413間隔有功、無功的大小和性質后，就不能盲目的通過簡單增加電容補償的方法去提高該企業的進線功率因數，

3  解決問題

3.1  通過以上分析，有以下幾種解決問題的辦法

    尋找新的用電負荷，通過企業多用電，直接增加413進線有功功率輸入值，提高有功功率在視在功率中的占比，實現功率因數的提高，但目前，企業的用電總負荷比較穩定，沒有新負荷可增加，所以這個辦法暫時行不通。

    降低發電機組并網點414間隔的并網電量，在企業總用電負荷穩定的情況下，通過少發電，間接的增加413進線間隔有功功率輸入，提高有功功率占比，進而提高功率因數，企業目標是實現經濟效益的最大化，顯然不可能為了功率因數的提高，白白浪費掉生產中產生的預熱、余氣等二次能源，減少發電量，提高從供電公司購買電量。

    適當增加發電機組的勵磁電流，提高發電機組向外反饋的感性無功功率，用于抵消系統的一部分容性無功，但是由于需要增加的感性無功體量很小，并且目前發電機組輸出電壓已經很高，如果增加或頻繁調整勵磁電流，不利于機組的平穩運行并且造成發電機組端電壓的進一步升高。

    根據企業進線413間隔無功電量構成分析，第四象限的容性無功占比最大，減少第四象限的無功功率，容易減少總的無功功率，提高功率因數。目前3KV變電站10KV高壓電容組的沒有投入，但可以減少380低壓側無功補償的投入，當減少低壓側電容組投入量時，由于高壓側和低壓側的電氣聯系，高壓側向電網反向反饋的無功電量也會隨著較少，進而實現提高功率因數的目的。

3.2  需切除電容容量計算

3.2.1  無功功率平均值

根據表一數據，計算切除電容器前進線413間隔各種無功功率平均值為：

從電網吸收的感性無功功率：

3.2.2  調整后的無功功率計算

3.2.3  需要減少的無功功率

 取整，需要減少300kvar的無功功率

3.3  應用實踐

 通過以上分析和計算，結合企業低壓補償的具體情況，實際退出低壓無功補償350kvar，

實際切除后的總無功功率 ：

實際切除后功率因數：

在沒有增加硬件投資的前提下，通過分析計算，切除低壓補償電容，本企業實際運行功率因數穩定在0.92左右，滿足了供電公司的要求，避免了罰款考核，同時降低了電力損耗，提高了煤焦化企業的經濟效益。

4  結語

    通過三相三線智能電能表的四象限計量特性，正確分析電能無功分量組成、方向及性質，有針對性的減少無功分量，而不是盲目的通過多投入電容組去提高功率因數，功率因數達標，不僅僅避免了供電部門對企業的考核，降低煤焦化企業的用電成本，而且可以改善電壓質量、減少線路損耗、提高發電和供電設備的利用率，意義重大。

參考文獻

[1] 孟垂懿，孫笑雨，宋孚紅，等.無功補償技術在智能電網中的應用[J].電工材料，2021(02):75-77.

[2] 歐劍雄，對無功功率及相關概念常見的認識誤區[J]，物理教師，2015（11）:7-10

[3] 張仕民,葉選茂,姜齊榮.配網及用戶側供電安全與電能質量[J].四川電力技術.2005,(4).52-55

[4] 張勇軍,任震,李邦峰.電力系統無功優化調度研究綜述[J].電網技術.2005,(2).DOI:10.3321/j.issn:1000-3673.2005.02.011 .

[5] 黃一洋,三相三線電能表第一元件電流顯示負值的原因[J],農村電工.2021年第12期53-53

[6] 黃康，同步發電機勵磁控制研究綜述[J]， 電氣應用，  2022年第9期9-10

[7] 李永東， 交流電機數字控制系統 [M].機械工業出版社,2002

[8]劉介才.工廠供電[J].北京：機械工業出版社，2013：258-270

[9]李國瑞.電氣控制技術[M].北京：機械工業出版社，2011.3：180-185.

[10] 王軍政 宋新凱，電力系統功率因數測量與補償技術[J]，數字化用戶，2024年44期