张 帆

(华东建筑集团股份有限公司上海建筑科创中心，上海 200001)

0 引言

近些年来，在强调绿色生态以及人与自然和谐共处的大背景下，集综合休闲度假、文化体验、主题游乐、冒险等体验于一身的文旅项目，成为了新兴的产业开发方向，并迅速得到了大力推动和发展。新的开发模式、新的体验要求也为电气设计带来了新的思考。笔者在参与或主持诸如主题乐园、红色文化旅游中心、展览植物园等一系列文旅类项目的电气设计后，发现无功补偿技术的合理应用已经成为文旅项目在设计供配电系统时，一个非常重要且需要普遍考虑的问题。笔者下文将结合句容恒大童世界文化旅游项目的工程实例，详细叙述并总结项目中应用无功补偿技术的方式方法，希望为今后同类项目的设计提供参考。

1 工程设计概况

句容恒大童世界文化旅游项目位于句容市主城区北部新城城南。其建设目的是为少年儿童打造的全室内、全天候、全季节的世界顶级童话神话乐园。园区共分为一个主城堡区；璀璨中华区、探险南美区、穿越太空区、神秘古国区、漫游海洋区、魔幻西欧区等六个主题区和一个儿童屋单体；南北两个生态停车场(库)及童话大街，并设有一座110kV园区专用变电站(由当地电力设计院设计)。园区建筑功能涉及游乐、商业、餐饮、博览、剧场等，用地面积1 243亩，总建筑面积约50万m2。

本次由笔者所在单位负责设计的范围：璀璨中华区(共13个单体)、神秘古国区(共5个单体)、儿童屋1个单体及南北两个生态停车场库等21个单体，建筑面积接近30万m2。根据《全国民用建筑工程设计技术措施——电气》2009年版中规定，低压线路的供电半径应根据具体供电条件，干线一般不超过250m，当供电容量超过500kW，供电距离超过250m时，宜考虑增设变电所。这恰恰符合本乐园项目的用电特点，本项目两个主题区和儿童屋基本每个游乐设施均为一个建筑单体，且又多为单层或多层建筑，形成了用电量随建筑单体分布较为分散的供配电特点。针对这样的特点，在供配电设计中决定对两个主题区按单体分布情况设置7座变电所，每个变电所负责附近的几个单体，加上儿童屋和南北两个生态停车场库分别各设1座变电所，总共10座变电所，用电负荷接近35MVA。

2 项目中的无功补偿设置

2.1 为何设置无功补偿

对供电部门来说，保持较高的功率因数可以降低供电回路的电能损耗，使得配变电资源利用率提高，有效降低电能成本，从而能够满足更多客户的供电需求。根据供电部门规定，一般要求用户的月平均功率因数达到0.9以上，当用户单靠提高用电设备的自然功率因数达不到要求时，就要装设必要的无功补偿设备以满足此要求。对本项目而言，供电部门对用户用电的计量及功率因数的测量点位于110kV园区专用变电站的总进线处，因此必然会在此处装设高压无功补偿装置来满足功率因数的要求。但由于此110kV变电站的设计由当地电力设计院完成，不在本院设计范围内，因此本文对高压补偿的设置不做过多叙述。

那么，是否仅在供电计量处设置高压无功补偿装置以满足供电部门对功率因数的要求就可达到节能的效果呢？是否有必要继续在用户配电网络中也增加无功补偿呢？其实是有必要的，此时从110kV变电站出线侧向低压配电的方向来看，配电回路上依然是自然功率因数，这意味着用户侧的配电网络中依然存在着由无功负载产生的大量无功功率，降低了整个网络的效能。反之对于用户而言，如果能在用户配电网路中合理进行无功补偿，减少无功损耗，就能降低整个配电网络的运营成本。

针对本项目的用电情况，本设计范围内用电负荷实在功率S为35MVA，可根据公式实际计算在自然功率因数(cosφ1=0.75)与提高功率因数后(cosφ2=0.92)的节电效果。

自然功率因数下的无功功率：

Q1=sin(arc cosφ1)×S=sin(arc cos0.75)×35MVA=23.15Mvar

抬高功率因数下的无功功率：

Q2=sin(arc cosφ2)×S=sin(arc cos0.92)×35MVA=13.71Mvar

可得在两种情况下无功功率差值：

QΔ=Q1—Q2=9.44Mvar，差额将近40%。

如果再将无功功率的差值折算到的耗电电能则：

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

相当于在自然功率因数下运行，比设置无功补偿后的高功率因数下运行多消耗21 420 000度电，这对用户考虑运营成本而言，绝对是不容小觑的。此外，提高功率因数后从而有效减少了线路上的电流，不仅降低了用户的投资成本，同时也使整个系统更加安全。因此，无功功率补偿不仅对于供电侧有节约能源节省投资的作用，对于用户侧的作用和效果也十分明显。

2.2 如何选择无功补偿

在论述并确立了设置无功补偿的意义后，又该如何在用户配电网路中设置无功补偿呢？首先，需要了解无功补偿的各种分类，以便在设计具体的工程项目中采用最合适、最可靠、最经济的补偿方案。

无功补偿按照设置位置进行分类，可以分为就地补偿、分散补偿、集中补偿三类。

(1)就地补偿：对于大型电机或者大功率用电设备宜装设就地补偿装置。就地补偿是最经济、最简单以及最见效的补偿方式。由于无功负载一般为感性负载，如变压器、配电线路、电动机、空调等，因此使用电容器作为无功补偿元件。在就地补偿方式中，把电容器直接接在用电设备上，中间只加串熔断器保护，用电设备投入时电容器跟着一起投入，切除时一块切除，实现了最方便的无功自动补偿。

