混合补偿（共7篇）
混合补偿 篇1
混合产品 (mixed good) 是公共产品理论的重要组成部分。混合产品的定义是基于公共产品和私人产品而来的。私人产品 (private goods) 是指具有竞争性和排他性特点的产品。由于这类产品只适宜市场供给, 故又称为市场产品。公共产品 (public goods) 是相对私人产品而言的, 公共产品可定义为同时具有排他性与非竞争性的物品, 即那种既不可能也无必要对其消费加以排他的物品。而混合产品, 可理解为同时具有公共产品和私人产品性质的物品, 即在性质上介于私人产品与公共产品之间的产品, 它构成了纯公共产品与私人产品之间的广阔中间地带。
一、混合产品成本补偿的原理
1.“林达尔均衡”
瑞典经济学家林达尔 (Erik Robert Lindahl) 1919年提出被称之为“林达尔均衡”的概念, 林达尔模型假定社会中有A、B两个群体, 税前收入分别是X和Y, 政府供给支出总量为G, 其效用函数可写成:UA=FA (X, G) 和UB=FB (Y, G) 政府供给支出是由A、B两人共同承担其费用, 如果A负担的比例是h, 那么B负担1-h。这样两个人的税负分别是h G和 (1-h) G, 其中O≤h≤1。这样, 林达尔想要解决的问题就是G和h如何决定, 也就是说, 要解决两个问题, 一是公共支出水平G的决定;二是A、B两个群体各自承担的税负水平h。显然, G和h是未知的。
又假定社会经济中的总收入为R (给定) , 其组成部分为RA、RB, 这样两个群体的预算约束为:X+h G=RA, Y+ (1-h) G=RB。同时, X+Y+G=R就A而言, 如果B的效用达到一个给定水平, R为定值, 那么最大化A的效用水平的条件是:坠FA/坠X坠FA/坠G=h即X对G的边际替代率为h。同样, 可得最大化B的效用水平的条件:坠FB/坠Y坠FB/坠G=1-h即Y对G的边际替代率为1-h。
这样, 我们可以得到最优化的条件, 即帕累托最优条件:坠FA/坠X坠FA/坠G+坠FB/坠Y坠FB/坠G=14
罗伯兹 (John Roberts, 1974) 对要达尔均衡作过非常出色的解释和扩展。在他看来, 现代一般均衡的“林达尔解”是对公共产品条件下竞争模型一个相当自然的扩展, 并且是关于外部性出现后更加一般的形式。如在竞争模型中一样, 就经济生活中的每一主体而言, 一个分散的价格向量对应于公共产品, 所有受益人的价格总量等于公共产品的提供成本。在这里, 个人化的公共产品价格可被看作是单个化的税率, 或者说可看做是对使用者的歧视性的、有差别的收费, 这样, 通过一组价格达到均衡。而这时, 不同主体的数量选择在私人产品方面使得供给等于需求, 但在公共产品方面, 每一主体选择相同的数量。在罗伯兹看来, 需要通过创造一个市场来处理外部性。
2. 马斯格雷夫的“公共产品预算提供模型”
马斯格雷夫沿着林达尔“自愿交易”的思想, 试图对林达尔的局部均衡进行改造, 引进一般均衡模型来展开分析, 借用萨缪尔森的社会生产可能性边界, 通过预算决定公共产品的生产。在马斯格雷夫看来, 解决好公共产品的供给难题, 一定要处理好两个关系:一是要涉及投票, 对财政问题的看法应该贴近现实, 因为现实经济中存在着贷币收入的初始分配和税负确定的问题, 而试图通过一名计划者来提供公共产品是不能令人满意的, 因为不可能有一位对居民偏好无所不知的计划者, 用自愿交易来代替计划者也不可能成功, 而且当参与者人数众多时, 搭便车的问题也会出现。因此, 一定要把投票过程的理论吸收进来, 通过投票过程, 为需求方案可以显示出来, 预算规模才可以确定, 税收价格才能得以实施。二是要处理分配问题。在公共产品供给数量和成本分配上的投票都是假定收入分配已经给定, 而完整的解法一定会涉及到两个步骤:首先决定货币收入的正当分配, 然后才能在这种分配的基础上导出有效的资源配置。
3. 公共产品的私人自愿供给
根据科尔纳斯和桑德尔 (Cornes&Sandle, 1986) 博弈模型的阐述, 公共产品的纳什均衡供给小于帕累托最优供给, 二者之间的差距随着社区居民人数的增加而扩大, 供给不足的程度与效用函数的特征也有关。此外, 供给不足的程度还会随着收入分配差距的扩大而减弱 (Olson, 1982) , 即收入分配处于平均主义的时候, 通过策略占优行为, 个人获益会较多, 而一旦收入分配不均时, 高收入者可能会承担起大部分甚至全部的公共产品供给, 因为提供这种公共产品的外部性很小。博弈理论模型告诉我们, 公共产品的私人自愿供应并不一定出现帕累托最优的状态, 往往导致公共产品供给上的不足。主要原因是公共产品消费上的外部性, 不同收入水平上的个人对公共产品消费效用上的差别, 从而导致个人间采取博弈行为和策略行为, 以使得个人利益最大化。在外部性出现的情况下, 没有一种价格体系, 通过针对每一种商品确定一个单一的价格来达到资源的有效配置, 而且前面分析过的林达尔均衡, 试图以个别化的价格来实现均衡, 但它直接依赖于个人的属性, 主要是个人的偏好, 而在缺乏一个先知的计划者的条件下, 决定这组个别化的价格必须依赖每个人真实地显示其偏好。
