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1 引言
發(fā)電廠廠用電量是電廠能耗的重要組成部分,隨著電力系統(tǒng)“廠網(wǎng)分離，競(jìng)價(jià)上網(wǎng)”這項(xiàng)改革的不斷深入,如何提高經(jīng)濟(jì)效益已經(jīng)成為發(fā)電廠關(guān)注的首要問題。
現(xiàn)代發(fā)電廠的廠用電量占發(fā)電總量的5%~10%，相當(dāng)于一個(gè)大型企業(yè)的年度用電量，廠用電動(dòng)機(jī)需要消耗大量的無功，廠用電系統(tǒng)內(nèi)的無功電流會(huì)導(dǎo)致線路損耗和設(shè)備發(fā)熱，占用設(shè)備容量，是廠用電效率較低的主要原因；另外，由于大量風(fēng)機(jī)水泵等設(shè)備的應(yīng)用，大量變頻器設(shè)備和電除塵設(shè)備整流出現(xiàn)的諧波電流注入到廠用電系統(tǒng)中，給用電設(shè)備的可靠運(yùn)行帶來大量隱患，所以，對(duì)變頻器集中配線（如空冷島）并對(duì)電除塵線路進(jìn)行綜合電能質(zhì)量治理已經(jīng)成為保障發(fā)電廠廠用電可靠性和提升用電效率的有效方式。
2 發(fā)電廠存在的無功功率、諧波的問題
發(fā)電廠主要的用電設(shè)備為送風(fēng)機(jī)、吸風(fēng)機(jī)、凝升泵、循環(huán)水泵、電動(dòng)給水泵、磨煤機(jī)、碎煤機(jī)、凝結(jié)水泵、空壓機(jī)和輸煤機(jī)等設(shè)備，除部分設(shè)備因?yàn)楣に囈蠹友b了變頻調(diào)速設(shè)備外,其它均為感應(yīng)電機(jī)類負(fù)載，在工作過程中消耗大量有功功率的同時(shí)，也消耗了大量的無功功率，設(shè)備自然功率因數(shù)低下，其中最低的功率因數(shù)可能達(dá)到0.2～0.3（異步電動(dòng)機(jī)輕載運(yùn)行時(shí)），正常工作過程中的功率因?yàn)橐矁H為0.7～0.9，所以廠用電一般均配有無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行無功補(bǔ)償，尤其以配電系統(tǒng)就地補(bǔ)償最為高效，用來提高廠用電系統(tǒng)的功率因數(shù)。
大量空壓機(jī)、風(fēng)機(jī)、水泵應(yīng)用于廠用電部分，考慮到節(jié)能降耗的需要安裝了大量變調(diào)速裝置，尤其是空冷島系統(tǒng)中集中使用了很多打工率變頻器，由于變頻器輸入的整流特性，在工作過程中不可避免的產(chǎn)生了大量的諧波電流，諧波電流的注入為系統(tǒng)中電機(jī)、變壓器、輸電線路等設(shè)備的安全運(yùn)行帶來了隱患。
電除塵部分為廠用電主要的電能消耗負(fù)載之一，由于電除塵為兩相整流，且根據(jù)工況需要快速變化的負(fù)載特性，產(chǎn)生的大量快速變化的無功和諧波分量，典型的電流諧波畸變率約30%～40%,無功功率含量過高帶來功率因數(shù)嚴(yán)重偏低，約為0.75，為電除塵設(shè)備和配置的變壓器的安全運(yùn)行帶來巨大隱患，圖1和圖2為在新疆某發(fā)電廠測(cè)試的電除塵電能質(zhì)量數(shù)據(jù)。
圖1 電除塵設(shè)備工作工程中電流變化及電流畸變率數(shù)據(jù)
(藍(lán)色波形為電流有效值，紫色波形為電流畸變率)
圖2 電除塵變壓器功率波動(dòng)及功率因數(shù)變化曲線圖
(藍(lán)色波形為功率數(shù)據(jù)，紫色波形為功率因數(shù)趨勢(shì)圖)
3 發(fā)電廠進(jìn)行無功功率補(bǔ)償及諧波治理的必要性
首先，《電力系統(tǒng)電壓及無功電力技術(shù)導(dǎo)則》規(guī)定：在規(guī)劃、設(shè)計(jì)電力系統(tǒng)時(shí)，必須包括無功電源及無功補(bǔ)償設(shè)施的規(guī)劃。在發(fā)電廠和變電所設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的要求，同時(shí)進(jìn)行無功電源及無功補(bǔ)償設(shè)施的設(shè)計(jì)。
