无功补偿在火电厂厂用电系统应用及研究

摘要：充分保证火电厂厂用电系统安全性前提下，高低压厂用电系统中接入无功补偿装置。无功补偿优化的基本原则是：全面规划，合理布局，自动控制，降损与调压相结合，以降损为主兼顾调压。
关键词：动态自动无功补偿；节能；电能质量优化
中国分类号：TK-9 文献标识码：A   文章标号：2095-2104（2012）03-0001-02

0 引言
发电厂厂用电量占总发电量的9%，而且厂用电系统中绝大多数电气设备均属感性负荷，因此发电系统除供给有功功率外，还需供给大量无功功率，以及从网上吸收大量无功功率，无功功率的出现不仅导致发电机出力下降，降低了输配电设备效率，而且还增大了网络损耗，严重影响供电质量。在厂用电高压6 kV及低压380 V系统中接入无功补偿装置。无功补偿优化的原则是：全面规划，合理布局，分散补偿，就地平衡，自动控制，集中补偿与分散补偿相结合。降损与调压相结合，达到优化电能质量目的，其中高压电动机采用就地补偿装置，低压无功补偿采用SVG无功发生器及智能电容自动无功补偿装置。达到很好的降损增益，提高厂用电系统的安全系数和稳定性。低压无功补偿通过统一的中央控制器的有效控制从而实现动态无功补偿，以此达到提高用电效率、节能以及改善电能质量的目标。
火电厂厂用电系统中，要保持有功功率与无功功率的平衡，否则将会使系统电压降低，电气设备出力不足，网络传输能力下降，损耗增加，严重时会导致设备损坏，系统解列。因此．解决好无功补偿问题，对电厂厂用电系统降损节能有着重要意义。
1 无功补偿简单原理
电力系统中的变压器和电动机等都是根据电磁感应原理工作的。磁场所具有的磁场能量是由电源供给的。电动机和变压器在能量转换过程中建立交变磁场，在一周内吸收的功率和释放的功率相等，这种功率称为感性无功功率。而电容器，在一周内上半周的充电功率与下半周的放电功率相等，这种冲放电功率叫容性无功功率。将电容器和电感并联接在同一电路中，电感吸收能量时，正好电容器在释放能量。能量就在它们之间交换，即感性负荷 (电动机、变压器等)所吸收的无功功率，可由电容器输出的无功功率中得到补偿。
    并联电容器的无功补偿作用和原理，用电负荷总电流可以分解为有功电流分量I_P和无功电流分量I_Q(电感性的)。当并联电容器投入运行时，流入电容器的容性电流I_C与I_Q方向相反故可抵消一部分I_Q，使电感性电流分量I_Q降低为，总电流I由降低为I＇，功率因数由提高到。若补偿的电容电流I_C等于负荷电流的感性无功分量I_Q，则。这时，负荷所需的无功功率全部由补偿电容供给。
1.1 无功补偿方式及其比较
无功补偿是利用电容器产生的超前无功电流和电感性负载产生的滞后无功电流相互补偿，如果选配合理，它能达到方向相反、幅值相等、互为补偿、对外不产生无功的效果。那时发、供、用电设备所传递的全部是有用功。无功补偿主要分高压集中补偿、低压集中补偿和无功就地补偿三种方式，各自作用如下：
(1)集中补偿方式纯为供电部门服务，它是在高压区域变电站内，集中安装一批高压电容器，补偿本区域内无功能量，这是供电部门为了提高电网的供电能力，挖掘供电设备潜力，要求各企业必须采取的措施。集中补偿在提高供电能力、减少变损、线损、稳定电压等方面效果明显，而且维修方便，投资较低。但这种补偿方式无法降低企业内部的无功损耗，企业自身没有明显的节电效益。
(2)分组补偿是根据企业用电各个负荷中心而进行的局部补偿，分组补偿能使企业内部的无功电力被限制在一个小范围内，降低高压线损和变损，提高企业内部的供电能力。但分组补偿不能对大量的低压输配电网进行有效的补偿。分组补偿容量较大，投资多，还经常会因自控和执行电器元件的响应时间慢，影响补偿效果，造成补偿装置投切失灵。在用电负荷低时，若不能及时切除电容器，还会造成过补偿，使电网电压升高，损坏用电设备。不采用上述补偿方式。
(3)无功就地补偿是将电容器组装设在异步电动机或电感性用电设备附近，就地进行无功补偿。这种补偿方式克服了上述两种补偿方式的缺点，它将无功电流限制在需要的范围内，消除了无功电流在高、低压电网上的流动，是一种较彻底、完善的补偿方式。电动机无功就地补偿是一种先进而又能有效的节能措施。因为这种补偿方式，距电源最远，电阻最大，故无功经济当量最大。电动机采用就地补偿方式可大大提高用电设备的功率因数，相应的提高设备利用率，具有明显的节电效果。由于发电厂厂用电系统中的电动机械大多是用异步电动机拖动的，所以在发电厂6KV高压电机采用无功就地补偿。低压380V采用集中自动无功补偿方式。
1.2电力系统电压、无功优化问题有如下特点：
（1）离散性
通常用离散变量来表示在何处安装无功补偿设备，表示变压器分接头的位置、电容器组和电抗器组数等。