二、混合产品成本补偿的设想
混合产品是介于纯公共产品与私人产品之间的一个过渡地带, 有必要对混合产品进行细分, 以便采用不同的成本补偿方式。细分的依据就是混合产品的纯度, 即混合产品与纯公共产品的接近程度。对于纯度较高的混合产品, 政府补助的比重应当比较大, 而对于纯度低的, 应给予少量补贴, 或者根本不补助。而测量混合产品的纯度通常可以通过对其外部收益的分析来进行, 即测量混合产品纯度的依据是外部收益。即:
公共产品的纯度=外部收益O
外部收益O+内部收益I
混合产品的纯度表明, 如果某一产品的纯度P=1, 则表示这一产品只有外部收益而无内部收益, 因而属于纯公共产品。如果P=0, 则表示这一产品只有内部收益而无外部收益, 因而属于私人产品。而混合产品的情况为0
从效率的角度看, 纯度高的混合产品, 在市场提供下的效率损失大。据此, 应当根据混合产品的纯度来确定公共财政政策, 将测定的混合产品的纯度与成本补偿方式的选择相联系。当混合产品的纯度大于零、小于1时, 混合产品将采用混合提供方式, 即用政府补助加 (向受益人) 收费的方式提供。政府补助其成本的一部分, 其余的由政府规定价格向受益人收费, 这时的市场主体承担自负盈亏的责任, 并成为经济人。这种方式通常适用于外部性较强的混合产品。政府补助的标准可以从0到99%。具体包括两种方式:一是公共生产下的混合提供。即政府补助、政府经营的方式。二是私人生产下的混合提供。即私人经营、政府补助方式。政府采用这种方式的目的是为了降低收费标准, 同时, 也为了减少政府投资。对于这类经营方式, 政府应当加强管理, 采用必要的公共管制措施。其中, 政府以财政支出为主要途径的财政补助公式为:
财政补助额=产量×单位成本×混合产品纯度
当混合产品的纯度等于零时, 则意味着该产品不宜采用政府补助, 因而可以将其转为政府管制下的私人经营, 也可以采用事业单位完全企业化管理的方式。在这种情况下, 市场主体自负盈亏, 实行完全的企业化经营, 其成本补偿主要通过产品的市场价格或收费来弥补, 并有一定利润。当混合产品的纯度等于1时, 则意味着它适宜由政府无偿供给, 即由政府无偿地向消费者提供, 相应地混合产品的成本由政府拨款即基本通过财政支出补偿其成本。
三、混合产品成本补偿应注意的几个问题
1. 弄清楚混合产品自身的本质、特点。
混合产品是一个较为复杂的产品, 对其如何准确定义、如何划分类型, 无疑是对不同类型混合产品成本补偿的绝对前提。对不同的主体提供混合产品的可能条件、提供方式与混合产品成本补偿的内在的、本质的、必然的联系, 才有可能对症下药, 提出解决方案及对策。
2. 混合产品理论研究并不仅仅是将混合产品看作是
公共产品中间的一个问题, 而是大量借鉴经济学、财政学、管理学的最新成果, 将混合产品置于一个较为完整而复杂的体系中来考察。至于混合产品的成本补偿客观上受到多种性质的因素的影响, 而且其实际后果也是具有较为广泛影响的, 所以只有这样综合考虑, 才能获得准确而科学的研究成果。
3. 对混合产品成本补偿的理论研究关注度仍然不够。
大部分都将混合产品成本补偿作为独立范畴进行研究;还没有将公共产品理论作为混合产品成本补偿研究方法论, 而是过多的关注一些概括性含义的问题, 主要是期望经过理论研究得出一般性的结论, 适用于所有企业或组织环境;目前主流的研究范式是规范研究, 实证研究成果廖若星辰, 我们相信这也是未来研究的重点。
摘要：目前, 对于混合产品成本补偿的研究, 无论是林达尔的均衡论, 还是马斯格雷夫的公共产品预算模型, 都没有给出完美的结论。通过对补偿原理的深入研究发现, 混合产品是介于纯公共产品和私人产品之间的一个过渡地带, 有必要对其进行细分。而细分的依据就是混合产品的纯度这一设想, 适用于所有企业或组织, 依此设想, 有望实现混合产品成本补偿的均等化。
关键词：混合产品,成本补偿,纯度
参考文献
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混合型动态无功补偿及检测方法 篇2
