電力百科第 47 期：無功補(bǔ)償
1 概述
隨著現(xiàn)代化發(fā)電廠逐步引進(jìn)更加先進(jìn)的工藝設(shè)備，各種用電設(shè)備對電源的穩(wěn)定性、可靠性要求越來越高，此時(shí)，單純依靠發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率、無功功率去滿足這些負(fù)荷的需求，已不能滿足要求，尤其不能滿足電廠降損節(jié)電的要求。本文參考涉外火電工程對無功補(bǔ)償?shù)囊?、查閱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)、廠家資料等，探討了適用于火電廠中低壓廠用電系統(tǒng)的三種無功補(bǔ)償方法：中壓電動機(jī)就地電容器無功補(bǔ)償、低壓SVC無功補(bǔ)償、中壓SVG無功補(bǔ)償。
2 相關(guān)概念
(1)有功功率：有功功率是各種用電設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)所需要的電功率(kW)。
(2)無功功率：交流電通過純電感或純電容時(shí)不消耗有功，但參與能量交換，即產(chǎn)生了無功功率(kVar)。無功功率不是無用功率，主要用于在電氣設(shè)備中建立和維持磁場。
(3)發(fā)電機(jī)發(fā)出功率：是視在功率(MVA)，其電流與電壓有一個(gè)不到90°的相位差。
(4)廠用電的實(shí)際負(fù)荷：多為大量異步電動機(jī)、變壓器等負(fù)荷，往往不是純阻性、純感性、或純?nèi)菪缘?，而是混合型?fù)荷，需要消耗有功、無功，功率因數(shù)往往小于1。
(5)廠用供配電網(wǎng)絡(luò)：供配電網(wǎng)絡(luò)輸送有功功率、無功功率，即輸送視在功率。由于大部分廠用電負(fù)荷需要消耗無功功率，因此與之相連的饋電網(wǎng)絡(luò)也會經(jīng)常受到無功功率沖擊負(fù)荷的影響，導(dǎo)致饋電網(wǎng)絡(luò)功率因數(shù)過低，用電負(fù)荷線電流增加，從而供配電線路上的損耗增加、用電設(shè)備發(fā)熱和損耗增加導(dǎo)致設(shè)備壽命減短，同時(shí)供配電線路上的壓降損失也增大，到用電設(shè)備末端的運(yùn)行條件也越差。
(6)廠用供配電網(wǎng)絡(luò)損耗：供配電網(wǎng)絡(luò)即存在有功損耗，也存在無功損耗。這是因?yàn)楣┡潆娋€路、變壓器等設(shè)備不僅有電阻值，也有電抗值，電阻值會增加線路的有功損耗，電抗器會增加線路的無功損耗。隨著現(xiàn)代化工藝設(shè)備的引進(jìn)，單靠發(fā)電機(jī)發(fā)出的無功功率已不能滿足各種負(fù)荷及損耗對無功的需求，因此需要對廠用供配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無功補(bǔ)償顯得尤為重要。采用無功補(bǔ)償后，可以使線路的電壓更加穩(wěn)定、提高線路功率因數(shù)、減少線路損耗、延長終端用電設(shè)備的壽命。
(7)降損節(jié)電：廠用電的實(shí)際負(fù)荷和配電線路傳輸，都需要消耗大量無功，如果單純從發(fā)電機(jī)獲取，公式(1)所示，視在功率一定時(shí)，發(fā)電機(jī)為補(bǔ)償額外的無功功率需要多消耗自身的有功，就會使發(fā)電機(jī)效率降低、發(fā)電成本提高同時(shí)降低發(fā)電機(jī)輸送到電網(wǎng)的供電效率。
如果能將無功就地補(bǔ)償一部分，則發(fā)電機(jī)、配電網(wǎng)送給用電負(fù)荷的無功就減少，配電網(wǎng)上的無功流動也會減少，線路功率因數(shù)提高，因而也就減少了損耗。提高功率因數(shù)和降低線損的關(guān)系參見表1。
3 電動機(jī)就地電容器無功補(bǔ)償
