摘要：采用節(jié)能技術(shù)降低電能損耗節(jié)約用電，是現(xiàn)代電力工業(yè)的實(shí)際需求。提高電力系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的最經(jīng)濟(jì)、最有效的手段就是無(wú)功補(bǔ)償。本文考慮了安裝高壓電容器組、安裝低壓電容器組、同步電機(jī)的過(guò)勵(lì)磁三種形式無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆绞?。通過(guò)在MATLABSimulink程序中編制模型進(jìn)行分析，并給出采用同步電機(jī)發(fā)電和電容器組傳輸無(wú)功功率成本的計(jì)算方法，得出采用同步電機(jī)發(fā)電的成本低，但對(duì)于高低壓側(cè)的補(bǔ)償效果卻低于電容器組。

關(guān)鍵詞：無(wú)功補(bǔ)償；同步發(fā)電機(jī)；低壓電容器組

在發(fā)電廠中，綜合廠用電率直接影響一個(gè)發(fā)電廠的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能。綜合廠用電率是指發(fā)電廠自身的綜合用電量與發(fā)電量的比值，而綜合廠用電量是發(fā)電廠自身用電量和主要電氣設(shè)備的損耗之和，也就是上網(wǎng)電量和發(fā)電量的差值。它反映了電廠的用電設(shè)備和設(shè)備電能損耗占發(fā)電量的比值。

在發(fā)電廠中，存在大量的變壓器和異步電動(dòng)機(jī)等電感性負(fù)載。發(fā)電廠的輔助設(shè)備中常常流動(dòng)著大量的無(wú)功感性電流，這些無(wú)功電流會(huì)使用電設(shè)備的功率因數(shù)降低。當(dāng)功率因數(shù)偏低時(shí)，在輸出的有功不變的情況下，用電設(shè)備需要增加視在功率，這會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)電流增加。用電設(shè)備和線路的損耗顯著增加，讓發(fā)電廠的綜合廠用電率上升。

因此，采用節(jié)能技術(shù)降低電能損耗，節(jié)約用電是現(xiàn)代發(fā)電廠進(jìn)行節(jié)能減排工作的實(shí)際需要［14］。而提高發(fā)電廠技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的最經(jīng)濟(jì)、同時(shí)也是最有效的手段是無(wú)功補(bǔ)償。

在文獻(xiàn)［5］中提出了一種用于估計(jì)電網(wǎng)中一個(gè)用戶在無(wú)功補(bǔ)償期間有功損耗的減少的模型，但是該模型并沒(méi)有考慮在電網(wǎng)中其他用戶無(wú)功補(bǔ)償狀態(tài)也發(fā)生改變的情況。因此，用戶很難預(yù)測(cè)在安裝了無(wú)功補(bǔ)償裝置后的收益情況，這顯著增加了用戶的投資風(fēng)險(xiǎn)。

在文獻(xiàn)［6］中采用無(wú)功補(bǔ)償裝置的方式，可以有效改善交流電機(jī)的功耗特性。無(wú)功補(bǔ)償裝置由串聯(lián)的電容器（C）和電感（L）組成，連接在變壓器的二次繞組上。文中所提出的無(wú)功補(bǔ)償裝置的控制采用極值控制方法。

1無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆绞?/p>

為了實(shí)現(xiàn)可靠的電力網(wǎng)絡(luò)，有必要對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的電能進(jìn)行監(jiān)控。無(wú)功補(bǔ)償是實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)電能穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)的有效手段，無(wú)功補(bǔ)償可以通過(guò)同步調(diào)相機(jī)、靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）和靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）等多種設(shè)備實(shí)現(xiàn)。

無(wú)功功率（Q）是用于表示電機(jī)或者電容性負(fù)載等感性負(fù)載的無(wú)功功率，單位通常以VAR為單位計(jì)算。從工程或者經(jīng)濟(jì)的角度，應(yīng)用最有效的無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)使電力系統(tǒng)處于健康和穩(wěn)定的狀態(tài)是非常重要的。無(wú)功功率補(bǔ)償通常被定義為通過(guò)管理無(wú)功功率來(lái)改善電網(wǎng)中交流電的產(chǎn)生。無(wú)功補(bǔ)償?shù)母拍詈w了電力系統(tǒng)和電力消費(fèi)者等不同領(lǐng)域的各種問(wèn)題，其中與電能質(zhì)量和電能損耗相關(guān)的問(wèn)題，可以通過(guò)適當(dāng)?shù)臒o(wú)功控制來(lái)解決。