随着电力系统中非线性用电设备,尤其是电力电子装置日益广泛的应用,电力系统中的谐波污染问题也越来越严重,而大多数电力电子装置功率因数较低,也给电网带来额外负担,严重影响供电质量[1]。因此谐波问题和无功功率问题已经成为电力电子技术和电力系统等领域所面临的一个重大课题。谐波和无功功率实时、精确的检测与分析,是电力系统谐波抑制和无功动态补偿的前提[2]。对相应的补偿装置而言,只有系统谐波和无功功率准确、快速的检测,才能使相应的控制系统进行处理与分析,以产生实时、正确的控制信号,来补偿系统无功或抑制谐波,这决定着谐波抑制和动态无功补偿装置的特性。
1TSC+TCR的原理、特点
TCR型和TSC型补偿器是目前应用最多的动态无功补偿装置,都能有效地补偿系统中的无功电流,尤其是当它们与LC滤波器配合使用时,既能补偿无功又能消除电网中的谐波。但它们各有自己的缺点,TCR型补偿器容易产生谐波,而TSC型补偿器对于冲击性负荷引起的电压闪变不能进行很好的抑制。一者的缺点是另一者的优点,所以TCR+TSC+LC型动态无功补偿器就应运而生,如图1所示。
单独的TSC型无无功补偿装置不产生谐波,但是只能以阶梯变化的方式满足系统对无功的需要;FC+TCR型无功补偿装置响应速度快,且具有平衡负荷的能力,但由于TCR工作中产生的感性无功电流需要固定电容器无功电流来补偿,因此在需要实现输出从额定感性无功到容性无功的调节时,TCR的容量是额定容量的两倍,从而导致器件和容量上的浪费,造成巨大的经济损失。因此TCR往往与并联电容器配合使用,使得总的无功功率为TCR与并联电容器无功功率抵消后的净无功功率,因而可以将总体无功电流偏置到可吸收容性无功的范围内。当并联电容器为分组投切时,电压-电流特性中电容造成的偏置就可以分级调节,就可以使用容量相对较小的TCR,这种补偿器被称为晶闸管控制电抗器+可投切电容器型的静止补偿器。当电容器的投切开关是晶闸管时,又被称为TCR+TSC型无功补偿器,它和LC滤波器并接时,又被称为TSC+TCR+LC混合型无功补偿器。它可以克服以上两者的缺点,与FC+TCR相比,具备更好的运行灵活性,并有利于减少损耗。这是因为在相同的无功容量需要下,TSC+TCR+LC型的无功补偿装置可以通过LC谐振电路消除指定次数的谐波,LC中的电容还能补偿大部分的无功,这样可以减少TSC和TCR的容量,从而降低制造和运行成本;而且这种混合型无功补偿器只投切部分TSC支路,TCR支路需要吸收的多余容性无功也随之减小,从而有利于减小装置损耗,特别是当系统容性无功需求变化频繁时,采用TSC+TCR+LC型的无功补偿装置更为有利。
TSC+TCR型的无功补偿装置外特性表现为可控容性,在一定的容量范围内能以一定的响应速度跟踪输入的无功电流或容抗参考值。图2所示为TCR+TSC的电流-电压(U-I)运行区,包括两组单组容抗为BC的TSC,其中BLmax为TCR的最大感抗,UCmax、ULmaxICmax、ILmax分别为TSC、TCR的耐受电压和电流值。
2检测方法
根据文献[2][3]的分析,在非正弦情况下,视在功率S可以表示为
式中:P为有功功率;Qf为由基波电流所产生的无功功率;D为谐波电流产生的无功功率。
对于TCR+TSC+LC混合型动态无功补偿器来说,它先是通过LC滤波器消除电网中的谐波成分,即消除了(1)式中的D;再通过TCR+TSC动态补偿器补偿电网中的无功成分,即(1)式中的Qf。因此,对基波无功电流准确、快速地检测,才能使相应的控制系统进行处理与分析,以产生实时、正确的控制信号,来补偿系统无功,它是混合型动态无功补偿器实现其补偿功能的前提。
设三相电流为:
由瞬时无功功率理论[1]可得:
由小波多尺度分辨理论[4],任意信号f(t)∈L2(R)可用多分辨率分解公式表示为:
即任意信号f(t)经小波多尺度分解后可表示为低频部分和高频部分组成,上式左边第一部分为低频部分,第二部分为高频部分。式中:cj为低频系数;dj为高频系数;j为尺度则ip、iq经二进离散小波变换可得到离散逼近信号cjk(低频系数)和离散细节信号djk(高频系数):
再经小波逆变换得到瞬时有功电流分量和瞬时无功电流分量的直流分量p、q:
这样,基波无功电流的获得可以通过关掉p通道,把得到的瞬时无功分量的直流分量单独与C23和C-1相乘可得到基波无功分量iaqf、ibqf、icqf。
这种方法不仅简便,而且整个运算过程都可数字化实现,不必依赖昂贵的元件和复杂的电路,从而减少了运算时间,保证了检测的实时性和准确性。上述过程可用图3表示。图中e为电网电压。
3实验结果
为验证所提出的检测方法的有效性和可行性,笔者研制了一台混合型动态无功补偿的实验样机,并用它来进行动态无功补偿的研究。
