动态无功补偿装置应用于电网节能效益分析

动态无功补偿装置应用于电网节能效益分析
葛维春 辽宁省电力有限公司
摘要： SVC（Static Var Compensator）装置通过无触点的晶闸管控制电抗器电流来实现动态无功支持, 用于解决电能质量问题、增强电网稳定性、优化无功潮流。SVC 被大量应用于工业及输电领域，是重要的 节能技术手段。本文对静止无功补偿器的技术进行了简要介绍，对 SVC 的在节能领域的效益进行了详细分 析。 关键词：SVC（静止无功补偿器） ，TCR（晶闸管控制电抗器） ，节能
The Analysis of Static Var Compensator in Power Economizing
Weichun Ge
Power Corporation of Liaoning Province
ABSTRACT: Static Var Compensator (SVC) is very useful to improve power quality and power system stability, as well as optimize power flow. It is widely used for power economizing in industry field and electric transmission system. The technique of SVC is described briefly, and the effect of power economizing is discussed detailly in this paper. Keywords: SVC, TCR, Power economizing
1. 引言 目前，我国输配电网无功缺乏，备用容量严重不足，无功补偿装置缺少灵活的调 节能力，其中由于无功不足原因而产生电压降落、电能传输损耗大、线路输送容量降 低和网络稳定性下降等问题表现尤为突出。近年来，随着大功率非线性负荷用户的不 断增多，对电网的冲击和谐波污染呈不断上升趋势，缺乏无功调节手段造成了母线电 压随运行方式的变动很大，导致电网线损增加，使得系统电压合格率不高。此外，电 网的发展，系统稳定性问题越发重要。电网的损耗、电压及功角稳定性与无功功率快 速、有效提供有关。我国互联电网已经进入了大电网、大机组时代，大量的无功在网 间传送，造成了巨大的网络损耗。故此大量的无功不适应于远距离的传输，无功功率 一般采取分层分区平衡、就近补偿的原则。 在工业应用领域，随着国民经济的发展，大量的冲击性质的负荷如电弧炉、轧机、 电气化铁路等接入电网，由于其呈现的冲进性无功特性核非线性负荷特性，对电能质 量造成了巨大的污染。主要体现在谐波严重超标，造成变压器、电机、电容器组和线 路的损耗加剧，甚至危及设备安全；产生的负序电流对电机等旋转机械产生附加转矩， 降低工作效率，增加能耗；由于冲击无功的作用，对电压造成严重的波动和闪变，降 低生产效率，单位能耗增加，同时造成产品质量下降。对这些大冲击非线性负荷或不
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对称负荷应进行就地无功补偿和用电污染治理，即对该类污染从源头进行治理，以达 到电能质量治理、节能降耗、增加产量和提高产品质量的目的。 传统的无功补偿设备有同步调相机、固定电容器组、开关投切并联电抗器等，这 些设备可满足一定范围的无功补偿要求，但它们也存在着其固有的缺点，如同步调相 机响应速度慢，由于其带有旋转部件维护工作量大，固定电容器组和开关投切并联电 抗器响应速度慢，无法连续调节等。显然，以上几种无功补偿设备很难对电网电压的 波动有较好的抑制效果。随着晶闸管及其应用技术的发展，到上世纪 70 年代初期，晶 闸管型的静止无功补偿器（Static Var Compensator, SVC）开始应用。 采用晶闸管等电力电子器件作为控制元件的静止无功补偿设备是一种先进的高压 电网动态功率因数补偿装置，有响应速度快、控制灵活、连续可调等优点，在输配电 网和工业用户中越来越得到广泛的应用。SVC 在国外已处于实用化阶段，随着电力电 子器件与计算机控制技术的发展，SVC 正朝着高电压和大容量方向发展。 2. 