其次，電廠中大量電機(jī)類負(fù)載和部分非線性負(fù)載使得用電網(wǎng)絡(luò)中含有很大的無功電流分量，無功電流的存在使得大量無功功率存在于電網(wǎng)中，發(fā)電機(jī)在發(fā)出有功功率的同時(shí)必須發(fā)出無功功率，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)發(fā)電功率較低，影響生產(chǎn)產(chǎn)能；大量無功電流的存在使系統(tǒng)視在電流嚴(yán)重增加，變壓器、電纜、斷路器等配電設(shè)備發(fā)熱嚴(yán)重，設(shè)備老化加��；無功功率大量存在會(huì)造成有用能源的浪費(fèi)；沖擊性的無功負(fù)荷更會(huì)引起電壓波動(dòng)，導(dǎo)致大量風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載的使用效率降低，影響系統(tǒng)的有效運(yùn)行；引起三相不平衡，加劇電機(jī)額外發(fā)熱，使設(shè)備過早老化。
最后，電除塵車間、空壓站、空冷島由于采用大量的非線性（電除塵和變頻器）負(fù)載，產(chǎn)生了大量的諧波，嚴(yán)重超過國(guó)標(biāo)允許值，使系統(tǒng)中用電設(shè)備不能持續(xù)安全運(yùn)行：電除塵車間的大量諧波含量導(dǎo)致電除塵設(shè)備故障率高，維護(hù)成本巨大，造成罰款隱患；諧波電流造成用電設(shè)備產(chǎn)生較大的損耗，大量諧波產(chǎn)生的集膚效應(yīng)使得電力線纜的有效使用線徑大大減少，造成發(fā)熱嚴(yán)重，使得絕緣過早老化，更換電纜造成一定的停產(chǎn)損失；
圖3 某電廠電除塵設(shè)備由于諧波含量太高損壞圖
諧波引起的損耗相對(duì)來講比較復(fù)雜，考慮集膚效應(yīng)下各次諧波電阻值與基波電阻值的如下關(guān)系： （式中， 為導(dǎo)體中n次諧波電流所對(duì)應(yīng)的電阻值，n為諧波次數(shù)），導(dǎo)體產(chǎn)生的額外的諧波損耗可以表達(dá)為：
式中， 為諧波損耗， 為基波損耗，n為諧波次數(shù)， 為第n次諧波含油量， 、 為指數(shù)，不同設(shè)備、不同含義的附加損耗指數(shù)不同。
從以上數(shù)據(jù)分析可以看到，諧波引起的附加損耗，尤其是表現(xiàn)在變壓器的鐵心損耗上，與諧波次數(shù)的平方成正比，我們看到此處出現(xiàn)了四次集膚效應(yīng)，重復(fù)集膚效應(yīng)帶來的附加損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出正常導(dǎo)體出現(xiàn)諧波電流時(shí)的損耗。
此外，諧波電壓產(chǎn)生的電壓尖峰使得廠用電部分的風(fēng)機(jī)、水泵等電機(jī)類負(fù)載存在匝間擊穿隱患、電除塵、變頻器等設(shè)備出現(xiàn)輸入整流管擊穿現(xiàn)象，影響廠用電系統(tǒng)的安全運(yùn)行；諧波的大量存在還會(huì)影響廠內(nèi)無線通訊系統(tǒng)，導(dǎo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)丟失或錯(cuò)誤，使得智能監(jiān)控設(shè)備不能有效持續(xù)運(yùn)行。
4 發(fā)電廠采用臺(tái)達(dá)SVG\APF進(jìn)行無功功率補(bǔ)償及諧波治理可行性分析
表2 發(fā)電廠采用SVG\APF進(jìn)行無功功率補(bǔ)償及諧波治理可行性分析
5 臺(tái)達(dá)火電廠無功功率補(bǔ)償及治理的方案
圖1 電廠廠用電典型的電能質(zhì)量產(chǎn)品配置方案（以單臺(tái)廠高變?yōu)槔?/b>
表3 諧波治理具體實(shí)施方案
6 臺(tái)達(dá)方案實(shí)施后經(jīng)濟(jì)效益分析
6.1無功功率過大及諧波嚴(yán)重超標(biāo)造成的直接經(jīng)濟(jì)損失
6.1.1無功功率過大影響發(fā)電機(jī)效率
一般廠用電約占發(fā)電總?cè)萘康?span lang="EN-US">3%~10%，而廠用電設(shè)備越先進(jìn)，廠用電容量占比越小，所以以廠用電比例5%來計(jì)算、假設(shè)電廠容量為兩個(gè)660MW機(jī)組，則廠用電容量約為660MVA×2×5%=66MVA，廠用電部分功率因數(shù)為0.7時(shí)，需要發(fā)電機(jī)供給的無功功率約為 47.13Mvar，此時(shí)發(fā)電機(jī)輸出的有功功率為： ；當(dāng)廠用電部分功率因數(shù)為0.95時(shí)，需要發(fā)電機(jī)供給的無功功率約為 20.61Mvar，此時(shí)發(fā)電機(jī)輸出的有功功率為： 。廠用電部分功率因數(shù)為0.95時(shí)發(fā)電機(jī)多發(fā)出的有功容量比發(fā)電廠廠用電部分功率因數(shù)為0.7時(shí)多 ；