图4是实验样机的整机结构示意图,样机采用TMS320 F2812 DSP实现检测方法的运算和控制。电网电流通过电流互感器采样检测并转换成模拟信号送至运算及控制主电路,经过具体计算得出电网动态无功补偿电流的控制信号,DSP根据参考设定及系统运行状态确定应当输出的TCR相位信号和TSC的投切指令:TCR脉冲发生板根据DSP主控制板输出的移相角信号和同步电压信号发出高频的电脉冲信号;TSC过零触发板则根据DSP主控制板输出的投切指令产生投切电容器的高频电脉冲信号。主电路输出电压经互感器与无源滤波器串联后并联至电网,保护电路检测到逆变器直流侧的电压和电流信号,在进行过流过压故障保护的同时把信号送给DSP进行处理。
实验结果如图5～8所示。实验结果表明,动态无功补偿系统投入后电网中的无功得到有效的补偿,流入电网的电流基本接近电压波形。
4结论
上述方法可以实时、准确地检测出无功需求频繁变化系统的基波无功,为进一步动态补偿无功打下了基础。文中对混合型无功与谐波补偿系统(TCR+TSC+LC)的结构和补偿方案进行了分析,并且在瞬时无功功率理论的基础上,结合小波分析理论,提出了一种新的基波无功检测方法,实验结果表明了所提检测方法和补偿方式的正确性。混合型动态无功补偿系统从理论分析到实验运行的成功将极大地促进混合型动态无功补偿技术在工业中的广泛应用。
参考文献
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混合补偿 篇3
关键词：政府主导,巨灾补偿基金,风险证券化
随着中国经济城市化与工程化进程的不断推进, 生态环境遭到极大破坏, 环境污染、地震灾害, 洪涝灾害等问题日趋严重。此外, 随着社会经济的发展, 城市地区人口越来越密集, 财产总值越来越大, 社会财富集中度越来越高, 自然灾害造成的损失也越来越大。2006年中国社会科学院研究员、博士生导师郑秉文就已经提出, 中国应充分发挥国家与市场、政府与机构双重作用的风险补偿机制框架, 发挥保险业的综合作用和国家的信用作用, 尽快建立混合型“国家巨灾补偿机制”。而在中国经历洪水、泥石流、汶川地震、玉树地震等多次自然灾害, 为中国经济造成了不可弥补的损失之后, 我们更应充分意识到, 建立适合中国国情的完善的巨灾补偿机制正当其时。
目前, 中国的巨灾损失补偿机制主要以财政补偿、传统的保险方式与社会捐助为主, 其中财政补偿占到了绝大部分。而中国财政补偿的基金主要来源于政府的财政收入, 但是中国作为一个经济并不算发达的发展中国家, 政府的财政收入总量是有限的, 这远远无法弥补巨大灾害过后, 对中国造成的财政缺口。而目前的保险方式存在一定的局限性, 承保能力仅占到中国全年灾害损失的一半。
一、继续发挥政府的主导作用, 创建巨灾补偿基金
(一) 明确政府责任
我们将政府责任分为三个方面:经济、政治和社会。在建立巨灾补偿机制的过程中, 我们首先要明确的便是政府的经济责任。经济责任又可分为经济补偿和市场监管, 保险市场失效时, 经济补偿可以提供良好的补漏措施, 同时通过市场监管来督促保险市场的发展, 可以避免由于政府过多干涉而导致的效率损失。
对于大多数老百姓来说, 政府意味着保障, 有政府的承诺便等于拿到了一张保证书。因此, 政府不能仅仅对中国的经济市场负责, 还要对我们的人民负责, 真正的为人民着想, 切身体会自然灾害过后人民的艰苦处境, 着重强调防灾防损, 并且将目光放到防灾防损与风险转移并重的实际举措中。担负起巨灾补偿机制中的主导责任, 突出合作, 引领和推动市场企业、慈善机构共同建立混合型巨灾补偿机制。
(二) 实施政府调控
1. 对灾后地区提供财政支持, 这属于经济主体的自我补偿。
用一部分财政收入对灾后重建地区进行补贴。虽然由财政预算安排的灾害救济支出只是财政计划支出中的一小部分, 远远无法达到灾后需求。但这却是必不可少的。没有政府的全方位支持, 会使受灾人民失去重新站立起来的信心, 这代表着政府的态度, 政府的立场, 具有重要的政治和社会意义。
2. 对灾难多发地区实行强制保险。
虽然实行政府救助是必不可少的, 但会降低巨灾保险的需求和防灾防险的积极性。为了提高巨灾保险的保险深度和保险密度, 强制保险是政府可以采取的措施, 可对投保人进行费率的补贴, 但强制保险的范围应与当地的经济发展水平相适应。但这种强制保险应与一般的商业保险区分开, 并充分发挥地方政府的作用。目前人们的风险保险意识还不足够, 巨灾的发生是偶然的, 无法预测的, 所带来的风险也是无法准确估量的, 因此强制保险在特定状况下也是可实施的。
3. 由政府建立国家巨灾保险基金, 其最大的特点是由政
府直接控制和管理, 在巨灾发生时作为财政补偿的一种补充形式, 对购买巨灾补偿基金的受灾人进行补偿。为了保持基金的稳健运行和应对随时可能发生的巨灾, 需要借鉴封闭式基金的特点, 限制了基金持有人在未发生巨灾时要求基金赎回并兑现的权利;另外, 为了保持基金的流动性, 且考虑到巨灾发生的非经常性, 又要为基金设计开放式基金的特征, 即基金可以在二级市场流通, 持有人可以通过二级市场将基金变现。这样, 基金也具备了普通基金或金融工具的投资特征。
