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    【摘要】通過本文介紹了火電廠自用電系統中存在的電能質量問題，給出了臺達有源型電能質量產品在改善電能質量方面的分析，通過綜合的電能質量治理，可以提高發電廠廠用電系統的功率因數，降低用電系統的諧波含量，提高用電效率、改善用電廠用電環境、保障設備的穩定可靠運行，提高電廠運營經濟性。

    【Abstract】This paper introduces the electric power quality problems in power plant auxiliary power system, the delta active power quality products can be analyzed in improving power quality, the comprehensive power quality management, can improve the power factor of electric power plant system, reduce the harmonic content of electric system, improve the power efficiency, improve the power plant electricity environment, guarantee the stable and reliable operation of the equipment, improve plant operation economy.

    【關鍵字】廠用電；功率因數；諧波；綜合電能質量治理

    【Keywords】auxiliary power; reactive power; power factor ; harmonic ;the comprehensive power quality management

    1 引言

    發電廠廠用電量是電廠能耗的重要組成部分,隨著電力系統“廠網分離，競價上網”這項改革的不斷深入,如何提高經濟效益已經成為發電廠關注的首要問題。

    現代發電廠的廠用電量占發電總量的5%~10%，相當于一個大型企業的年度用電量，廠用電動機需要消耗大量的無功，廠用電系統內的無功電流會導致線路損耗和設備發熱，占用設備容量，是廠用電效率較低的主要原因；另外，由于大量風機水泵等設備的應用，大量變頻器設備和電除塵設備整流出現的諧波電流注入到廠用電系統中，給用電設備的可靠運行帶來大量隱患，所以，對變頻器集中配線（如空冷島）并對電除塵線路進行綜合電能質量治理已經成為保障發電廠廠用電可靠性和提升用電效率的有效方式。

    2 發電廠存在的無功功率、諧波的問題

    發電廠主要的用電設備為送風機、吸風機、凝升泵、循環水泵、電動給水泵、磨煤機、碎煤機、凝結水泵、空壓機和輸煤機等設備，除部分設備因為工藝要求加裝了變頻調速設備外,其它均為感應電機類負載，在工作過程中消耗大量有功功率的同時，也消耗了大量的無功功率，設備自然功率因數低下，其中最低的功率因數可能達到0.2～0.3（異步電動機輕載運行時），正常工作過程中的功率因為也僅為0.7～0.9，所以廠用電一般均配有無功補償裝置進行無功補償，尤其以配電系統就地補償最為高效，用來提高廠用電系統的功率因數。

    大量空壓機、風機、水泵應用于廠用電部分，考慮到節能降耗的需要安裝了大量變調速裝置，尤其是空冷島系統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生了大量的諧波電流，諧波電流的注入為系統中電機、變壓器、輸電線路等設備的安全運行帶來了隱患。

    電除塵部分為廠用電主要的電能消耗負載之一，由于電除塵為兩相整流，且根據工況需要快速變化的負載特性，產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嚴重偏低，約為0.75，為電除塵設備和配置的變壓器的安全運行帶來巨大隱患，圖1和圖2為在新疆某發電廠測試的電除塵電能質量數據。


                    

                       圖1 電除塵設備工作工程中電流變化及電流畸變率數據

                       (藍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及功率因數變化曲線圖

                       (藍色波形為功率數據，紫色波形為功率因數趨勢圖)

    3 發電廠進行無功功率補償及諧波治理的必要性

    首先，《電力系統電壓及無功電力技術導則》規定：在規劃、設計電力系統時，必須包括無功電源及無功補償設施的規劃。在發電廠和變電所設計中，應根據電力系統規劃設計的要求，同時進行無功電源及無功補償設施的設計。

    其次，電廠中大量電機類負載和部分非線性負載使得用電網絡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中，發電機在發出有功功率的同時必須發出無功功率，導致發電機發電功率較低，影響生產產能；大量無功電流的存在使系統視在電流嚴重增加，變壓器、電纜、斷路器等配電設備發熱嚴重，設備老化加劇；無功功率大量存在會造成有用能源的浪費；沖擊性的無功負荷更會引起電壓波動，導致大量風機、水泵類負載的使用效率降低，影響系統的有效運行；引起三相不平衡，加劇電機額外發熱，使設備過早老化。

    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）負載，產生了大量的諧波，嚴重超過國標允許值，使系統中用電設備不能持續安全運行：電除塵車間的大量諧波含量導致電除塵設備故障率高，維護成本巨大，造成罰款隱患；諧波電流造成用電設備產生較大的損耗，大量諧波產生的集膚效應使得電力線纜的有效使用線徑大大減少，造成發熱嚴重，使得絕緣過早老化，更換電纜造成一定的停產損失；


                    

