发电厂无功补偿的经济性分析

摘要：采用节能技术降低电能损耗节约用电，是现代电力工业的实际需求。提高电力系统技术经济指标的最经济、最有效的手段就是无功补偿。本文考虑了安装高压电容器组、安装低压电容器组、同步电机的过励磁三种形式无功补偿的方式。通过在MATLABSimulink程序中编制模型进行分析，并给出采用同步电机发电和电容器组传输无功功率成本的计算方法，得出采用同步电机发电的成本低，但对于高低压侧的补偿效果却低于电容器组。

关键词：无功补偿；同步发电机；低压电容器组

在发电厂中，综合厂用电率直接影响一个发电厂的技术经济性能。综合厂用电率是指发电厂自身的综合用电量与发电量的比值，而综合厂用电量是发电厂自身用电量和主要电气设备的损耗之和，也就是上网电量和发电量的差值。它反映了电厂的用电设备和设备电能损耗占发电量的比值。

在发电厂中，存在大量的变压器和异步电动机等电感性负载。发电厂的辅助设备中常常流动着大量的无功感性电流，这些无功电流会使用电设备的功率因数降低。当功率因数偏低时，在输出的有功不变的情况下，用电设备需要增加视在功率，这会导致整个系统电流增加。用电设备和线路的损耗显著增加，让发电厂的综合厂用电率上升。

因此，采用节能技术降低电能损耗，节约用电是现代发电厂进行节能减排工作的实际需要［14］。而提高发电厂技术经济指标的最经济、同时也是最有效的手段是无功补偿。

在文献［5］中提出了一种用于估计电网中一个用户在无功补偿期间有功损耗的减少的模型，但是该模型并没有考虑在电网中其他用户无功补偿状态也发生改变的情况。因此，用户很难预测在安装了无功补偿装置后的收益情况，这显著增加了用户的投资风险。

在文献［6］中采用无功补偿装置的方式，可以有效改善交流电机的功耗特性。无功补偿装置由串联的电容器（C）和电感（L）组成，连接在变压器的二次绕组上。文中所提出的无功补偿装置的控制采用极值控制方法。

1无功补偿的方式

为了实现可靠的电力网络，有必要对网络中的电能进行监控。无功补偿是实现电力系统电能稳定优质的有效手段，无功补偿可以通过同步调相机、静止无功补偿器（SVC）和静止同步补偿器（STATCOM）等多种设备实现。

无功功率（Q）是用于表示电机或者电容性负载等感性负载的无功功率，单位通常以VAR为单位计算。从工程或者经济的角度，应用最有效的无功补偿技术使电力系统处于健康和稳定的状态是非常重要的。无功功率补偿通常被定义为通过管理无功功率来改善电网中交流电的产生。无功补偿的概念涵盖了电力系统和电力消费者等不同领域的各种问题，其中与电能质量和电能损耗相关的问题，可以通过适当的无功控制来解决。

任何电力系统传送电能的目标之一都要保证良好的同步频率。通过技术的进步，可靠和高效的电力网络已经实现了这个目标。无功补偿是加强电网质量的有效手段，通过电容器组、静止无功补偿器或静止同步补偿器可以有效调节无功功率。

无功补偿有不同的方式，包括电容器组、串联补偿器、并联电抗器、静止无功补偿器（SVC）、静止同步补偿器（STATCOM）和同步调相机、同步电机等。但为了达到发电厂无功补偿经济最大化，本文简述几种不同的无功技术作为无功补偿的可能来源。研究的技术包括：同步调相机、静止无功补偿器（SVC）和静止同步补偿器（STATCOM）。

1.1同步调相机

同步调相机是一种产生无功功率的同步装置，其相位超前有功功率90度。它是一种类似于同步电机的设备，其转轴不与任何负载相连，而是不受约束地自由旋转。其目标不是将电能转换为机械能，而是调节输电网无功电流的大小，其磁场由电压调节器调节，根据需要产生或吸收无功功率，以改变电网电压或提高功率因数。同步调相机的无功功率可以稳定调节，当电压降低时，同步调相机发出无功功率，此时，同步电机的能量损失较高。大多数与电网相连的同步调相机的额定功率在20～200Mvar之间，其中大量采用氢气冷却。只要氢浓度保持在70%以上的良好状态，一般在91%以上，就不会有喷发的威胁。

