火電廠廠用電系統的三種無功補償方法

李紀華，師法民

(國核電力規劃設計研究院，北京 100095)

火電廠廠用電系統的三種無功補償方法

李紀華，師法民

(國核電力規劃設計研究院，北京 100095)

目前，無功補償技術廣泛應用于我國電網及工礦企業，降損節電效益顯著，而國內火電廠廠用電系統應用卻寥寥無幾。本文參考涉外火電工程對無功補償的要求、查閱相關標準文獻、廠家資料等，探討了適用于火電廠中低壓廠用電系統的三種無功補償方法：中壓電動機就地電容器無功補償、低壓SVC無功補償、中壓SVG無功補償。本文對火電廠廠用電系統無功補償的設計具有較好參考價值。

火電廠；廠用電系統；無功補償；SVG。

隨著現代化發電廠逐步引進更加先進的工藝設備，各種用電設備對電源的穩定性、可靠性要求越來越高，此時，單純依靠發電機發出的有功功率、無功功率去滿足這些負荷的需求，已不能滿足要求，尤其不能滿足電廠降損節電的要求。

本文從無功補償的角度，結合涉外火電工程設計，發現土耳其等歐洲國家，普遍對火電廠廠用電系統要求配置無功補償裝置，以提高電廠的發電利用率和經濟性，而當前我國對火電廠無功補償設計的要求較少，目前應用較多的領域局限于電網、風電廠、工礦企業等。

針對這種現象，本文重點探討適用于火電廠廠用電系統的三種無功補償方法。

1 相關基本概念

(1)有功功率：有功功率是各種用電設備正常運行時所需要的電功率(kW)。

(2)無功功率：交流電通過純電感或純電容時不消耗有功，但參與能量交換，即產生了無功功率(kVar)。無功功率不是無用功率，主要用于在電氣設備中建立和維持磁場。

(3)發電機發出功率：是視在功率(MVA)，其電流與電壓有一個不到90°的相位差。

(4)廠用電的實際負荷：多為大量異步電動機、變壓器等負荷，往往不是純阻性、純感性、或純容性的，而是混合型負荷，需要消耗有功、無功，功率因數往往小于1。

(5)廠用供配電網絡：供配電網絡輸送有功功率、無功功率，即輸送視在功率。由于大部分廠用電負荷需要消耗無功功率，因此與之相連的饋電網絡也會經常受到無功功率沖擊負荷的影響，導致饋電網絡功率因數過低，用電負荷線電流增加，從而供配電線路上的損耗增加、用電設備發熱和損耗增加導致設備壽命減短，同時供配電線路上的壓降損失也增大，到用電設備末端的運行條件也越差。

(6)廠用供配電網絡損耗：供配電網絡即存在有功損耗，也存在無功損耗。這是因為供配電線路、變壓器等設備不僅有電阻值，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。隨著現代化工藝設備的引進，單靠發電機發出的無功功率已不能滿足各種負荷及損耗對無功的需求，因此需要對廠用供配電網絡進行無功補償顯得尤為重要。采用無功補償后，可以使線路的電壓更加穩定、提高線路功率因數、減少線路損耗、延長終端用電設備的壽命。

(7)降損節電：廠用電的實際負荷和配電線路傳輸，都需要消耗大量無功，如果單純從發電機獲取，公式(1)所示，視在功率一定時，發電機為補償額外的無功功率需要多消耗自身的有功，就會使發電機效率降低、發電成本提高，同時降低發電機輸送到電網的供電效率。

如果能將無功就地補償一部分，則發電機、配電網送給用電負荷的無功就減少，配電網上的無功流動也會減少，線路功率因數提高，因而也就減少了損耗。提高功率因數和降低線損的關系參見表1。

表1 功率因數由1.0下降與損耗增加的關系

2 三種實現方法

無功補償的方式有多種，從最早的同步調相機，發展到當前最新的SVG，經歷了一個逐漸低能耗、小型化、采用電力電子新技術的發展過程，但很多基本的原理都是相通的，只是在形式上各有特點。應用到火電廠廠用電系統，無功補償的方式主要有個別補償、集中補償和分組補償，進一步借鑒我國電網和涉外工程無功補償應用情況，探討得出適用于發電廠廠用電系統的無功補償方法，按照技術由傳統到先進的發展順序，主要有如下三種。