动态无功补偿技术 无功补偿技术的发展经历了从同步调相机→开关投切固定电容→动态投切电容器 （SVC）→无功发生器（SVG）的过程。根据结构原理的不同，SVC 技术又分为：自饱和 电抗器型（SSR） 、晶闸管相控电抗器型（TCR） 、晶闸管投切电容器型（TSC） 、高阻抗变 压器型（TCT）和励磁控制的电抗器型（AR） 。随着电力电子技术，特别是大功率可关断 器件技术的发展， 国内外还在研制、 开发不同结构类型的静止无功功率发生装置 （SVG） ， 但它们尚处在开发及试运行阶段，目前尚未形成商品化，而且 SVG 尚不具有 SVC 的能在 不平衡情况下运行的优良品质，损耗远大于 SVC，在节能效率上远不如 SVC。 各种无功设备各自特点如下： 1）同步调相机：响应速度慢，噪音大，损耗大，技术陈旧，属淘汰技术； 2）开关投切电容器：慢响应补偿方式，连续可控能力差； 3）静止无功补偿器（SVC)：先进实用技术，得到了广泛应用； 4）静止无功发生器（STATCOM)：有技术上局限性，属少数示范工程阶段。 根据结构原理的不同，SVC 技术又分为自饱和电抗器型（SSR） 、晶闸管相控电抗器 型(TCR） 、晶闸管投切电容器型（TSC） 、高阻抗变压器型（TCT）和励磁控制的电抗器型 （AR） 。目前大容量静止无功补偿设备主要采用 TCR 和／或 TSC 型 SVC 技术，世界各国 普遍采用 SVC 装置作为电网的动态无功支撑点，以降低网损、提高输电能力或加强电网
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的安全稳定运行。 SVC 在配电系统可以发挥如下的作用： 改善系统的电压质量，减少电压波动，提高供电的电压合格率； 快速连续的调节能力可减小闪变； 吸收负荷谐波电流，减小电压畸变率； 分相补偿，可使用平衡化算法使三相负荷平衡，减少负序。 SVC 在输电系统可以发挥如下的作用： 稳定系统电压，提高系统稳定性； 通过有效的无功功率补偿，使无功功率分区平衡，提高功率因数， 减少无功潮流，降低网损； 控制线路潮流，改善系统静态及暂态稳定性，增加线路输电能力； 增强系统阻尼，抑制低频振荡。 SVC 技术可应用于：电力系统、电气化铁路牵引站、冶金企业及其它行业中的无功 功率补偿、电压控制和谐波治理，为改善我国的电能质量，消除不安全隐患，降低网损 作贡献。 3. 工程应用实例及节能效果 3.1. 鞍山红一变 SVC 工程 鞍山红一变 SVC 是我国具有自主知识产权的第一套用于输电网的 SVC 工程应用。 鞍 山红一变是东北电网的枢纽变电所。 有两台 120MVA、 台 80MVA 主变， 2 总容量为 400MVA； 无功补偿采用 1939 年制造的 2 台总容量为 90Mvar 的调相机，其中一台已经报废，另一 台也只能发 20Mvar 无功，面临报废。红一变主要肩负为鞍山钢铁公司的供电任务。鞍 山钢铁公司的负荷具有大容量、冲击性的特点，而鞍山地区没有大的电源支撑，鞍山红 一变的动态无功补偿措施与其枢纽变和负荷中心的重要地位极不相称。2001 年 9 月， 鞍山供电公司将 SVC 替换调相机作为科技项目提出， 得到辽宁省电力公司和原国家电力 公司的高度关注。2001 年 10 月 30 日辽宁省电力有限公司在鞍山红一变召开了 SVC 项 目可行性论证会，随后，经过大量调研、论证，确定采用 SVC 技术替代原调相机。 红一变主接线图如图 5 所示。变电站更新为 4 台 120MVA 主变，220kV 进、出线共 9 条，22OkV 采用双母线带侧母线的接线方式，22OkV 两条母线并列运行；66kV 采用分列 运行方式。根据计算＃3、＃4 主变三次侧 35kV 母线并列运行时远期最大短路容量为
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642.26MVA;35kV 分列运行时远期最大短路容量为 257.07MVA。 在红一变 22OkV 变电站加装一套 100MvarSVC 替代同步调相机，其中包括 SVC 在 35kV 侧设计输出的动态无功容量为十 80Mvar（容性）～5OMvar（感性）,TCR 回路可调 感性无功为 O～55.9Mvar，包括一组晶闸管控制电抗器，6 组单调谐滤波器，即 3 次、5 次、7 次各两组，挂接＃3、＃4 主变的三次侧；在主变 66kV 侧还设置了一组串联电抗 率为 5％的 20Mvar 固定电容器补偿支路，挂接＃3、＃4 主变的二次侧。
