發電廠無功補償的經濟性分析

摘要：采用節能技術降低電能損耗節約用電，是現代電力工業的實際需求。提高電力系統技術經濟指標的最經濟、最有效的手段就是無功補償。本文考慮了安裝高壓電容器組、安裝低壓電容器組、同步電機的過勵磁三種形式無功補償的方式。通過在MATLABSimulink程序中編制模型進行分析，并給出采用同步電機發電和電容器組傳輸無功功率成本的計算方法，得出采用同步電機發電的成本低，但對于高低壓側的補償效果卻低于電容器組。

關鍵詞：無功補償；同步發電機；低壓電容器組

在發電廠中，綜合廠用電率直接影響一個發電廠的技術經濟性能。綜合廠用電率是指發電廠自身的綜合用電量與發電量的比值，而綜合廠用電量是發電廠自身用電量和主要電氣設備的損耗之和，也就是上網電量和發電量的差值。它反映了電廠的用電設備和設備電能損耗占發電量的比值。

在發電廠中，存在大量的變壓器和異步電動機等電感性負載。發電廠的輔助設備中常常流動著大量的無功感性電流，這些無功電流會使用電設備的功率因數降低。當功率因數偏低時，在輸出的有功不變的情況下，用電設備需要增加視在功率，這會導致整個系統電流增加。用電設備和線路的損耗顯著增加，讓發電廠的綜合廠用電率上升。

因此，采用節能技術降低電能損耗，節約用電是現代發電廠進行節能減排工作的實際需要［14］。而提高發電廠技術經濟指標的最經濟、同時也是最有效的手段是無功補償。

在文獻［5］中提出了一種用于估計電網中一個用戶在無功補償期間有功損耗的減少的模型，但是該模型并沒有考慮在電網中其他用戶無功補償狀態也發生改變的情況。因此，用戶很難預測在安裝了無功補償裝置后的收益情況，這顯著增加了用戶的投資風險。

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

1無功補償的方式

為了實現可靠的電力網絡，有必要對網絡中的電能進行監控。無功補償是實現電力系統電能穩定優質的有效手段，無功補償可以通過同步調相機、靜止無功補償器（SVC）和靜止同步補償器（STATCOM）等多種設備實現。

無功功率（Q）是用于表示電機或者電容性負載等感性負載的無功功率，單位通常以VAR為單位計算。從工程或者經濟的角度，應用最有效的無功補償技術使電力系統處于健康和穩定的狀態是非常重要的。無功功率補償通常被定義為通過管理無功功率來改善電網中交流電的產生。無功補償的概念涵蓋了電力系統和電力消費者等不同領域的各種問題，其中與電能質量和電能損耗相關的問題，可以通過適當的無功控制來解決。

任何電力系統傳送電能的目標之一都要保證良好的同步頻率。通過技術的進步，可靠和高效的電力網絡已經實現了這個目標。無功補償是加強電網質量的有效手段，通過電容器組、靜止無功補償器或靜止同步補償器可以有效調節無功功率。

無功補償有不同的方式，包括電容器組、串聯補償器、并聯電抗器、靜止無功補償器（SVC）、靜止同步補償器（STATCOM）和同步調相機、同步電機等。但為了達到發電廠無功補償經濟最大化，本文簡述幾種不同的無功技術作為無功補償的可能來源。研究的技術包括：同步調相機、靜止無功補償器（SVC）和靜止同步補償器（STATCOM）。

1.1同步調相機

同步調相機是一種產生無功功率的同步裝置，其相位超前有功功率90度。它是一種類似于同步電機的設備，其轉軸不與任何負載相連，而是不受約束地自由旋轉。其目標不是將電能轉換為機械能，而是調節輸電網無功電流的大小，其磁場由電壓調節器調節，根據需要產生或吸收無功功率，以改變電網電壓或提高功率因數。同步調相機的無功功率可以穩定調節，當電壓降低時，同步調相機發出無功功率，此時，同步電機的能量損失較高。大多數與電網相連的同步調相機的額定功率在20～200Mvar之間，其中大量采用氫氣冷卻。只要氫濃度保持在70%以上的良好狀態，一般在91%以上，就不會有噴發的威脅。

在引入電力電子設備之前，同步調相機曾被廣泛用作提供無功功率補償的手段。從1920年末到1970年末，電力系統中使用了許多同步調相機。同步調相機在電壓和無功功率控制領域的應用已有50多年的歷史，實際上，同步調相機只是連接到電力系統的同步電機。同步后，勵磁電流將根據交流電力系統的需要進行調節，以產生或吸收無功功率。當與自動勵磁電路一起使用時，該裝置可以提供連續的無功功率控制。同步調相機已用于配電和輸電網絡，以提高穩定性并在負載狀態變化和緊急情況下提供無功支持。

目前，同步調相機已經很少被使用。主要因為他們需要大量的啟動和保護裝置。另外，當負載快速變化時，同步調相機平衡功率的速度較慢，工作時候的有功損耗也比靜止無功補償器高很多，并且相同補償功率的設備成本也比靜止無功補償裝置高。

1.2靜止無功補償器（SVC）

靜止無功補償器（SVC）是晶閘管控制的（因為它是晶閘管控制的，因此為靜止）無功功率發生器，功率可以是滯后或超前，或兩者兼而有之。SVC是一種高壓設備，可有效調節其耦合端的網絡電壓，其主要功能是保持在設定的參考點的網絡電壓恒定。

SVC其他的控制特性包括：電壓控制、無功功率控制、功率振蕩阻尼以及不平衡控制。SVC設備的設計和配置始終根據項目的特定要求來進行設計。SVC是基于電力電子和其他靜止設備的調節器之一，稱為靈活交流輸電系統（FACTS）調節器，用于提高電力網絡的傳輸能力和靈活性。