任何電力系統(tǒng)傳送電能的目標(biāo)之一都要保證良好的同步頻率。通過(guò)技術(shù)的進(jìn)步，可靠和高效的電力網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了這個(gè)目標(biāo)。無(wú)功補(bǔ)償是加強(qiáng)電網(wǎng)質(zhì)量的有效手段，通過(guò)電容器組、靜止無(wú)功補(bǔ)償器或靜止同步補(bǔ)償器可以有效調(diào)節(jié)無(wú)功功率。

無(wú)功補(bǔ)償有不同的方式，包括電容器組、串聯(lián)補(bǔ)償器、并聯(lián)電抗器、靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）、靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）和同步調(diào)相機(jī)、同步電機(jī)等。但為了達(dá)到發(fā)電廠無(wú)功補(bǔ)償經(jīng)濟(jì)最大化，本文簡(jiǎn)述幾種不同的無(wú)功技術(shù)作為無(wú)功補(bǔ)償?shù)目赡軄?lái)源。研究的技術(shù)包括：同步調(diào)相機(jī)、靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）和靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）。

1.1同步調(diào)相機(jī)

同步調(diào)相機(jī)是一種產(chǎn)生無(wú)功功率的同步裝置，其相位超前有功功率90度。它是一種類似于同步電機(jī)的設(shè)備，其轉(zhuǎn)軸不與任何負(fù)載相連，而是不受約束地自由旋轉(zhuǎn)。其目標(biāo)不是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，而是調(diào)節(jié)輸電網(wǎng)無(wú)功電流的大小，其磁場(chǎng)由電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，根據(jù)需要產(chǎn)生或吸收無(wú)功功率，以改變電網(wǎng)電壓或提高功率因數(shù)。同步調(diào)相機(jī)的無(wú)功功率可以穩(wěn)定調(diào)節(jié)，當(dāng)電壓降低時(shí)，同步調(diào)相機(jī)發(fā)出無(wú)功功率，此時(shí)，同步電機(jī)的能量損失較高。大多數(shù)與電網(wǎng)相連的同步調(diào)相機(jī)的額定功率在20～200Mvar之間，其中大量采用氫氣冷卻。只要?dú)錆舛缺３衷?0%以上的良好狀態(tài)，一般在91%以上，就不會(huì)有噴發(fā)的威脅。

在引入電力電子設(shè)備之前，同步調(diào)相機(jī)曾被廣泛用作提供無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)氖侄?。?920年末到1970年末，電力系統(tǒng)中使用了許多同步調(diào)相機(jī)。同步調(diào)相機(jī)在電壓和無(wú)功功率控制領(lǐng)域的應(yīng)用已有50多年的歷史，實(shí)際上，同步調(diào)相機(jī)只是連接到電力系統(tǒng)的同步電機(jī)。同步后，勵(lì)磁電流將根據(jù)交流電力系統(tǒng)的需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，以產(chǎn)生或吸收無(wú)功功率。當(dāng)與自動(dòng)勵(lì)磁電路一起使用時(shí)，該裝置可以提供連續(xù)的無(wú)功功率控制。同步調(diào)相機(jī)已用于配電和輸電網(wǎng)絡(luò)，以提高穩(wěn)定性并在負(fù)載狀態(tài)變化和緊急情況下提供無(wú)功支持。

目前，同步調(diào)相機(jī)已經(jīng)很少被使用。主要因?yàn)樗麄冃枰罅康膯?dòng)和保護(hù)裝置。另外，當(dāng)負(fù)載快速變化時(shí)，同步調(diào)相機(jī)平衡功率的速度較慢，工作時(shí)候的有功損耗也比靜止無(wú)功補(bǔ)償器高很多，并且相同補(bǔ)償功率的設(shè)備成本也比靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置高。

1.2靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）

靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）是晶閘管控制的（因?yàn)樗蔷чl管控制的，因此為靜止）無(wú)功功率發(fā)生器，功率可以是滯后或超前，或兩者兼而有之。SVC是一種高壓設(shè)備，可有效調(diào)節(jié)其耦合端的網(wǎng)絡(luò)電壓，其主要功能是保持在設(shè)定的參考點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)電壓恒定。

SVC其他的控制特性包括：電壓控制、無(wú)功功率控制、功率振蕩阻尼以及不平衡控制。SVC設(shè)備的設(shè)計(jì)和配置始終根據(jù)項(xiàng)目的特定要求來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。SVC是基于電力電子和其他靜止設(shè)備的調(diào)節(jié)器之一，稱為靈活交流輸電系統(tǒng)（FACTS）調(diào)節(jié)器，用于提高電力網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力和靈活性。