（2）非线性
在数学模型中，为了满足功率平衡，约束条件中包含潮流计算方程。潮流方程就是典型的非线性方程。
（3）大规模
现代电力网包含众多的节点和出线。越是电压等级低的网络，其节点数往往越多，网络越复杂。
（4）收敛性依赖于初值
无功优化的数学模型中要考虑潮流方程作为等式约束，而潮流方程是超越方程。因此，无功优化问题是非凸的，即可能存在多解的情况。电力系统无功优化问题的约束大部分为非线性的，引入离散变量后，难以保证其连续可微的要求，因此其收敛性更依赖于初值的选择。
2 火电厂接入无功补偿后优势
　 a)降低发电厂系统中各级变压器及线路损耗，节约电能。提升企业的经济效益；
   b)提高厂用电系统电压稳定性。6 kV变压器功率因数由0.7提升到0.98左右；
   c)电气设备运行无功电流大幅降低，减少三相电流不平衡度，提高发配电设备的利用率，减轻了设备的发热，延长电气设备的使用寿命，降低了维修费用；
   d)减少高低压电机绝缘故障机率，减少电气设备无功冲击，提高系统的安全系数和稳定性，同时能够改善电动机启动性能；  
   e)减少了发电机的无功输出，可以提高电网的输出能力，也可以降低发电厂的无功成本，提高经济效益。降低发电机定子绕组损耗，定子的发热量也得到相应的降低。发电机的转子装置，无功降低，励磁电流减少，转子绕组的温度降低；整流电路压降不变，整流装置的发热量降低，消耗的功率降低，那么将延长整流装置的使用寿命；
f)能提高电动机端电压，增加出力，益于启动，提高电能的利用率，是电动机节电的最佳方式；
g)提升AVC调节无功效果；提高AVC调节220 kV母线电压合格率；
h)设备投资回收期约为1.5 年，本项目在发电厂中的应用是个一次投资长期受益的项目。
3 应用实例
平朔煤矸石电厂2×300 MW低压厂用电380 V工作PC 3 A段，功率因数由0.70提高到0.99,接入SVG自动无功补偿装置。
3.1以工作PC A段加装自动无功补偿SVG为例。
SVG无功补偿设备投入前后电流及功率因数比较(投入前后工作PC A段母线电流由640 A降低到488 A，功率因数由0.7提高到0.99)。负荷消耗感性无功（一般企业用户都是如此）Q_L，此时控制SVG使其产生容性无功功率，并取Q_SVG=Q_L，这样在负荷波动过程中，就可以保证：Q_S=Q_SVG-Q_L=0。
对电厂厂用电等比较复杂的补偿对象而言，当需要向电厂厂用电提供感性无功时，可以通过对SVG的控制，使其产生感性无功功率，并取Q_SVG=Q_C，这样在负荷波动过程中，仍然可以保证：Q_S=Q_SVG-Q_C=0。此外，SVG在补偿系统无功功率达同时，几乎不产生谐波。更重要的是，SVG还可以对系统的谐波、不平衡等电能质量问题进行多功能综合补偿，实现有源滤波的功能。通过统一的中央控制器的有效控制从而实现吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无级无功补偿，以此达到提高用电效率、节能以及改善电能质量的目标。
 3.2 节能量理论计算
   以工作PC A段接入无功补偿后节能量计算为例。
3.2.1 线路电能损耗
线路电能损耗与传输电能比为0.03，以δ表示，则补偿后的月节电量：
△W_L=S_L×cosφ₁×δ×τ×{1-[cosφ₁/cosφ₂]²}=
800×0.70×0.03×720×[1-(0.70/0.99)²]≈6052 kw·h    （1）
式（1）中：S_L 为工作变负荷；cosφ₁：补偿前功率因数；cosφ₂：补偿后功率因数。
3.2.2 变压器月节电量
△W_T=△P_d×(S₁/S₂)²×τ×[1-(cosφ₁/cosφ₂)²]=
   250×(0.5×2000/2000)²×720×0.5≈22500 kwh ，        （2）
 
3.2.3 补偿投入后的月总的节电效果
△W=△W_L+△W_T=22500+6052=28552 kwh/月 ，        （3）
3.2.4 年节约电能
     实际变压器一年运行12个月，保守按8个月计算如下：
     28 552 kwh/月×8个月=22.8×10⁴ kwh 。
4 结语
    在确保厂用电系统安全情况下，厂用电系统接入无功补偿后，达到降损增益，节约电能，提高厂用电系统电压稳定性，提高发配电设备的利用率，优化厂用电电能质量，延长电力设备使用寿命，减少高低压电机绝缘故障机率，减少电气设备无功冲击，提高系统的安全系数和稳定性.提升企业的经济效益。是一个一次投资，长期受益项目。

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