在引入电力电子设备之前，同步调相机曾被广泛用作提供无功功率补偿的手段。从1920年末到1970年末，电力系统中使用了许多同步调相机。同步调相机在电压和无功功率控制领域的应用已有50多年的历史，实际上，同步调相机只是连接到电力系统的同步电机。同步后，励磁电流将根据交流电力系统的需要进行调节，以产生或吸收无功功率。当与自动励磁电路一起使用时，该装置可以提供连续的无功功率控制。同步调相机已用于配电和输电网络，以提高稳定性并在负载状态变化和紧急情况下提供无功支持。

目前，同步调相机已经很少被使用。主要因为他们需要大量的启动和保护装置。另外，当负载快速变化时，同步调相机平衡功率的速度较慢，工作时候的有功损耗也比静止无功补偿器高很多，并且相同补偿功率的设备成本也比静止无功补偿装置高。

1.2静止无功补偿器（SVC）

静止无功补偿器（SVC）是晶闸管控制的（因为它是晶闸管控制的，因此为静止）无功功率发生器，功率可以是滞后或超前，或两者兼而有之。SVC是一种高压设备，可有效调节其耦合端的网络电压，其主要功能是保持在设定的参考点的网络电压恒定。

SVC其他的控制特性包括：电压控制、无功功率控制、功率振荡阻尼以及不平衡控制。SVC设备的设计和配置始终根据项目的特定要求来进行设计。SVC是基于电力电子和其他静止设备的调节器之一，称为灵活交流输电系统（FACTS）调节器，用于提高电力网络的传输能力和灵活性。

静止无功补偿器是将可控的电抗器和电力电容器并联使用，其输出经过调节以改变电容性或电感性电流，以保持电力系统良好状态或调节电力系统的特定参数（通常是总线电压）。SVC是建立在没有门极关断能力的晶闸管上的，晶闸管实现的是可变无功阻抗。SVC包括三个主要部分：晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电抗器（TSR）以及晶闸管投切电容器。SVC设计的目标是无功和负载不平衡补偿，并且通过在其调节器中使用传统量，它可以用于智能电网的协同补偿方法。

1.3静止同步补偿器（STATCOM）

静止同步补偿器（STATCOM）是FACTS设备中的一种。它们的主要工作方式是向与其连接的交流电力系统提供快速、精确且可调节的无功功率。

STATCOM通过修改流入和流出其交流侧的电流无功成分的幅值和相位来实现无功调节的目的。这使得STATCOM能够调节与交流电力系统交换的无功功率的数量和无功流动方向。STATCOM可以提高机械的功率因数，减少机械输入电压变化，从而防止对工厂造成损害，并最大限度地降低设备的运营成本，STATCOM还可用于交流输电系统线路接收端的电压补偿。

2发电站无功补偿的方法

采用电容器组进行无功补偿的作用有：将功率因素提高到目标值；减少电力网络中各元件的有功损耗调节电力网络中节点的电压；改善电能质量。例如，某电厂由DTS41配电所进行供电，其各部分采用以下负载：

Ⅰ段：2台高压同步电机P=600kW，1台感应电机P=320kW，额定电压6kV，低压负荷总功率P=610kW，Q=300kvar。

Ⅱ段：1台高压同步电机P=1600kW，1台高压感应电机P=220kW，电压6kV时，1台感应电机P=320kW；总低压负荷P=600kW，Q=300kvar。

3研究过程

3.1Ⅰ段三种补偿结果

在该模型没有无功补偿的情况下，测量了高、低压侧的功率因数cosφ，并记录在表1。

本文考虑了三种形式的无功补偿：安装高压电容器组（HCB）、安装低压电容器组（LCB）、同步电机的过励磁。

采用功率为1600kW的同步电机过励磁、HCB进行无功补偿时以及LCB装置补偿无功功率时，对MATLABSimulink程序编制的模型进行了对比分析，得出了高、低压侧的功率因数cosφ，结果如表1所示。