補(bǔ)償原理圖見圖1，正常用電負(fù)荷回路中，并聯(lián)接入電容器組等無功就地補(bǔ)償器，通過投切補(bǔ)償器，來實(shí)現(xiàn)對用電負(fù)荷的無功功率補(bǔ)償。這種方式，因其具有價(jià)格便宜、易于安裝、維護(hù)操作方便等優(yōu)點(diǎn)，目前在我國電網(wǎng)中被廣泛采用，同樣也可用于火電廠中重要中壓電動機(jī)負(fù)荷的就地?zé)o功補(bǔ)償方法，它適用于容量比較大、負(fù)荷平穩(wěn)但使用頻繁的中壓電動機(jī)負(fù)荷，如送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、循環(huán)水泵、給水泵等大于500kW的中壓電動機(jī)負(fù)荷。
但這種方式也存在缺點(diǎn)，因并聯(lián)電容器的阻抗是固定的，它只能發(fā)出無功功率，不能吸收無功功率，也無法動態(tài)跟蹤負(fù)荷無功功率的變化，投切時(shí)需要根據(jù)負(fù)荷變化情況頻繁進(jìn)行機(jī)械開關(guān)開斷操作，因此使用上存在一定的局限性。
對于發(fā)電廠電動機(jī)來說，通常電動機(jī)在額定運(yùn)行工況時(shí)的功率因數(shù)最大，其它運(yùn)行時(shí)功率因數(shù)都小于額定工況的功率因數(shù)。因此，如果按功率因數(shù)確定中壓電動機(jī)需要補(bǔ)償?shù)娜萘浚热鐪?zhǔn)備將中壓電動機(jī)功率因數(shù)從cosφ1提高到cosφ2，那么所需的補(bǔ)償容量可計(jì)算為：
式中：cosφ1為補(bǔ)償前的功率因數(shù)；cosφ2為補(bǔ)償后的功率因數(shù)；P為中壓電動機(jī)輸入的有功功率kW；
為了節(jié)能降耗目前火電廠各重要輔機(jī)均采用變頻技術(shù)。變頻器屬于整流類產(chǎn)品，雖然節(jié)約電能，但增加了電網(wǎng)的諧波含量。一般來說，變頻器本身有無功補(bǔ)償?shù)碾娙?，因此功率因?shù)較高，不需再做額外無功補(bǔ)償，但往往采用電容加電抗的方式來過濾諧波。
4 低壓SVC補(bǔ)償
靜止無功補(bǔ)償器(StaticVarCompensator,SVC)補(bǔ)償原理圖見圖2。一種并聯(lián)連接的靜止無功發(fā)生器或吸收器，通過對其感性或容性電流的調(diào)整，來維持或控制其與電網(wǎng)連接點(diǎn)的某種參數(shù)(典型情況為控制母線電壓)。這種補(bǔ)償方式在我國中壓及以上輸配電系統(tǒng)和工業(yè)環(huán)境中廣泛應(yīng)用。因火電廠本身也消耗廠用電，類同工礦企業(yè)用電，此方法可推廣應(yīng)用至火電廠廠用電低壓母線段上的無功補(bǔ)償方法。
每個(gè)補(bǔ)償回路包括熔斷器、母線、晶閘管開關(guān)、濾波電抗器、補(bǔ)償電容器等。補(bǔ)償電容器通常采用角型接線，利用晶閘管的觸發(fā)角控制來改變通過電抗器的電流進(jìn)行投切電路，可以平滑調(diào)整電抗器吸收的基波無功功率。這種補(bǔ)償裝置能夠根據(jù)低壓母線段所帶負(fù)荷無功功率的大小、及母線功率因數(shù)實(shí)際運(yùn)行水平進(jìn)行自動投切，屬于動態(tài)補(bǔ)償無功，且響應(yīng)速度較快通常不小于20ms。性能上較傳統(tǒng)的電容器就地補(bǔ)償方式有了更好的改善。
低壓SVC無功補(bǔ)償裝置可以有效過濾三相交流低壓母線中的諧波負(fù)荷，對低壓母線上所接的各類電動機(jī)進(jìn)行集中無功功率補(bǔ)償。低壓SVC無功補(bǔ)償裝置由若干補(bǔ)償柜組成，每面補(bǔ)償柜又可由若干補(bǔ)償模塊拼裝組成，根據(jù)實(shí)際需要的補(bǔ)償容量可任意拼裝組合，無功補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)較為靈活。