2.1 中壓電動機就地電容器無功補償

補償原理圖見圖1，正常用電負荷回路中，并聯接入電容器組等無功就地補償器，通過投切補償器，來實現對用電負荷的無功功率補償。這種方式，因其具有價格便宜、易于安裝、維護操作方便等優點，目前在我國電網中被廣泛采用，同樣也可用于火電廠中重要中壓電動機負荷的就地無功補償方法，它適用于容量比較大、負荷平穩但使用頻繁的中壓電動機負荷，如送風機、引風機、循環水泵、給水泵等大于500 kW的中壓電動機負荷。

圖1 中壓電動機就地無功補償原理圖

但這種方式也存在缺點，因并聯電容器的阻抗是固定的，它只能發出無功功率，不能吸收無功功率，也無法動態跟蹤負荷無功功率的變化，投切時需要根據負荷變化情況頻繁進行機械開關開斷操作，因此使用上存在一定的局限性。

對于發電廠電動機來說，通常電動機在額定運行工況時的功率因數最大，其它運行時功率因數都小于額定工況的功率因數。因此，如果按功率因數確定中壓電動機需要補償的容量，比如準備將中壓電動機功率因數從cosφ1提高到cosφ2，那么所需的補償容量可計算為：

式中：cosφ1為補償前的功率因數；cosφ2為補

償后的功率因數；P為中壓電動機輸入的有功功率kW；

為了節能降耗目前火電廠各重要輔機均采用變頻技術。變頻器屬于整流類產品，雖然節約電能，但增加了電網的諧波含量。一般來說，變頻器本身有無功補償的電容，因此功率因數較高，不需再做額外無功補償，但往往采用電容加電抗的方式來過濾諧波。

2.2 低壓SVC無功補償

靜止無功補償器(Static Var Compensator, SVC)補償原理圖見圖2。一種并聯連接的靜止無功發生器或吸收器，通過對其感性或容性電流的調整，來維持或控制其與電網連接點的某種參數(典型情況為控制母線電壓)。這種補償方式在我國中壓及以上輸配電系統和工業環境中廣泛應用。因火電廠本身也消耗廠用電，類同工礦企業用電，此方法可推廣應用至火電廠廠用電低壓母線段上的無功補償方法。

圖2 晶閘管投切靜止無功補償回路組成

每個補償回路包括熔斷器、母線、晶閘管開關、濾波電抗器、補償電容器等。補償電容器通常采用角型接線，利用晶閘管的觸發角控制來改變通過電抗器的電流進行投切電路，可以平滑調整電抗器吸收的基波無功功率。這種補償裝置能夠根據低壓母線段所帶負荷無功功率的大小、及母線功率因數實際運行水平進行自動投切，屬于動態補償無功，且響應速度較快通常不小于20 ms。性能上較傳統的電容器就地補償方式有了更好的改善。

低壓SVC無功補償裝置可以有效過濾三相交流低壓母線中的諧波負荷，對低壓母線上所接的各類電動機進行集中無功功率補償。低壓SVC無功補償裝置由若干補償柜組成，每面補償柜又可由若干補償模塊拼裝組成，比如國內比較知名的英博電氣生產廠家，單元模塊補償容量就可以從15、25、30、40、50、75、100、150 kVar不等，而根據實際需要的補償容量可任意拼裝組合，無功補償實現較為靈活。

低壓SVC補償柜通常可通過母排直接連接于低壓PC段上，與PC開關柜并排布置，柜體材質、外殼防護等級等一般要與PC開關柜一致。補償柜也具有擴展功能，柜后可連接其它的低壓開關柜。補償柜內元器件模塊化布置，故障時相同容量的補償模塊應具有通用互換性。

類似電容器就地補償法，如果按功率因數確定低壓母線需要補償的容量，即低壓SVC補償柜的補償容量，比如準備將低壓母線的功率因數從cosφ1提高到cosφ2，那么低壓母線上所需的補償容量可計算為：