图 5 红一变主接线图（图中 SVC 位置原为调相机）
SVC 装置一次原理主接线如图 6 所示， ＃4 主变 35kV 母线采用单母线接线， #3、 SVC 装置接在单母线，其中 3 次、5 次、7 次滤波器分别为等容量的两组支路，与 TCR 支路 共同挂接 35kV 母线。
图 6 SVC 静补装置主接线
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该 SVC 工程成功投运后，节能降耗效益明显。 （1）减少一次系统远距离输送无功功率，降低一次网损 SVC投运之后，实现无功就地合理补偿，大大地降低因远距离输送无功造成的一 次电网损失。根据东北电网有限公司EMS系统的计算，红一变SVC平均容性无功出力在 50Mvar，可使系统减少一次有功网损1.25MW，这样，年可使东北电网降低一次网损1095 万kWh。 （2）提高红一变二次系统电压，降低二次网损 通过SVC的优化无功补偿后，系统二次电压基本稳定并将电压提高到最佳值，电 压提高后，电能的可变损失降低11.6%，可使红一变二次系统每年少损失电量为401.3 万kWh，由SVC装置运行产生的损耗约218.75万kWh。综合二次降损为182.55万kWh。 （3）与调相机比较减少有功电量的消耗 过去红一变用调相机进行无功补偿，年用电量为 785 万 kWh，附属设备用电 50 万 kWh，年耗电共 835 万 kWh，调相机向系统发出每万乏的无功年耗电为 278 万 kWh。用 100Mvar SVC 代替调相机后，SVC 向系统发出每万乏的无功年耗电仅为 13.98 万 kWh。 单位年少损失有功电量 264.02 万 kWh，相当于比 50Mvar 的调相机年少损失有功电量 1320.1 万 kWh。 （4）与调相机比较降低运行维护费用 由于红一变调相机设备过于陈旧，维持其运行还需要大量的投资，设备改造费用 就需100万元以上，同时每年还缴纳水费近10万元。目前SVC的维护费用很小，到目前 为止还未发生,相当于每年节省近110万元。 3.2. 唐钢钢北 220kV 站 SVC 装置 唐山钢铁公司钢北 220kV 变电站由系统 220kV 滨河一和滨河二双电源供电。 正常运 行方式为 220kV I 段、II 段、III 段母线分裂运行，35kV I 段、II 段母线也分裂运行。 1＃主变供 35kV I 段两台 150 吨 LF 炉和 TCR 型 SVC 静止无功补偿装置， 2＃主变供 35kV II 段轧机和轧机滤波器装置。LF 炉 SVC 容量为 20Mvar，轧机滤波容量为 8.6Mvar。系 统接线参见图 7 所示。
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图 7 唐钢钢北 220kV 变电站主接线图
唐钢钢北 220kV 变电站目前由于负荷较小，实际运行方式为只投运一台 120MkVA 变压器，35kV 母线并列运行，由于钢北其他负荷接入 SVC 补偿母线，补偿后平均功率 因数由原设计值 0.95 降低到 0.88。正常生产时月平均电量为 5405 万 kWh，基本容量费 为每月 15 元/kVA，平均有功电度单价为 0.3725 元/kWh。根据与唐山供电公司的供电协 议，功率因数要求达到 0.8,低于标准调高电费 3.5%,高于标准不奖励。在 LF 炉炼钢过 程中，SVC 不投时的平均功率因数大约 0.78，投入 SVC 后功率因数提高到约 0.88，无 过补现象。故投入 SVC 后无功功率调整费率（即无功罚款率）每年约节省 921.21 万元。 根据运行报表核算，35kV 和 220kV 至供电公司电度计量点的线路网损及主变负荷 损耗合计约占生产消耗有功的 1.5%。按平均功率因数核算有效降低损耗为 77.69 万元。 当唐钢负荷增长后，35kV 分裂运行，功率因数达到设计值，节能的效益将进一步增加。 SVC 滤波支路与 TCR 支路平均损耗约占装置总容量的 0.8％（指满负荷运行情况）， 则 SVC 装置每年运行损耗费用为 52.21 万元。 