杨凌LNG工厂功率因数治理策略分析及改造创新实践

贾飞

摘要：本文从杨凌LNG工厂生产过程中存在的功率因数不达标问题展开论述，分析了不达标的原因，提出了电抗器、SVC、SVG三种改造方案并进行分析比较，重点阐述了SVG的控制策略，确定了最优的SVG方案并进行改造创新实践，通过动态控制考核点的无功功率，使杨凌LNG工厂存在的功率因数问题得到了有效解决，提高了企业设备管理水平，为企业带来了良好的经济效益。

关键词：功率因数治理；SVG；充电功率

0引言

LNG 行业是国家鼓励的新能源产业，正越来越多的得到认可，并且近几年国内LNG 工厂的建设数量和规模都得到了突飞猛进的发展。LNG工业的发展离不开电力系统的支称，杨凌LNG工厂设置1座110KV变电站（燃气变），主变容量2×40MVA，全厂正常生产情况下负荷约3.3万KW，工厂电气设备种类繁多，包括变压器、电动机、变频器等，这些设备作为生产过程的重要环节，组成了工厂电气系统。电气设备实际运行过程中经常会暴露出一些设计、选型、制造等方面的缺陷，导致出现安全风险、经济损失，甚至造成人身伤亡事故。杨凌LNG工厂存在的功率因数不达标问题给企业造成了较大的经济损失，对此问题进行研究解决，显得尤为紧迫。本文以在杨凌LNG工厂实施的功率因数改造创新案例展开探讨。

1背景

杨凌LNG工厂燃气变由永安变通过两条约5公里110KV电缆（1199燃永Ⅰ线，1198燃永Ⅱ线）供电。正常液化生产情况下燃气变负荷约3.3万KW，设备停车检修期间和冬季气化生产期间负荷较低（≤2500KW）。电费计量点设在永安变，两条线路各设置一个计量点。正常生产情况下系统功率因数≥0.9，设备停车检修期间和冬季气化生产期间系统功率因数为＜0.9，达不到供电局的考核要求而产生功率因数罚款。杨凌LNG工厂2020年每月用电数据见表1，表1中功率因数调整电费为正表示罚款、为负表示奖励。

2问题分析

2.1基本用电情况：

杨凌LNG工厂2020年每月用电主要数据
项  月份  月份 目	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
功率因数	0.52	0.51	0.98	0.97	0.98	0.98	0.98	0.98	0.94	0.98	0.98	0.94
功率因数调整电费（万元）	30	42	-1	-8	-6	-8	-7	-8	-4	-8	-8	-2
有功电量（万KWH)	142	203	583	2163	1550	2195	1967	2334	1403	2212	2163	645
无功电量（万Kvarh)	235	345	248	440	372	468	436	515	488	475	439	224

表1：杨凌LNG工厂2020年每月用电主要数据

根据供电局的考核规则，功率因数的大小取决于月度无功电量/有功电量的值，比值越小功率因数越接近于1，奖励电费的比率就越大，以实际产生电费为基准，最大为0.75%；比值越大功率因数越接近于0，罚款电费的比率就越大，以实际产生电费为基准，最大为145%。当功率因数恰好为0.9时，不罚不奖。

2.2无功电量分析：

由表1得出2020年1月和2月功率因数不合格的原因皆为无功电量与有功电量比值较大。杨凌LNG工厂生产状态只有三种，即液化生产、气化生产和检修。2020年1月和2月设备处于气化生产或者检修状态，系统功率约为1900KW到2800KW之间，主要是感性负载，按照设备理论功率因数0.8计算，那么根据公式：

               (1)  

得出无功功率最大值为2100Kvar，即可得出月度最大无功消耗量约为151万Kvarh，而实际中2020年1月和2月无功电量分别达到235万Kvarh和345万Kvarh，远大于设备实际消耗的无功电量，超出的这部分无功电量从哪里来？由于高压电缆具有较大的对地电容，随着电缆线路的增加，大量电缆所产生的充电功率对电网的无功平衡造成了一定影响。也就是说系统无功发生了返送，因为计量点在电缆末端供电局侧，所以表1出现的无功电量为正向无功和反向无功之和。

2.3电缆充电功率计算：

1199 燃永Ⅰ线、1198 燃永Ⅱ线两回110kV 线路，电缆型号均为：YJLW02- 64/110 1*300，该型号电缆参数表如表2。

电缆充电功率的计算公式如下：

                               (2)

          (3)                                                                                               (4)                                                                                         (5)

式中：为相电压；为线电压，此处为110KV；

表示线缆的容抗；为电缆每千米的电容量，此处为0.146；L是电缆的总长度，此处为30KM。

导体截面mm2	导体直径mm	电缆外径mm	导体电阻Ω/km		载流量	电容	短路电流kA/3S
			20℃直流	90℃交流	A	μF/km	导体	金属护套
300	20.6	91.1	0.0601	0.0766	597	0.146	25	22

表2：YJLW02-64/110kV电缆型号参数

由以上公式可以计算出两回路三相5km的该型号电缆充电功率约为5.5Mvar，每一回路充电功率均约为2.75Mvar。2020年1、2月设备处于气化生产或者检修状态，系统负荷约为1900KW到2800KW之间，1199和1198每条线路的负荷均在1000KW左右，不足以吸收完电缆产生的容性功率，发生无功返送。