(2)分散补偿：当各供电末端距离变压器较远时，宜分散在各供电末端配电柜设置无功补偿装置，这样对于变压器相对分散，而对于末端配电相对集中便于管理的补偿方式，可以使线损大大降低，同时可以兼顾提升末端电压的作用。

(3)集中补偿：设置于变电站内的无功补偿，主要是补偿变压器对无功容量的需求，可以系统地对变压器低压侧以下的所有负荷进行集中的无功补偿，可以结合考虑供电压区内的无功潮流及配电线路和用户对无功补偿效果的要求来确定无功补偿容量。

无功补偿按照补偿原理进行分类，可以分为调相机、静止无功补偿装置(SVC)、静止无功发生装置(SVG)三类。

(1)调相机：调相机或称同步调相机、同步补偿机，是较早出现的一类无功补偿设备。调相机实际是一台空载运行的同步电动机，利用同步电动机在不同励磁电流下发出或吸收无功电流的能力起到无功补偿作用。当正常励磁时，调相机的电枢电流接近于零；过励磁时，调相机向电网发出无功电流；欠励磁时，调相机从电网中吸收无功电流。因此，调相机经常运行在过励状态，励磁电流较大，损耗也比较大，发热比较严重。以上缺点均大大限制了调相机的应用范围，目前除在高压直流输电线路的终端作动态无功支持外，已很少使用。

(2)静止无功补偿装置(Static Var Compensator，SVC)：是目前应用最为广泛的一类无功补偿设备。SVC中的“Static”即静止，是相对于调相机的旋转而言，因此除调相机和SVG之外，凡是用电感或电容进行无功补偿的装置均可称作SVC。按国际标准定义，SVC的投切可分为7类：机械投切电容器(MSC)、机械投切电抗器(MSR)、自饱和电抗器(SR)、晶闸管控制电抗器(TCR)、晶闸管投切电容器(TSC)、晶闸管投切电抗器(TSR)、自换向或电网换向转换器(SCC/LCC)。

(3)静止无功发生装置(Static Var Generator，SVG)：与SVC一样，也是一种“静止”设备，是近年出现的新一代无功补偿设备。SVG以IGBT模块构成的电压源型逆变器为核心，通过实时检测负载电流波形，并调节桥式整流电路交流侧输出电流达到调节负载电流的幅值和相位的目的。通过以上调节，可以吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿。SVG具有响应速度快、吸收无功连续、调节范围广、耗损与噪音小等突出优点。而且作为有源型补偿装置，不仅可以跟踪冲击型负载的冲击电流，而且可以对谐波电流也进行跟踪补偿。按特点来看SVG是以后发展的趋势，响应速度快并且集无功补偿与有源滤波于一身，但在现阶段来看由于发展时间较短，尚不是成熟产品，因此价格比较高昂，约为相同补偿量下SVC价格的三到四倍。

2.3 项目具体使用情况

在了解了设置无功补偿设置方式和产品的特点之后，将其技术结合实际情况进行分析，灵活运用于本项目设计当中。具体设计思路介绍如下。

(1)针对本次设计范围内10处变电所采用集中补偿的方式，于变压器的低压侧设置无功补偿装置。这样做的目的在于，设置的无功补偿装置抵消了变压器低压侧无功负载、抬高了变压器低压侧的功率因数，使得变压器运行时的电流减小，无功损耗也随之大大减小，并提高了变压器的运行效率、保障了其运行安全。

在集中无功补偿装置的选择方面，考虑到乐园中各游乐设施在运行时，随天气、季节和假期等不确定因素造成人流量变化较大，从而导致游乐设施供电变压器用电负载的变化随机性比较大，所产生无功负载的变化随机性也比较大。因此，针对游乐设施存在这种多变的负载特点，在设计中选择采用静止无功补偿装置(SVC)和静止无功发生装置(SVG)相结合的方式进行设置。设置SVC的作用为：满足对无变化无功负载的补偿需求，主要通过选用由功率因数控制器控制的分步投切电容电抗器组对无功负载进行阶梯型补偿，其中电抗器起到防止电容器与用电负载发生谐振和限制涌流的作用。设置SVG的作用为：既能够根据随时变化的用电负荷情况进行连续、快速的响应，满足系统中对变化无功功率的补偿需求；又具备一定程度的消除系统中谐波的作用，使配电系统更加安全稳定。另外，采用SVC与SVG相结合的补偿方案，也不会增加太大的投资压力，其在本项目变电所低压柜中的具体运用及接线方式，如图1所示。

图1 变电所内集中无功补偿示意图

(2)针对其余不单独设变电所而由区域变电所负责供电的游乐设施单体，拟根据其配电特点在各单体的低压总进线采用分散补偿的方式，或称之为低压配电线路补偿。其原因：(1)这些单体的用电负荷在200～350kW，其中还包括不少一、二级负荷，经计算所需从区域变电所敷设至单体的配电电缆数量非常多，如果不通过有效途径抬高配电回路的功率因数以减小其配电电流，而直接选择大截面甚至双拼、三拼电缆进行配电，将会给变电所出线和整体敷设造成巨大困难；(2)考虑到区域变电所敷设至各单体的配电电缆其敷设距离约在150～200m左右，对于大规格电缆来说配电线路阻抗不可忽略，如果配电回路电流较大，加之敷设方式多采用密集敷设，就会导致配电电缆的温升较高，会对其使用寿命产生较大影响。

基于以上的综合分析，实际设计中在各单体的每路进线电缆进线配电柜处分别配置一个配电线路补偿柜，其中补偿装置主要考虑选用价格较低、可进行阶梯型补偿的静止无功补偿装置(SVC)，以达到提高配电线路功率因数的目的。单体内低压配电线路补偿的设置及接线方式，如图2所示。

图2 单体内低压配电线路补偿柜示意图

3 结束语