从表1可以看出：采用HCB进行补偿时，在低压侧，由于0.4kV侧没有从6kV侧吸收无功功率，cosφ没有变化。

采用LCB进行补偿时，低压侧的cosφ增加，因为无功功率的产生在低压侧本身。

3.1.1同步电机过励磁补偿成本分析

首先定义使用同步电机产生和传输无功功率的成本。产生无功功率Q同步电机的成本仅由产生Q引起的定子绕组和励磁绕组中有功功率的额外损耗成本决定。

产生Q所导致的总损耗ΔPM为：

ΔPM=D1QnQ+D2Q2nNQ（1）

式中：D1、D2为常数取决于同步电机的计算参数；Q为所有同步电机产生的总的无功功率；Qn是单个同步电机的额定容量。

将前文已经给定的值代入式子（1），得到：

ΔPM=7.78kW

发电厂运行期间产生Q所消耗的总电量为：

C=C0ΔPM（2）

式中：C0为电力损耗的单位成本，单位为元/千瓦。

总成本的定义式：

Ω=EpNKr+C0ΔPM（3）

这里：

Ep为年度扣除额，Ep=0.2；

N为同步发电机数量，N=2；

Kr为励磁调节器的成本。

将数值代入公式（3）中得到：

Ω=61.85元

3.1.2采用LCB补偿时成本分析

定义使用LCB无功补偿时的成本，所需电容器组的无功功率Q由公式（1）确定：

Q=2πfCU2（4）

这里：C是三相电容器的三相储能的总和；

把值代入公式（4）中，得到：

Q=102.5kvar

选择低压电容器组品牌KRM0.41057.5UZ，售价5800元。

引入补偿资金的相关成本包括安装新设备和拆除陈旧设备的成本。LBC采购成本的30%用于新设备的安装和旧设备的拆除。

产生Q值的电厂在运行期间的年耗电成本：

C=C0ΔPbk（5）

这里：ΔPbk为1kV以下电力设备的损耗总值，ΔPbk=4.5kW/Mvar，代入（5）中，得到C=3.5元。

估算成本由（1）确定：

Ω=EK0+［EKuUbkU2+C0ΔPbk］Q（6）

公式（6）中E为资本投资年度扣除总额，对于20kV以下的电气设备等于0.223；

Ubk为电压比，将数值代入（6）中，得到：Ω=1431元。

安装LCB成本由前文中的占比可知为7566元，维护低压电容器组的年费为1431元。

3.1.3采用HCB补偿时成本分析

当采用高压电容器组计算无功功率成本时，由式（4）可知，高压电容组安装的无功功率Q为Q=3357.28kvar。选择UKL（P）576.33600UZ标记的高压电容器组，采购成本为123180元。

电容器组估计费用的主要部分是扣除额K=124755元。电厂运行期间每年用于产生无功功率的电力损耗成本C=56元，估计成本为27535.82元。采购UKL（P）576.33600U3HBC的成本将为160134.83元，维护一个高压电容器组的年成本为27535.82元。

3.2Ⅱ段三种补偿结果

对Ⅱ段分别记录在没有无功功率、同步电机过励磁补偿、HCB无功补偿和LCB进行补偿时，分别在高、低压侧测量cosφ。结果cosφ的值等于：

HCB选择UKL（P）576.33600UZ，安装费用为160134.83元。维护一个高压冷凝器装置的年费用为27535.82元，采购LCB品牌KRM0.41057.5U3的成本将为7461.84元，低压电容器组的年度维修费用为1431.51元。使用同步发动机进行无功补偿的费用为52.86元。

结语

为了补偿高压侧缺失的无功功率，需要电容器组的电容较小，HCB的容量为99μF，LCB的容量为680μF。选择电容器组的电容，可以按照满足低压侧和高压侧的用户正常所需无功功率的数值进行选择，采用同步发动机进行无功补偿的费用远低于电容器组的成本。

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作者简介：王昭（1988—），男，黑龙江北安人，工学、管理学学士，中级工程师，研究方向：电气工程及其自动化、工商管理。