巨灾补偿基金具有一系列的优点。首先它的设立拓宽了巨灾补偿的资金来源渠道, 将巨灾风险防范和证券市场有机地结合起来, 更为有效的转移和分散巨灾风险, 迅速聚集全社会的资金, 增强中国抵御巨灾风险的能力。其次它可以在二级市场自由转让, 兼具了保险的保障和共同基金的投资功能。这些特点让巨灾保险基金顺利兼顾公益性和商业性。
巨灾补偿基金有多方的资金来源, 一部分基于国家政府的财政支持, 一部分来自于巨灾风险证券化, 还有基金持有人购买份额、基金的投资收益及利润留成等。基金可以作为巨灾风险的准备金, 随时为可能发生的自然灾害做好大量投入资金的准备。
二、使巨灾风险证券化, 逐步转向资本市场
(一) 中国巨灾保险市场现状
1952年底, 国家机关、国营企业、合作社的财产绝大多数都办理了保险, 其中的责任范围中就已经有地震、洪水等巨灾风险。但不久之后1959年, 国内保险业务停办, 刚建立起的巨灾保险制度中途夭折。一直到1980年, 中国巨灾保险才慢慢进入恢复期。这个时间段是中国在保险体系的初步建立起。目前中国财产保险的承保能力约为1 109亿元, 承保能力只占到中国全年灾害损失金额的一半。同时仅2003年中国就有两起自然灾害损失超过30亿元, 国内承保能力严重不足。相比发达国家, 中国保险赔偿仅占灾害损失的5%。
中国对地震保险与洪水保险一直采取谨慎的承保策略。家庭财产的地震保险仍被关在保险大门之外, 实际上中国保险业目前还没有用于地震保险的独立条款和费率。同时中国也没有与美国相似的洪水保险计划, 没有鼓励扶持洪水保险的具体条文。一旦这些灾害发生, 灾民的生活甚至生存都受到了威胁, 财产受到毁损或消失。因此就中国现状来看, 巨灾保险是不完善的。
(二) 中国的巨灾再保险市场
中国的再保险业起步的较晚, 而且规模还小, 专门的财产再保险公司仍仅有中国财产再保险公司一家, 仍旧极不成熟。中国再保险业供求不平衡, 主体及市场体系不健全。在巨灾风险评估、自留额的确定、超额赔款再保险费率的厘定方面都极需要专业人才, 这也是中国再保险业无法成就飞跃性跨越的原因之一。
面对着现在中国自然灾害频繁发生的现状, 中国政府必须要承担起最终再保险人的责任。仅仅靠市场或是仅仅靠国家政府的能力, 都是无法大量分散巨灾风险的, 要将两种形式结合起来, 由政府支持市场再保险业的发展并为其担任最后再保险人, 缓解巨灾保险市场的巨大压力。
中国政府可以考虑设立专门的政策性巨灾再保险公司, 用以分散保险公司承保的巨灾风险, 或者对中国再保险公司承保的这类风险提供财政补贴。
(三) 由保险市场向资本市场转变
保险发达国家的巨灾风险基金的建立主要依赖再保险市场与资本市场, 更多的是通过资本市场实现巨灾风险证券化, 把风险通过资本市场分散出去从而筹集更多的资金。到目前为止, 全世界已有芝加哥、百慕大等多个交易所赏识交易巨灾期货、巨灾期权、巨灾债券、巨灾互换、人寿和年金风险证券化等保险风险证券化产品。巨灾风险证券化可以弥补国家财政与保险业资金不足, 提高补偿能力。向机构投资者提供高风险、高收益证证券以及高回报率的投资方式和最小化信用风险。巨灾风险证券可以比传统保险产品成本低, 具有较高的效率优势, 又扩大了发行者的范围, 从而使应付危机的资金来源多样化。
目前中国资本市场呈良好的发展事态, 为大力发展以巨灾风险债券为代表的替代性风险分散工具提供了条件, 从引进国际巨灾风险管理新产品开始, 兼顾公平和效率, 充分利用资本市场分散巨灾风险。从长期来看, 巨灾风险证券化可以弥补中国巨灾损失补偿机制的缺憾, 提高中国抵御巨灾损失的能力。
巨灾风险证券化的部分收入, 也将成为巨灾补偿基金的资金来源之一, 更紧密的将政府与市场相联系, 共同抵御巨灾风险, 防灾防损。
三、充分挖掘慈善机构作为“第三补偿机制”的辅助作用
在中国目前的巨灾补偿机制中, 慈善机构并没有发挥太过显著的作用。一方面是由于中国应对巨灾风险的意识薄弱, 另一方面则是中国缺乏有组织、有计划的公益行为。往往是灾难发生后, 才会有非规范的, 建立在被动基础上的慈善事业。因此中国的慈善事业是缺乏计划性、统筹性和前瞻性的。
作为混合型巨灾补偿机制的“第三条腿”, 慈善机构的作用是不可忽视的。由于国民缺乏对政府和民间慈善机构的信任, 一些具有积极意义的慈善活动无法开展, 即使是在灾难发生过后, 人们也情愿亲赴灾区支援, 而不愿通过某种慈善渠道, 将他们的爱心传递至灾区。这样的现象归根结底不仅是人们的思想问题, 也是从侧面反映出了中国慈善机构的自身建设问题, 主要体现在对捐助资金的使用缺乏科学、透明和高效的管理与监督。若是不从根本上解决这些问题, 则无法建立平衡发展的混合型多层次的巨灾补偿机制。