靜止無(wú)功補(bǔ)償器是將可控的電抗器和電力電容器并聯(lián)使用，其輸出經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)以改變電容性或電感性電流，以保持電力系統(tǒng)良好狀態(tài)或調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)的特定參數(shù)（通常是總線電壓）。SVC是建立在沒(méi)有門極關(guān)斷能力的晶閘管上的，晶閘管實(shí)現(xiàn)的是可變無(wú)功阻抗。SVC包括三個(gè)主要部分：晶閘管控制電抗器（TCR）、晶閘管投切電抗器（TSR）以及晶閘管投切電容器。SVC設(shè)計(jì)的目標(biāo)是無(wú)功和負(fù)載不平衡補(bǔ)償，并且通過(guò)在其調(diào)節(jié)器中使用傳統(tǒng)量，它可以用于智能電網(wǎng)的協(xié)同補(bǔ)償方法。

1.3靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）

靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）是FACTS設(shè)備中的一種。它們的主要工作方式是向與其連接的交流電力系統(tǒng)提供快速、精確且可調(diào)節(jié)的無(wú)功功率。

STATCOM通過(guò)修改流入和流出其交流側(cè)的電流無(wú)功成分的幅值和相位來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)功調(diào)節(jié)的目的。這使得STATCOM能夠調(diào)節(jié)與交流電力系統(tǒng)交換的無(wú)功功率的數(shù)量和無(wú)功流動(dòng)方向。STATCOM可以提高機(jī)械的功率因數(shù)，減少機(jī)械輸入電壓變化，從而防止對(duì)工廠造成損害，并最大限度地降低設(shè)備的運(yùn)營(yíng)成本，STATCOM還可用于交流輸電系統(tǒng)線路接收端的電壓補(bǔ)償。

2發(fā)電站無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆椒?/p>

采用電容器組進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔糜校簩⒐β室蛩靥岣叩侥繕?biāo)值；減少電力網(wǎng)絡(luò)中各元件的有功損耗調(diào)節(jié)電力網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的電壓；改善電能質(zhì)量。例如，某電廠由DTS41配電所進(jìn)行供電，其各部分采用以下負(fù)載：

Ⅰ段：2臺(tái)高壓同步電機(jī)P=600kW，1臺(tái)感應(yīng)電機(jī)P=320kW，額定電壓6kV，低壓負(fù)荷總功率P=610kW，Q=300kvar。

Ⅱ段：1臺(tái)高壓同步電機(jī)P=1600kW，1臺(tái)高壓感應(yīng)電機(jī)P=220kW，電壓6kV時(shí)，1臺(tái)感應(yīng)電機(jī)P=320kW；總低壓負(fù)荷P=600kW，Q=300kvar。

3研究過(guò)程

3.1Ⅰ段三種補(bǔ)償結(jié)果

在該模型沒(méi)有無(wú)功補(bǔ)償?shù)那闆r下，測(cè)量了高、低壓側(cè)的功率因數(shù)cosφ，并記錄在表1。

本文考慮了三種形式的無(wú)功補(bǔ)償：安裝高壓電容器組（HCB）、安裝低壓電容器組（LCB）、同步電機(jī)的過(guò)勵(lì)磁。

采用功率為1600kW的同步電機(jī)過(guò)勵(lì)磁、HCB進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償時(shí)以及LCB裝置補(bǔ)償無(wú)功功率時(shí)，對(duì)MATLABSimulink程序編制的模型進(jìn)行了對(duì)比分析，得出了高、低壓側(cè)的功率因數(shù)cosφ，結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出：采用HCB進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，在低壓側(cè)，由于0.4kV側(cè)沒(méi)有從6kV側(cè)吸收無(wú)功功率，cosφ沒(méi)有變化。

采用LCB進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，低壓側(cè)的cosφ增加，因?yàn)闊o(wú)功功率的產(chǎn)生在低壓側(cè)本身。

3.1.1同步電機(jī)過(guò)勵(lì)磁補(bǔ)償成本分析

首先定義使用同步電機(jī)產(chǎn)生和傳輸無(wú)功功率的成本。產(chǎn)生無(wú)功功率Q同步電機(jī)的成本僅由產(chǎn)生Q引起的定子繞組和勵(lì)磁繞組中有功功率的額外損耗成本決定。