                        圖3 某電廠電除塵設備由于諧波含量太高損壞圖

    諧波引起的損耗相對來講比較復雜，考慮集膚效應下各次諧波電阻值與基波電阻值的如下關系：
（式中，為導體中n次諧波電流所對應的電阻值，n為諧波次數），導體產生的額外的諧波損耗可以表達為：

    

    式中，為諧波損耗，為基波損耗，n為諧波次數，為第n次諧波含油量，、為指數，不同設備、不同含義的附加損耗指數不同。

                                     表1 不同設備損耗對比


                    

    從以上數據分析可以看到，諧波引起的附加損耗，尤其是表現在變壓器的鐵心損耗上，與諧波次數的平方成正比，我們看到此處出現了四次集膚效應，重復集膚效應帶來的附加損耗遠遠高出正常導體出現諧波電流時的損耗。

    此外，諧波電壓產生的電壓尖峰使得廠用電部分的風機、水泵等電機類負載存在匝間擊穿隱患、電除塵、變頻器等設備出現輸入整流管擊穿現象，影響廠用電系統的安全運行；諧波的大量存在還會影響廠內無線通訊系統，導監測數據丟失或錯誤，使得智能監控設備不能有效持續運行。

    4 發電廠采用臺達SVG\APF進行無功功率補償及諧波治理可行性分析

    表2 發電廠采用SVG\APF進行無功功率補償及諧波治理可行性分析


                    

    5 臺達火電廠無功功率補償及治理的方案


                    

               圖1 電廠廠用電典型的電能質量產品配置方案（以單臺廠高變為例）

    表3 諧波治理具體實施方案

                    
   
    6 臺達方案實施后經濟效益分析

    6.1無功功率過大及諧波嚴重超標造成的直接經濟損失

    6.1.1無功功率過大影響發電機效率

    一般廠用電約占發電總容量的3%~10%，而廠用電設備越先進，廠用電容量占比越小，所以以廠用電比例5%來計算、假設電廠容量為兩個660MW機組，則廠用電容量約為660MVA×2×5%=66MVA，廠用電部分功率因數為0.7時，需要發電機供給的無功功率約為47.13Mvar，此時發電機輸出的有功功率為：；當廠用電部分功率因數為0.95時，需要發電機供給的無功功率約為20.61Mvar，此時發電機輸出的有功功率為：。廠用電部分功率因數為0.95時發電機多發出的有功容量比發電廠廠用電部分功率因數為0.7時多；

    6.1.2 無功功率和諧波電流的直接有功損耗

    在工業領域中，大量的用電設備屬于阻感性設備，這些電氣設備在工作過程中，既要消耗大量的有功功率，同時還要消耗大量的無功功率。為了保證電氣設備的正常運行，必須滿足其對有功和無功功率的需求。但是如果這部分無功功率都由發電機通過輸電線路進行供給的話，一方面造成發電和輸、變電設備容量的浪費，另一方面大量的無功功率在網絡中傳輸也要造成有功功率的損耗（如下式）：

                     

    因此，需要對用電設備的無功功率進行就近補償。補償后，無功功率造成的線路損耗將大為減小（如下式）：


                    

    補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，電網的焦爾損失與1/COSф2成正比，因此提高電網的功率因數，做到發電機少向廠用電或不向廠用電側輸送無功電力，會減少電網線損△P1以及變壓器銅損△Pd，達到節能的目的。線損的計算較復雜，根據有關資料指出，我國電網平均線損LP為用電容量的10％左右（見《電網線損的理論計算與分析》水電出版社，1985），若采用動態無功補償裝置SVG，無功線損可大大降低，因此進行無功功率補償是節能降耗的重要手段。補償后線路損耗降低的百分值大約為：


                    

    6.2功率因數太低和諧波含量嚴重超標造成的間接經濟損失

    無功功率和諧波電流引起的電壓波動會使系統中各種風機水泵的運行效率降低；因為電機的勵磁回路出現了大量的負序諧波，從而產生反相的電機轉矩，影響風機水泵的運行效率，而且大量無功電流引起的電壓下降使電機運行效率降低更為加劇，使設備投資事倍功半；大量諧波含量造成的系統干擾、沖擊繼電設備保護極限值，導致設備誤動作，造成局部生產工段存在停產隱患，給發電廠帶來停產損失；在大量無功功率和諧波電流存在的系統中，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導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，進行諧波抑制和無功補償后，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，實現增產效益。而且諧波環境下各種用電設備使用壽命降低，尤其是電機類設備發熱老化嚴重、變頻調速裝置輸入級過高的諧波電壓峰值擊穿損壞，造成設備維護量大。

    作者簡介：

    梁錄平，出生于1984年，畢業于西安工業大學，自動化專業，現任臺達集團--中達電通股份有限公司機電事業部電能質量產品處高級應用工程師，主要從事工業現場的電能質量問題探索和電能質量產品在各種工業現場的應用工作。