式中：cosφ1為補償前的母線功率因數；cosφ2為補償后的母線功率因數；P為母線上所帶負荷的有功功率之和kW；k為由cosφ1補償到cosφ2時，每kW有功負荷所需補償無功量 kVar/kW，經驗值參見表2。

表2為某涉外火電工程所選低壓無功補償容量示例，在缺乏低壓母線上所供用電負荷詳細資料的情況下，可用低壓干式變壓器的容量根據表3進行估算，即可算出較保守的低壓母線實際所需補償容量。

表2 為得到所需cosφ2每kW有功負荷所需補償的容性無功量k(kVar/kW)

表3 某工程低壓無功補償容量計算結果示例

簡言之，晶閘管控制的SVC靜止無功補償器，出現在20世紀70年代初期，可以說是靈活交流輸電家族的最早成員，其實它只是以晶閘管代替了常規的機械開關，使得開斷次數不再受到限制，但它的性能明顯優于常規的機械開關投切電容器。

2.3 中壓SVG無功補償

SVG(Static Var Generator)靜止無功發生器，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行動態無功補償。基本原理是將自換相橋式電路通過電抗器直接并聯在電網上，適當的調節橋式電路交流側輸出電壓的相位和幅值或直接控制其交流側電流，使該電路吸收或發出滿足要求的無功電流，從而實現動態無功補償的目的，它屬于智能電力電子無功補償方式，能根據負荷的變化情況來進行無功調節。

裝置中六個可關斷晶閘管分別與六個二極管反向并聯，適當控制晶閘管的通斷，就可以把電容器上的直流電壓轉變為與系統電壓同步的三相交流電壓，裝置的交流側通過電抗器并聯接入系統。重要的是，母線電壓較低時，SVG仍可向系統輸入較大的無功電流，即小容量的儲能原件電容器，可以供給系統更大的無功容量。將多組變流器進行多重化連接，就可以實現大容量調節，并應用于大型電力系統中。

成套裝置基于鏈式串聯結構、星型連接，采用高速可關斷電力電子器件IGBT，響應速度極快，IGBT開斷響應時間小于2 μs，使SVG成套裝置響應時間大大縮短。SVG可動態跟蹤電網電能質量變化，并根據變化情況動態調節無功輸出，動態響應時間不大于5 ms，抑制電壓波動與閃變能力更好。

圖3 SVG原理圖

圖3中，

式中：iL.p為用電負荷的線電流A；P為用電負

荷輸入功率W；Uab為電源線電壓V；cosφ為用電負荷功率因數；

由此可見，當輸入功率P一定時，線電流iL.P與功率因數cosφ成反比，即功率因數越大，用電負荷的線電流越小，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多有益處。通過自換相橋式電路提供的無功補償電流，可以有效降低用電負荷的線電流，從而實現降低線路損耗、減少壓降的目的。

將SVG無功補償成套裝置設在10.5 kV廠用母線段上，以10.5 kV側母線無功功率或10.5 kV母線電壓作為控制目標，可實現如下功能：

(1)功率因數補償：在補償容量足夠的情況下，可將10.5 kV母線進線點的功率因數值控制在≥0.95范圍內。

(2)輸出無功容量：成套裝置以10.5 kV側母線無功功率、10.5 kV側母線電壓作為控制目標，輸出在額定感性容量到額定容性容量連續可調的無功功率。

(3)響應時間：裝置可動態跟蹤電網電壓變化及負載變化，并根據變化情況動態調節無功輸出，實現高功率因數運行。動態響應時間不大于10 ms。

(4)諧波特性：SVG能同時實現動態無功補償和動態濾波于一體，濾波效率高，采用先進控制理論和全數字控制方法，實時檢測電網中負荷電流，快速分離出諧波電流分量，并根據諧波電流的大小產生控制指令，實時將大小相等、方向相反的補償電流注入到電網中，可有效濾除13次以下諧波電流。

(5)運行效率：裝置運行過程中，平均有功損耗不大于成套裝置輸出容量的0.8%。

中壓SVG無功補償柜的補償容量計算為：

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為中壓母線裝設補償裝置后，通過干式變中壓側的最大負荷電流量(A)；Ie為干式變干式變中壓側的額定電流值(A)；Io(%)為干式變空載電流百分值(%)，經驗數值參見表4；Se為干式變干中壓側的額定容量(kVA)。