此三项合计即可每年节省 946.69 万元。 此外，SVC 投运后，35kV 母线电压波动得到抑制，提高了生产效率，平均降低炼钢 时间约 5 分钟，按 150 万吨/年的生产能力计算可提高年产量约 5 万吨，按每万吨创造 产值 2000 万元计算,每年可多创造产值 1 亿元。每吨钢耗电量同时得到了降低。根据统 计报表，投运前吨钢平均用电量为 53.6898kWh，SVC 投运后降低为 50.7906kWh，则每 吨钢节省的费用为 1.0800 元。按年产量 150 万吨计，每年节省的费用为 162.00 万元。 3.3. 莱芜特钢厂 SVC 系统 莱芜特钢厂三总降变电所为 110kV 进线，带 2 台 63MVA 主变。1＃主变将 110kV 降 压至 31.5kV，带一台 50 吨交流电弧炉和 SVC 静补装置。2＃主变降压至 6kV，带风机、 水泵等动力负荷。SVC 基波容量为±50Mvar,其主接线图见图 8 所示。
图 8 莱芜特钢厂三总降变电所主接线图
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SVC 投入前，电炉运行时的平均功率因数约为 0.85，每月功率因数罚款 30 万元， 每年罚款 360 万元。 SVC 投入后平均功率因数升高到 0.98， 见图 9， 功率因数罚款取消。
图 9 莱钢三降压 110kV 功率因数曲线（左图 SVC 不投，右图 SVC 投入）
主变负荷损耗和线路网损约占总有功的 2.2％，按正常生产时月平均电量 3060 万 kWh 计算，节省的网损为 74.54 万元。SVC 平均损耗约占装置最大容量的 0.5％，正常 运行 TCR 平均输出无功约为额定容量的 30％，则 SVC 装置每年运行损耗费用为 24.47 万元。此三项合计即可每年节省 352.96 万元。 原 50 吨交流电弧炉由于冲击大，对电网污染比较严重。供电部门限制其冶炼功率， 被迫采用 12 档低档位运行。SVC 投运后，恢复高功率冶炼，炉变升档至 15 档～18 档运 行。冶炼时间缩短约 20～30 分钟，吨钢耗电量由 450 kWh 减为 420 kWh。炼钢年产量 由原 20 万吨提升至约 24 万吨，多创造产值约 8000 万元。节省电费约 268.2 万元。 3.4. 电科院已投入 SVC 节能效益 自 2002 年中国电力科学研究院具有自主知识产权的， 具有国内领先技术水平的 SVC 进入大规模应用以来，投运容量逐年增加，所创造的节能效益巨大。输电网 SVC 目前仅 有鞍山红一变 SVC 一套投运，其节能所创造的经济效益逐年累进，截止到 2005 年的效 益总和见表 2。其中，工业用户根据莱芜特钢厂产生的节能降耗效益为基数进行计算。
表2 中国电科院 SVC 节能效益 年份 2002 年 2003 年 2004 年 2005 年 累计 总投入容量 (Mvar) 70 370 970 1400 新增利润 (万元) 1120 5920 15046.56 21926.56 44013.12 新增税收 (万元) 560 2960 7075 10515 21110 节支总额 (万元) 869.4 4595.4 11954.4 17295 34714.2
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4. 结论 （1）SVC 技术是一种先进、经济、实用的 FACTS 技术，能够提高电网输电能力和 负荷端电压的稳定性，降低网损，改善电能质量。 （4）目前，通过示范工程的实践，为国产化 SVC 技术在我国电网的工程化应用奠 定了重要的基础，该技术的进一步推广应用将为我国节能降耗，建立节约型社会提供 重要的技术支撑手段。 （5）SVC 技术减少电网污染，降耗节能的效益明显，其累计节能创造的效益已超 过亿元，并将继续发挥节能降耗作用。 5. 参考文献 [1]汤广福，赵刚等， “静止无功补偿器核心技术的研发及应用 技术经济分析报告” ， 中国电力科学研究院，2005. [2]齐延章，齐泽锋， “莱钢 50 吨电弧炉 SVC 装置 测试报告” 中国电力科学研究院， 2002.
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