低壓SVC補(bǔ)償柜通?？赏ㄟ^母排直接連接于低壓PC段上，與PC開關(guān)柜并排布置，柜體材質(zhì)、外殼防護(hù)等級等一般要與PC開關(guān)柜一致。補(bǔ)償柜也具有擴(kuò)展功能，柜后可連接其它的低壓開關(guān)柜。補(bǔ)償柜內(nèi)元器件模塊化布置，故障時(shí)相同容量的補(bǔ)償模塊應(yīng)具有通用互換性。
類似電容器就地補(bǔ)償法，如果按功率因數(shù)確定低壓母線需要補(bǔ)償?shù)娜萘?，即低壓SVC補(bǔ)償柜的補(bǔ)償容量，比如準(zhǔn)備將低壓母線的功率因數(shù)從cosφ1提高到cosφ2，那么低壓母線上所需的補(bǔ)償容量可計(jì)算為：
式中：cosφ1為補(bǔ)償前的母線功率因數(shù)；cosφ2為補(bǔ)償后的母線功率因數(shù)；P為母線上所帶負(fù)荷的有功功率之和kW；k為由cosφ1補(bǔ)償?shù)絚osφ2時(shí)，每kW有功負(fù)荷所需補(bǔ)償無功量kVar/kW，經(jīng)驗(yàn)值參見表2。
表2為某涉外火電工程所選低壓無功補(bǔ)償容量示例，在缺乏低壓母線上所供用電負(fù)荷詳細(xì)資料的情況下，可用低壓干式變壓器的容量根據(jù)表3進(jìn)行估算，即可算出較保守的低壓母線實(shí)際所需補(bǔ)償容量。
簡言之，晶閘管控制的SVC靜止無功補(bǔ)償器，出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代初期，可以說是靈活交流輸電家族的最早成員，其實(shí)它只是以晶閘管代替了常規(guī)的機(jī)械開關(guān)，使得開斷次數(shù)不再受到限制，但它的性能明顯優(yōu)于常規(guī)的機(jī)械開關(guān)投切電容器。
5 中壓SVG無功補(bǔ)償
SVG(StaticVarGenerator)靜止無功發(fā)生器，原理圖見圖3，它不再采用大容量的電容、電感器件，而采用全控型電力電子器件IGBT組成的橋式變流器來進(jìn)行動態(tài)無功補(bǔ)償?；驹硎菍⒆該Q相橋式電路通過電抗器直接并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值或直接控制其交流側(cè)電流，使該電路吸收或發(fā)出滿足要求的無功電流，從而實(shí)現(xiàn)動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)哪康模鼘儆谥悄茈娏﹄娮訜o功補(bǔ)償方式，能根據(jù)負(fù)荷的變化情況來進(jìn)行無功調(diào)節(jié)。
裝置中六個(gè)可關(guān)斷晶閘管分別與六個(gè)二極管反向并聯(lián)，適當(dāng)控制晶閘管的通斷，就可以把電容器上的直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榕c系統(tǒng)電壓同步的三相交流電壓，裝置的交流側(cè)通過電抗器并聯(lián)接入系統(tǒng)。重要的是，母線電壓較低時(shí)，SVG仍可向系統(tǒng)輸入較大的無功電流，即小容量的儲能原件電容器，可以供給系統(tǒng)更大的無功容量。將多組變流器進(jìn)行多重化連接，就可以實(shí)現(xiàn)大容量調(diào)節(jié)，并應(yīng)用于大型電力系統(tǒng)中。
成套裝置基于鏈?zhǔn)酱?lián)結(jié)構(gòu)、星型連接，采用高速可關(guān)斷電力電子器件IGBT，響應(yīng)速度極快，IGBT開斷響應(yīng)時(shí)間小于2μs，使SVG成套裝置響應(yīng)時(shí)間大大縮短。SVG可動態(tài)跟蹤電網(wǎng)電能質(zhì)量變化，并根據(jù)變化情況動態(tài)調(diào)節(jié)無功輸出，動態(tài)響應(yīng)時(shí)間不大于5ms，抑制電壓波動與閃變能力更好。
式中：iL.p為用電負(fù)荷的線電流A；P為用電負(fù)荷輸入功率W；Uab為電源線電壓V；cosφ為用電負(fù)荷功率因數(shù)；