靜止無功補償器是將可控的電抗器和電力電容器并聯使用，其輸出經過調節以改變電容性或電感性電流，以保持電力系統良好狀態或調節電力系統的特定參數（通常是總線電壓）。SVC是建立在沒有門極關斷能力的晶閘管上的，晶閘管實現的是可變無功阻抗。SVC包括三個主要部分：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設計的目標是無功和負載不平衡補償，并且通過在其調節器中使用傳統量，它可以用于智能電網的協同補償方法。

1.3靜止同步補償器（STATCOM）

靜止同步補償器（STATCOM）是FACTS設備中的一種。它們的主要工作方式是向與其連接的交流電力系統提供快速、精確且可調節的無功功率。

STATCOM通過修改流入和流出其交流側的電流無功成分的幅值和相位來實現無功調節的目的。這使得STATCOM能夠調節與交流電力系統交換的無功功率的數量和無功流動方向。STATCOM可以提高機械的功率因數，減少機械輸入電壓變化，從而防止對工廠造成損害，并最大限度地降低設備的運營成本，STATCOM還可用于交流輸電系統線路接收端的電壓補償。

2發電站無功補償的方法

采用電容器組進行無功補償的作用有：將功率因素提高到目標值；減少電力網絡中各元件的有功損耗調節電力網絡中節點的電壓；改善電能質量。例如，某電廠由DTS41配電所進行供電，其各部分采用以下負載：

Ⅰ段：2臺高壓同步電機P=600kW，1臺感應電機P=320kW，額定電壓6kV，低壓負荷總功率P=610kW，Q=300kvar。

Ⅱ段：1臺高壓同步電機P=1600kW，1臺高壓感應電機P=220kW，電壓6kV時，1臺感應電機P=320kW；總低壓負荷P=600kW，Q=300kvar。

3研究過程

3.1Ⅰ段三種補償結果

在該模型沒有無功補償的情況下，測量了高、低壓側的功率因數cosφ，并記錄在表1。

本文考慮了三種形式的無功補償：安裝高壓電容器組（HCB）、安裝低壓電容器組（LCB）、同步電機的過勵磁。

采用功率為1600kW的同步電機過勵磁、HCB進行無功補償時以及LCB裝置補償無功功率時，對MATLABSimulink程序編制的模型進行了對比分析，得出了高、低壓側的功率因數cosφ，結果如表1所示。

從表1可以看出：采用HCB進行補償時，在低壓側，由于0.4kV側沒有從6kV側吸收無功功率，cosφ沒有變化。

采用LCB進行補償時，低壓側的cosφ增加，因為無功功率的產生在低壓側本身。

3.1.1同步電機過勵磁補償成本分析

首先定義使用同步電機產生和傳輸無功功率的成本。產生無功功率Q同步電機的成本僅由產生Q引起的定子繞組和勵磁繞組中有功功率的額外損耗成本決定。

產生Q所導致的總損耗ΔPM為：

ΔPM=D1QnQ+D2Q2nNQ（1）

式中：D1、D2為常數取決于同步電機的計算參數；Q為所有同步電機產生的總的無功功率；Qn是單個同步電機的額定容量。

將前文已經給定的值代入式子（1），得到：

ΔPM=7.78kW

發電廠運行期間產生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為同步發電機數量，N=2；

Kr為勵磁調節器的成本。

將數值代入公式（3）中得到：

Ω=61.85元

3.1.2采用LCB補償時成本分析

定義使用LCB無功補償時的成本，所需電容器組的無功功率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5800元。

引入補償資金的相關成本包括安裝新設備和拆除陳舊設備的成本。LBC采購成本的30%用于新設備的安裝和舊設備的拆除。

產生Q值的電廠在運行期間的年耗電成本：

C=C0ΔPbk（5）

這里：ΔPbk為1kV以下電力設備的損耗總值，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，對于20kV以下的電氣設備等于0.223；

Ubk為電壓比，將數值代入（6）中，得到：Ω=1431元。

安裝LCB成本由前文中的占比可知為7566元，維護低壓電容器組的年費為1431元。

3.1.3采用HCB補償時成本分析

當采用高壓電容器組計算無功功率成本時，由式（4）可知，高壓電容組安裝的無功功率Q為Q=3357.28kvar。選擇UKL（P）576.33600UZ標記的高壓電容器組，采購成本為123180元。

電容器組估計費用的主要部分是扣除額K=124755元。電廠運行期間每年用于產生無功功率的電力損耗成本C=56元，估計成本為27535.82元。采購UKL（P）576.33600U3HBC的成本將為160134.83元，維護一個高壓電容器組的年成本為27535.82元。

3.2Ⅱ段三種補償結果

對Ⅱ段分別記錄在沒有無功功率、同步電機過勵磁補償、HCB無功補償和LCB進行補償時，分別在高、低壓側測量cosφ。結果cosφ的值等于：

HCB選擇UKL（P）576.33600UZ，安裝費用為160134.83元。維護一個高壓冷凝器裝置的年費用為27535.82元，采購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用為1431.51元。使用同步發動機進行無功補償的費用為52.86元。

結語

為了補償高壓側缺失的無功功率，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和高壓側的用戶正常所需無功功率的數值進行選擇，采用同步發動機進行無功補償的費用遠低于電容器組的成本。

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作者簡介：王昭（1988—），男，黑龍江北安人，工學、管理學學士，中級工程師，研究方向：電氣工程及其自動化、工商管理。