表4 干式變壓器參數選擇

圖4為某土耳其2×255 MW工程，10.5 kV SVG中壓無功補償柜布置圖示例。工程是為解決10.5 kV母線功率因數偏低、系統諧波較大，導致電負荷出力較低、線路損耗大、電壓偏低、電壓閃變等電能質量問題，在10.5 kV中壓配電母線上裝設一套8000 kVar的靜止SVG型動態無功補償裝置，利用大功率電力電子器件(IGBT)構成的鏈式電壓源型換流器及采用先進的瞬時電流控制技術，來達到動態補償無功及諧波治理的目的。主要設備包括：進線柜、啟動柜、功率柜、控制屏等。

概言之，SVG靜止無功發生器，出現在20世紀80年代，采用新興的電力電子技術，響應速度更快、損耗更小、濾波性能更優、體積更小、并能連續大范圍調節無功等優點，正在成為無功補償技術的主流發展方向。

圖4 中壓無功補償柜布置圖示例

2.4 廠用電系統設無功補償的意義

眾所周知，發電機發出功率，主要用于輸送到電網，一部分用于廠內消耗，如果廠內消耗過大，會影響發電機輸送到電網的有功減少，在發電機視在功率一定時，從而輸送到電網的功率因數(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)對上網功率因數的要求。而在廠用電系統設置無功補償，可有效提高電廠內部配電網功率因數，減少發電機用于廠用電的消耗，增加輸送到廠外的有功，從而提高發電機發出電能的利用率，使火電廠低于標準要求的功率因數達標。

3 結論

現代化火電廠先進設備的逐漸引進，對廠用電供電的可靠性和安全性提出了更高要求。筆者借鑒歐洲工程、電網、工礦企業等無功補償的成功經驗，將火電廠類同為一個工礦企業，探討了三種適用于火電廠廠用電系統的無功補償設計方法，并給出了工程應用舉例。無功補償裝置的引入，提高了發電機發出電能的利用率，降低了廠用電消耗，使火電廠低于標準要求的功率因數達標，降低了線路損耗，延長了設備壽命。

[1] 李明慧． 淺談低壓用電線路的降損節電[G]//第二屆徐州科技論壇暨徐州市第五屆青年學術年會論文集(下冊)．徐州：徐州市科協，2009．

[2] 馮昌瑾．關于發電廠用電系統應用無功補償技術的若干思考[J]．硅谷．2013，(1)．

[3] 張香明．10 kV高壓電動機的無功就地補償[J]．降損節能．2010，(04)．

[4] 牟旭濤．無功補償在發電廠廠用電系統的應用研究[D]．濟南：山東大學，2004．

[5] IEEE Std 1031－2000 IEEE，Guide for the Functional Specification of Transmission Static Var Compensators[S]．

[6] 水利電力部西北電力設計院．電力工程電氣設計手冊第一冊[K]．北京：中國電力出版社，1989．

[7] GB/T 10228－2008，干式電力變壓器技術參數和要求[S]．

Three Reactive Compensation Methods for Coal-fired Power Plant Auxiliary System

LI Ji-hua, SHI Fa-min
(State Nuclear Electric Power Planning Design & Research Institute, Beijing 100095, China)

At present in our country, the reactive power compensation technology is widely applied in the power grid, the industrial and mining enterprises, benefit of reduce power loss and saving energy is remarkable, while its application in domestic coal-fired power plant auxiliary power system is rare. This paper refer to foreign power plant projects, related standards and articles, manufacturer information, etc., to discuss three reactive compensation methods which can be applied in coal-fired power plant auxiliary system. That is, medium voltage motor capacitor reactive compensation，low voltage SVC reactive compensation, and medium-voltage SVG reactive compensation. This paper is valuable for the design of reactive compensation in power plant auxiliary power system.

coal-fired power plant; auxiliary power system; reactive power compensation; SVG.

TM621

B

1671-9913(2015)05-0023-06

2015-06-17

李紀華(1978- )，山東費縣人，碩士，工程師，主要從事的工作:從事發電廠的設計、采購、施工、繪圖等工作。