要重新扶植起社会公正这个“软力量”, 这个任务是艰巨而深远的。毕竟中国慈善事业也才起步不久, 各方面的发展水平与发达国家不可相较。我们能做的也只有加强慈善的宣传力度, 从小抓起, 让人民从心里建立起对巨灾风险的防范意识, 并且全面整顿中国的慈善机构, 力求规范化、公正化。在发挥政府与市场责任的同时, 努力使慈善事业在巨灾补偿机制中发挥其应有的作用。
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混合补偿 篇4
电力机车是一种单相、移动性的非线性负荷, 向电力系统中引入大量负序电流和谐波, 降低电气化铁路牵引供电系统和电力系统的电能质量, 还影响到铁路沿线周边电力用户的供电质量[1,2,3,4]。因此, 电气化铁道电能质量问题的有效综合治理是一个亟需解决的重大课题和难点问题。
世界各国针对本国电气化铁路的实际情况, 采取了多种治理措施[5]。提升电气化铁路供电电压等级 (如日本采用154 k V、220 k V和275 k V三种电压等级, 法国采用235 k V电压等级, 我国高速电气化铁路牵引变电所采用220 k V电压等级供电) ;三相变单相供电方式 (如英国东北电力走廊) ;采用独立发电系统 (如德国) ;轮流换相技术;采用平衡变压器 (我国广泛采用斯科特Scott平衡变压器, 阻抗匹配平衡变压器和非阻抗匹配平衡变压器, 日本广泛采用Scott变压器和变形Wood-bridge变压器) ;采用SVC、SVG等无功补偿装置 (如澳大利亚的昆士兰铁路牵引变电所及日本的Hagashi-Osaka变电所及我国南昆线) ;采用同相供电装置 (中国成昆铁路眉山牵引变电所) ;采用铁路静止功率调节器 (如日本新干线Shinkasen) ;有源补偿技术等。
但上述治理方法也存在不足。提升电压等级需要很强的电力系统支持, 即大容量、高电压等级的一次侧电力系统;轮流换相技术必须使用电分相, 存在负序电流波动;采用平衡变压器需两臂负载相同才能有效消除负序;静止无功补偿器体积大、成本高, 本身向系统引入谐波, 接在高压侧, 电压等级高。因此有源补偿装置体积小, 响应快, 对牵引变电所综合补偿的优点拥有较高的学术研究价值和性价比, 得到了专家学术界的关注[6,7,8,9]。
有源电力滤波器 (Active Power Filter, APF) 可以根据负载状况灵活调节补偿容量, 能对电气化铁路谐波和负序进行有效抑制, 是解决电气化铁路供电系统电能质量的一个有效方法。
传统APF采用三相三臂结构, 该结构的结构设计及散热设计, 需要更大的功率模块体积及开关损耗, 成本高。本文研究基于三相两臂主电路的APF以实现电气化铁路谐波、无功和负序的补偿[10,11], 其中两臂由IGBT和续流二极管组成, 第三相由直流侧电容组成。功率开关元件数量与传统结构相比减少2个, 降低成本, 实现与传统结构相同的补偿能力。控制环节采用改进的ip-iq方法及滞环控制, 最后仿真验证本文所提结构和控制方法的正确性。
1 基于三相两臂APF的电铁有源补偿结构
图1为一种适用于电气化铁路的有源补偿结构。主电路采用三相二臂的逆变器, 只需2个开关臂和2个串联电容器组成, 与传统有源补偿的主电路相比, 减少了一臂功率开关器件, 降低成本, 装置的性价比提高, 且具有与三相逆变器相同的补偿能力。并联的Cp作用是补偿无功功率, 降低了有源补偿电路的电压和容量, 串联的L电抗器使输出补偿电流平滑。
图中, iLa、iLb、iLc分别为三相负载电流;C1和C2为直流侧电容;ia、ib、ic为逆变器的交流端输出电流。系统的C相连接到2个直流电容的中性点n。主电路采用三相二臂结构的逆变器, 所有的功率半导体器件都被视为工作在理想状态, 并且假设中性点n保持动态电压平衡, 电容C1和C2上的平均电压相等, 即Uc1=Uc2=Udc/2。为了避免每个桥臂上的功率开关同时动作, S1和S3, S2和S4彼此互补。
2 改进的指令电流检测环节
由于电网三相不对称电压的存在, 使得正序电压相位和检测电压相位间存在误差, 导致常用的p-q和ip-iq法的检测结果出现误差, 因此只有准确检测出电网正序电压的相位值, 才能消除误差[12,13,14]。本文采用一种改进的ip-iq方法, 使当某相电压的初相角与此相正序电压的初相角间存在相位差时, 仍可检测系统提供与此相正序电压同相位的正余弦信号。参考信号的检测框图如2所示。
假设电网电压为
式中:1n表示正序电压;2n表示负序电压。建立过渡矩阵为
式中:由标准正余弦工频信号发生器产生;为任意初相角。
通过低通滤波器提取直流分量:
反变换得:
最后通过锁相得电网正序基波电压的正、余弦信号sint和-cost。从而进一步检测基波正序有功分量。