2.4设计缺陷：

燃气变运行方式为110kV I 母、II 母分列运行，10kV I 母、II 母分列运行，I 母、II母均已加装两台2Mvar 电容器。由前述数据得知，系统在液化生产的负荷与气化生产或者检修状态的负荷比值约为10-15。在液化生产时，系统负荷为3.3万KW，主要为电动机供电，负载特性为感性，将电缆无功全部吸收，功率因数均合格；设备处于气化生产或者检修状态时，系统负荷较小，因1199和1198线路的存在使得负载特性为容性。而原来设计只在10kV I 母、II 母分别设置了2台2Mvar的电容，能够满足重载情况下容性无功补偿的需求，而忽略了轻载时长距离电缆回路存在较大充电功率、系统需要感性无功补偿的情况。

2.5总结分析：

功率因数不合格的原因如下：1.供电系统中存在较长距离电缆线路，即存在电缆充电无功；2系统有轻载且轻载时不足以吸收电缆的充电无功；3.考核点设置在电缆末端供电局侧；4.用户侧没有能够与系统相适应的感性补偿设备来消除电缆的充电无功。

3改造方案

3.1改造设备选型比较

功率因数的大小只与考核点的无功电量和有功电量有关，有功电量取决于负荷大小，不能人为控制，因此只能控制无功。对于110KV降压变电站，目前常用的无功补偿方式多是在低压侧10KV母线集中补偿。对于杨凌LNG工厂实际，治理功率因数问题在于感性无功补偿，补偿设备能够发出感性无功的量，应不低于2.75Mvar，取一定裕量，确定设备容量为3Mvar。目前市场上有三种可以提供感性无功的设备，即电抗器、SVC（静止无功补偿器）及SVG（静止无功发生器），相同容量3Mvar的这三种补偿设备的比较如表3：

序号	比较项目	电抗器	SVC	SVG
1	补偿原理	固定补偿	可控硅调节电抗加多组电容	电压源型逆变器，无功电流灵活连续可控。
2	补偿能力	感性3Mvar	感性3Mvar-容性3Mvar连续动态调节，需要通过控制电力电容器来进行分级调节，一般最低为5Kvar。	感性3Mvar-容性3Mvar连续动态调整，补偿精度0.1Kvar。
3	控制方式及闭环响应速度	人工手动投切，响应速度为s级	自动连续无功功率控制，响应时间为20-40ms。	自动动态补偿，响应速度5ms以内。
4	安全可靠性	可能会由于谐振或吸收谐波过多及频繁投切而损坏，易导致谐波电压放大。	较易发生谐振放大现象，系统电压波动大时，补偿效果受很大影响。	电流控制，电流输出可以限幅，不会发生谐振或谐波电压放大。
5	合闸涌流和过电压	易产生操作过电压	电容器投入时产生合闸涌流，切除时存在操作过电压。	无涌流和过电压情况。
6	电能质量问题	不产生高次谐波	产生较大的高次谐波	几乎不含谐波成分，同时能够抑制电压闪变。
7	运行损耗	能耗相对较小	当系统需要输出感性无功时，必须全部吸收额定的容性无功，设备损耗大。	约为SVC代表性产品（MCR或者TCR）的1/4
8	造价（万元）	约20	约40	约75
9	综合评估	只能固定补偿	可以满足补偿的量，但最明显的缺点就是有谐波的产生，难以满足危险化学品生产单位对电气系统高可靠性要求。	可以动态精准控制无功功率，满足供电质量高可靠性的要求。

表3：3种不同的补偿方案的比较

综上，虽然三种方案价格差异较大，但SVG作为目前最先进的无功补偿设备具有调节范围宽，调节灵活，响应速度非常快，精度高，产生高次谐波少，安全性好等优点，更适合杨凌LNG工厂电气系统无功功率动态精确控制和高可靠性的要求。

3.2控制策略及方案确定

拆除燃气变10KV母线侧原来的2号、3号电容器柜，在原电容器柜位置上各安装一套容量为3Mvar的SVG，采用风冷。分别对10kVⅠ段母线和Ⅱ段母线进线点电流采样，采取定功率因数模式，将电缆的充电功率偏差值写入SVG的控制程序中，根据负载的变化来动态控制SVG的输出。接线示意图（以一条线路为例）如下图1所示：

图1  SVG与系统接线示意图

上图中， 表示电缆充电无功；表示负载所需无功；表示SVG输出无功。

由前述计算可知，电缆充电无功大约为2.7Mvar，以2.7Mvar为例，将其作为SVG控制方式的偏差值，假设负载无功波动为容性0Mvar~感性2.7Mvar，则实际SVG的输出容量如下式计算得出：

= -( + )          （6）

上式中，负号表示与实际需要的无功性质相反，当负载无功为感性2.7Mvar时，那么计算出 =0Mvar，表示SVG实际输出容量为0；当负载无功为0时，计算出的=2.7Mvar，表示SVG实际输出容量为感性2.7Mvar。

有电机启动时，假设电机冲击无功5Mvar，则SVG实际输出无功为：

= -( + )=-（-2.7+5）=-2.3Mvar，即SVG需输出容性2.3Mvar。即无论负载怎样变化，110KV电缆的充电功率将几乎全部被吸收，功率因数接近1.0。理论上可以实现功率因数控制目标。

4实施结果

(1)实现了设备全自动运行，SVG输出功率在容性2.7Mvar到感性2.7Mvar之间连续可变，与系统无功需求动态匹配；(2)无论系统负载如何变化，功率因数始终≥0.99；(3)2021年2月改造完成投运当月，功率因数达到1，远高于去年同期的0.51，当月产生功率因数奖励费用2.8万元，较上年同期的罚款42万元减少44.8万元，经济效益明显。

5结论

该项改造实施后，实现了杨凌LNG工厂电气系统无功功率的动态控制，降低了人为操作风险及作业强度，保证了考核点功率因数始终≥0.99，同时也带来良好的经济效益。提升了企业技术管理水平，同时对于具有类似问题的工厂供电系统的功率因数治理具有很强的借鉴作用。

参考文献

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