產(chǎn)生Q所導(dǎo)致的總損耗ΔPM為：

ΔPM=D1QnQ+D2Q2nNQ（1）

式中：D1、D2為常數(shù)取決于同步電機(jī)的計(jì)算參數(shù)；Q為所有同步電機(jī)產(chǎn)生的總的無(wú)功功率；Qn是單個(gè)同步電機(jī)的額定容量。

將前文已經(jīng)給定的值代入式子（1），得到：

ΔPM=7.78kW

發(fā)電廠運(yùn)行期間產(chǎn)生Q所消耗的總電量為：

C=C0ΔPM（2）

式中：C0為電力損耗的單位成本，單位為元/千瓦。

總成本的定義式：

Ω=EpNKr+C0ΔPM（3）

這里：

Ep為年度扣除額，Ep=0.2；

N為同步發(fā)電機(jī)數(shù)量，N=2；

Kr為勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的成本。

將數(shù)值代入公式（3）中得到：

Ω=61.85元

3.1.2采用LCB補(bǔ)償時(shí)成本分析

定義使用LCB無(wú)功補(bǔ)償時(shí)的成本，所需電容器組的無(wú)功功率Q由公式（1）確定：

Q=2πfCU2（4）

這里：C是三相電容器的三相儲(chǔ)能的總和；

把值代入公式（4）中，得到：

Q=102.5kvar

選擇低壓電容器組品牌KRM0.41057.5UZ，售價(jià)5800元。

引入補(bǔ)償資金的相關(guān)成本包括安裝新設(shè)備和拆除陳舊設(shè)備的成本。LBC采購(gòu)成本的30%用于新設(shè)備的安裝和舊設(shè)備的拆除。

產(chǎn)生Q值的電廠在運(yùn)行期間的年耗電成本：

C=C0ΔPbk（5）

這里：ΔPbk為1kV以下電力設(shè)備的損耗總值，ΔPbk=4.5kW/Mvar，代入（5）中，得到C=3.5元。

估算成本由（1）確定：

Ω=EK0+［EKuUbkU2+C0ΔPbk］Q（6）

公式（6）中E為資本投資年度扣除總額，對(duì)于20kV以下的電氣設(shè)備等于0.223；

Ubk為電壓比，將數(shù)值代入（6）中，得到：Ω=1431元。

安裝LCB成本由前文中的占比可知為7566元，維護(hù)低壓電容器組的年費(fèi)為1431元。

3.1.3采用HCB補(bǔ)償時(shí)成本分析

當(dāng)采用高壓電容器組計(jì)算無(wú)功功率成本時(shí)，由式（4）可知，高壓電容組安裝的無(wú)功功率Q為Q=3357.28kvar。選擇UKL（P）576.33600UZ標(biāo)記的高壓電容器組，采購(gòu)成本為123180元。

電容器組估計(jì)費(fèi)用的主要部分是扣除額K=124755元。電廠運(yùn)行期間每年用于產(chǎn)生無(wú)功功率的電力損耗成本C=56元，估計(jì)成本為27535.82元。采購(gòu)UKL（P）576.33600U3HBC的成本將為160134.83元，維護(hù)一個(gè)高壓電容器組的年成本為27535.82元。

3.2Ⅱ段三種補(bǔ)償結(jié)果

對(duì)Ⅱ段分別記錄在沒(méi)有無(wú)功功率、同步電機(jī)過(guò)勵(lì)磁補(bǔ)償、HCB無(wú)功補(bǔ)償和LCB進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，分別在高、低壓側(cè)測(cè)量cosφ。結(jié)果cosφ的值等于：

HCB選擇UKL（P）576.33600UZ，安裝費(fèi)用為160134.83元。維護(hù)一個(gè)高壓冷凝器裝置的年費(fèi)用為27535.82元，采購(gòu)LCB品牌KRM0.41057.5U3的成本將為7461.84元，低壓電容器組的年度維修費(fèi)用為1431.51元。使用同步發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)馁M(fèi)用為52.86元。

結(jié)語(yǔ)

為了補(bǔ)償高壓側(cè)缺失的無(wú)功功率，需要電容器組的電容較小，HCB的容量為99μF，LCB的容量為680μF。選擇電容器組的電容，可以按照滿足低壓側(cè)和高壓側(cè)的用戶正常所需無(wú)功功率的數(shù)值進(jìn)行選擇，采用同步發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)馁M(fèi)用遠(yuǎn)低于電容器組的成本。

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作者簡(jiǎn)介：王昭（1988—），男，黑龍江北安人，工學(xué)、管理學(xué)學(xué)士，中級(jí)工程師，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化、工商管理。