由于逆变器仅有两个开关臂, 即仅需两相参考电流信号来驱动开关臂, 而第三相与这两相存在逻辑关系, 即三相参考电流的和为零。故可将a-b坐标系下的参考电流信号变换至a-b-c坐标系下任意两相的参考电流信号, 即可实现对两个开关臂的控制。即将原先坐标系变换至a-b-c坐标系的变换矩阵
即将3行2列矩阵改为2行2列矩阵, 减少了运算和存储量, 计算速度提升。
根据定义可以算出ip、iq, 当断开iq的通道时, 可由ip计算出负载基波电流的有功分量ia1p、ib1p、ic1p。进一步算出两相指令电流ica、icb控制三相补偿电流ia、ib、ic的产生。只要补偿器能把三相电网电流补偿为检测出的基波电流值, 即达到补偿的目的。
3 仿真分析
为了证明提出的三相二臂APF的正确性和有效性, 根据图1构建Matlab/Simulink仿真电路。表1给出了仿真系统的详细参数。负载选择典型谐波源单相整流桥, 功率因数为0.6。0 s投入单相负载200 A, 0.2 s投入两相对称负载200 A, 0.4 s投入两相不平衡负载200 A和300 A。电流控制采用跟踪型PWM控制, 具体为瞬时值比较方式, 滞环宽度选择H=0.5。为了简化仿真模型, 逆变器直流侧电容用直流电源代替。
图3为补偿前后的三相电网电流波形。从图中可看出补偿前三相电流不对称且有畸变。补偿后三相电流基本对称无畸变。
电力机车给电气化铁路造成的谐波污染大多集中于4k1 (k=1, 2, …) 次谐波频率处, 补偿前系统负载电流的谐波含量如图4 (a) 所示, 负载电流的总谐波畸变率THD=32.68%, 主要含有3、5、7次谐波, 图4 (b) 为补偿后电流的谐波含量及畸变率, 经过APF注入补偿电流以后, 系统电流的总谐波畸变率降至THD=1.88%, 满足国家标准, 电能质量有了很好的改善。
图5为补偿前后电源侧三相电流的不平衡度。系统三相电流不平衡度从补偿前的100%、50%、58%下降到补偿后1.5%、0.8%、0.6%, 满足国家电能质量标准, 可使系统安全稳定运行。
图6为补偿前后系统电源侧的总功率因数, 系统的总功率因数分别从0.08、0.87、0.84上升到0.96、0.954、0.959, 负序和无功基本消除, 即补偿器的投入实现了无功补偿, 系统的电能质量大大提高。
4 结论
本文对所研究的新型的适用于电气化铁路三相两臂的混合有源补偿器结构和基本工作原理进行了详细分析, 并建立了系统的Matlab/Simulink仿真模型。从仿真结果可以看出:
1) 三相两臂APF与传统的三桥臂APF相比, 使用了较少的开关器件, 降低了系统成本, 电路结构和控制方法都比较简单。
2) 三相两臂APF能够大幅度提高系统电能质量。电流补偿完成后, 奇次频率谐波大大减少, 总谐波畸变率减小, 电流不平衡度数值大大优于国家标准, 补偿后的功率因数可提高到0.95以上。补偿效果可以与传统结构相媲美。
混合补偿 篇5
对回转体类零件的测量和评价, 涉及直径、圆度、圆跳动、平面度、垂直度和直线度等多个尺寸参数和形位参数, 坐标测量机测量是应用最为广泛的一种方法[1]。为满足对回转体类零件高精度、高效率的校准需求, 课题组研制了一套四坐标综合测量仪样机。测量仪在测量中必然会产生一定的误差, 利用误差建模补偿技术, 能够在资金和技术相对有限的情况下有效地提高整体测量精度。
四坐标综合测量仪样机使用了RationalDMIS坐标测量软件, 但该软件只支持直线运动21项误差的补偿, 不提供四轴补偿的功能。同其它商业软件一样, 其内部算法不公开, 也没有提供对其误差模型进行修改的可能性。因此, 本文依据四坐标综合测量仪空间误差模型, 基于VB.NET平台, 构造合适的算法, 结合MATLAB、Access和坐标测量软件二次开发接口编程, 开发了误差仿真分析应用软件, 实现对测量数据进行补偿处理的功能。
2 软件开发平台的选择与混合编程的交互访问技术
编写四坐标综合测量仪误差仿真分析应用软件, 涉及到多项数值计算方法。如果完全采用C++或C#等高级语言, 需要开发人员具有相当高的算法和编程水平, 而且费时费力。为了提高开发效率, 综合利用多种开发工具的优势, 采用接口编程技术, 而RationalDMIS软件自身也带有供VB和VC进行二次开发的部分功能。
MATLAB拥有强大的科学运算能力、简洁的程序设计理念、便捷的开发接口等优势, 在科学计算和模拟仿真等方面应用广泛。基于它的这些优点, 在仿真程序的算法开发中选择了MATLAB作为开发工具。VB.NET在图形界面开发等方面功能强大, 可以对Access数据库进行查询、修改、添加和删除等操作, 但在数值计算和图形绘制等方面并不易用。由于仿真程序需要进行大量的计算, 并且初始误差数据需要分别设置, 通过调用Access的数据库引擎可以方便地对数据库里的误差数据进行检索、更新等各种管理。