6.1.2 無功功率和諧波電流的直接有功損耗
在工業(yè)領(lǐng)域中，大量的用電設(shè)備屬于阻感性設(shè)備，這些電氣設(shè)備在工作過程中，既要消耗大量的有功功率，同時(shí)還要消耗大量的無功功率。為了保證電氣設(shè)備的正常運(yùn)行，必須滿足其對(duì)有功和無功功率的需求。但是如果這部分無功功率都由發(fā)電機(jī)通過輸電線路進(jìn)行供給的話，一方面造成發(fā)電和輸、變電設(shè)備容量的浪費(fèi)，另一方面大量的無功功率在網(wǎng)絡(luò)中傳輸也要造成有功功率的損耗（如下式）：
因此，需要對(duì)用電設(shè)備的無功功率進(jìn)行就近補(bǔ)償。補(bǔ)償后，無功功率造成的線路損耗將大為減小（如下式）：
補(bǔ)償后線路的電流減少，從而降低了線路損耗，又稱為焦耳損耗，電網(wǎng)的焦?fàn)枔p失與1/COSф2成正比，因此提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，做到發(fā)電機(jī)少向廠用電或不向廠用電側(cè)輸送無功電力，會(huì)減少電網(wǎng)線損△P1以及變壓器銅損△Pd，達(dá)到節(jié)能的目的。線損的計(jì)算較復(fù)雜，根據(jù)有關(guān)資料指出，我國(guó)電網(wǎng)平均線損LP為用電容量的10％左右（見《電網(wǎng)線損的理論計(jì)算與分析》水電出版社，1985），若采用動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置SVG，無功線損可大大降低，因此進(jìn)行無功功率補(bǔ)償是節(jié)能降耗的重要手段。補(bǔ)償后線路損耗降低的百分值大約為：
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6.2功率因數(shù)太低和諧波含量嚴(yán)重超標(biāo)造成的間接經(jīng)濟(jì)損失
無功功率和諧波電流引起的電壓波動(dòng)會(huì)使系統(tǒng)中各種風(fēng)機(jī)水泵的運(yùn)行效率降低；因?yàn)殡姍C(jī)的勵(lì)磁回路出現(xiàn)了大量的負(fù)序諧波，從而產(chǎn)生反相的電機(jī)轉(zhuǎn)矩，影響風(fēng)機(jī)水泵的運(yùn)行效率，而且大量無功電流引起的電壓下降使電機(jī)運(yùn)行效率降低更為加劇，使設(shè)備投資事倍功半；大量諧波含量造成的系統(tǒng)干擾、沖擊繼電設(shè)備保護(hù)極限值，導(dǎo)致設(shè)備誤動(dòng)作，造成局部生產(chǎn)工段存在停產(chǎn)隱患，給發(fā)電廠帶來停產(chǎn)損失；在大量無功功率和諧波電流存在的系統(tǒng)中，變壓器流過的電流為有功電流、無功電流和諧波電流的矢量和，而無功電流和諧波電流含量過大會(huì)導(dǎo)致變壓器額定輸出的有功電流能力大大降低，從而造成變壓器容量浪費(fèi)，進(jìn)行諧波抑制和無功補(bǔ)償后，提高了變壓器帶載容量，變壓器的出力一般提高25%～40%，增加了變壓器有功輸出，實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)效益。而且諧波環(huán)境下各種用電設(shè)備使用壽命降低，尤其是電機(jī)類設(shè)備發(fā)熱老化嚴(yán)重、變頻調(diào)速裝置輸入級(jí)過高的諧波電壓峰值擊穿損壞，造成設(shè)備維護(hù)量大。
作者簡(jiǎn)介：
梁錄平，出生于1984年，畢業(yè)于西安工業(yè)大學(xué)，自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)任臺(tái)達(dá)集團(tuán)--中達(dá)電通股份有限公司機(jī)電事業(yè)部電能質(zhì)量產(chǎn)品處高級(jí)應(yīng)用工程師，主要從事工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的電能質(zhì)量問題探索和電能質(zhì)量產(chǎn)品在各種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用工作。
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