由此可見，當(dāng)輸入功率P一定時(shí)，線電流iL.P與功率因數(shù)cosφ成反比，即功率因數(shù)越大，用電負(fù)荷的線電流越小，損耗越小，壓降越小，因此對于中壓母線來說，提高母線上的功率因數(shù)多有益處。通過自換相橋式電路提供的無功補(bǔ)償電流，可以有效降低用電負(fù)荷的線電流，從而實(shí)現(xiàn)降低線路損耗、減少壓降的目的。
將SVG無功補(bǔ)償成套裝置設(shè)在10.5kV廠用母線段上，以10.5kV側(cè)母線無功功率或10.5kV母線電壓作為控制目標(biāo)，可實(shí)現(xiàn)如下功能：
(1)功率因數(shù)補(bǔ)償：在補(bǔ)償容量足夠的情況下，可將10.5kV母線進(jìn)線點(diǎn)的功率因數(shù)值控制在≥0.95范圍內(nèi)。
(2)輸出無功容量：成套裝置以10.5kV側(cè)母線無功功率、10.5kV側(cè)母線電壓作為控制目標(biāo)，輸出在額定感性容量到額定容性容量連續(xù)可調(diào)的無功功率。
(3)響應(yīng)時(shí)間：裝置可動態(tài)跟蹤電網(wǎng)電壓變化及負(fù)載變化，并根據(jù)變化情況動態(tài)調(diào)節(jié)無功輸出，實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)運(yùn)行。動態(tài)響應(yīng)時(shí)間不大于10ms。
(4)諧波特性：SVG能同時(shí)實(shí)現(xiàn)動態(tài)無功補(bǔ)償和動態(tài)濾波于一體，濾波效率高，采用先進(jìn)控制理論和全數(shù)字控制方法，實(shí)時(shí)檢測電網(wǎng)中負(fù)荷電流，快速分離出諧波電流分量，并根據(jù)諧波電流的大小產(chǎn)生控制指令，實(shí)時(shí)將大小相等、方向相反的補(bǔ)償電流注入到電網(wǎng)中，可有效濾除13次以下諧波電流。
(5)運(yùn)行效率：裝置運(yùn)行過程中，平均有功損耗不大于成套裝置輸出容量的0.8%。中壓SVG無功補(bǔ)償柜的補(bǔ)償容量計(jì)算為：
式中：cosφ1；cosφ2；P；k的定義同公式2中說明；Ud(%)為中壓母線所接干式變壓器的陰抗電壓百分值(%)；Im為中壓母線裝設(shè)補(bǔ)償裝置后，通過干式變中壓側(cè)的最大負(fù)荷電流量(A)；Ie為干式變干式變中壓側(cè)的額定電流值(A)；Io(%)為干式變空載電流百分值(%)，經(jīng)驗(yàn)數(shù)值參見表4；Se為干式變干中壓側(cè)的額定容量(kVA)。
3 廠用電無功補(bǔ)償?shù)囊饬x
無功補(bǔ)償?shù)姆绞接卸喾N，從最早的同步調(diào)相機(jī)，發(fā)展到當(dāng)前最新的SVG，經(jīng)歷了一個(gè)逐漸低能耗、小型化、采用電力電子新技術(shù)的發(fā)展過程，但很多基本的原理都是相通的，只是在形式上各有特點(diǎn)。
眾所周知，發(fā)電機(jī)發(fā)出功率，主要用于輸送到電網(wǎng)，一部分用于廠內(nèi)消耗，如果廠內(nèi)消耗過大，會影響發(fā)電機(jī)輸送到電網(wǎng)的有功減少，在發(fā)電機(jī)視在功率一定時(shí)，從而輸送到電網(wǎng)的功率因數(shù)(有功/視在)減少，這會增加廠外輸電線路損耗，不滿足供電公司(尤其涉外工程)對上網(wǎng)功率因數(shù)的要求。而在廠用電系統(tǒng)設(shè)置無功補(bǔ)償，可有效提高電廠內(nèi)部配電網(wǎng)功率因數(shù)，減少發(fā)電機(jī)用于廠用電的消耗，增加輸送到廠外的有功，從而提高發(fā)電機(jī)發(fā)出電能的利用率，使火電廠低于標(biāo)準(zhǔn)要求的功率因數(shù)達(dá)標(biāo)。
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