因此, 在误差仿真分析软件开发中, 采用VB.NET进行程序界面设计和功能模块开发, MATLAB进行核心算法的编写, Access进行数据的保存和管理, 同时利用RationalDMIS的测量功能。通过混合编程, 实现软件与用户的外在交互, 隐藏其相互之间的内在调用, 从而提高了软件的易用性。
3 混合编程的基本方法
3.1 VB.NET对MATLAB的调用方法
VB.NET与MATLAB混合编程通常可以使用COM组件、DDE动态数据交换、MatrixVB插件和ActiveX技术等方法, 它们的适用程度和范围均不同[2]。其中, ActiveX技术是Microsoft公司提供的一种用于模块集成的协议, 它允许应用程序或组件控制另一个应用程序或组件的运行。VB.NET和MATLAB均支持ActiveX自动化控制端协议和服务器端协议, 这样通过ActiveX协议就可以相互调用和控制, 即实现混合编程过程[3]。RationalDMIS对VB所支持的开发方式也使用了ActiveX技术, 因此在编程中采用这种方法, 灵活性较好, 适合随时对算法进行修改与调试。
使用ActiveX方法的步骤是:首先在VB.NET应用程序中创建MATLAB的ActiveX对象, 然后通过各种方法和函数实现对MATLAB的调用。该方法的使用过程如下:
步骤1:启动MATLAB的自动化服务。使用创建对象的方法, 在程序中加入“MATLAB=CreateObject ("MATLAB.Application") ”。
步骤2:利用MATLAB对象的各种方法和函数, 在VB.NET与MATLAB的自动化服务器端进行命令和数据的传递。表1给出了这些方法和函数的详细功能。
通过上述方法即可在VB.NET中对MATLAB进行调用和控制。在混合编程过程中, 由于MATLAB和VB.NET中数据传递不正确引起的错误较多。这是因为MATLAB和VB.NET的参数传递形式以及数据类型不一样, 而且MATLAB中使用了大量矩阵数组运算, 因此必须注意不同数据类型的转换和调用。VB.NET接受MATLAB数据的变量, 一般均为Object对象类型。
3.2 VB.NET调用RationalDMIS的方法
与前文所述的调用MATLAB方法类似, 在程序中需要首先创建被调用的对象, 加入“NeptunePublic=CreateObject ("Neptune.KNeptunePublic") ”语句之后, 就可以使用该对象的各种方法与RationalDMIS软件之间进行命令和数据的传递。表2列出了一些常用方法的功能。
3.3 VB.NET访问Access数据库的方法
数据库的构建是整个系统软件的基础, 应具有较高的可靠性、条理性和较低的冗余性。选用Microsoft Access 2007作为数据库管理系统。通过操作ADO.NET连接数据库, 并完成数据整理、编辑和分析等功能。
VB.NET提供了数据向导用于连接数据库, 其数据库应用的主要方法是ADO.NET, 提供了访问、搜索、更新、管理数据库的类库。ADO.NET的两个主要组件是数据提供程序和DataSet, 数据提供程序用于连接、读取和管理数据库, 将所需数据保存在DataSet中, 之后断开与数据库的连接进行脱机处理, 以供其他客户端访问数据库[4]。
4 误差补偿程序开发设计
利用上述技术, 进行了四坐标综合测量仪误差仿真分析应用软件的开发。该软件目前主要具备三项功能: (1) 实现了对单轴误差的仿真计算和分析, (2) 对空间综合误差的仿真分析和处理, (3) 加入四轴补偿功能, 从而完善了RationalDMIS的几何误差补偿功能, 并提供了综合精度测试分析。
4.1 软件模块分析及流程图
软件开发过程大致分为5个步骤。首先是进行功能分析, 然后根据功能进行VB界面设计, 编写误差模型的MATLAB算法和调用RationalDMIS的控制命令, 最后上机进行调试。流程如图1所示。
混合编程中各部件的相互关系结构如图2所示, VBNET平台是其中的核心, 直接面向用户。
软件中误差补偿的计算流程为:首先在数据库中录入四坐标综合测量仪的各项系统误差, 对单项误差数据进行插值计算, 最后基于已知的理论基础进行补偿。
4.2 软件界面及功能设计
(1) 单轴误差仿真计算
图3所示为单轴误差仿真计算界面, 其主要包括误差数据导入、曲线拟合、插值点计算、仿真数据生成和数据图形显示区域六部分。通过输入坐标点数据, 可以进行单轴测量补偿的仿真计算。
(2) 空间综合试验验证程序
图4为根据ISO10360标准和JJF1064-2010规范中相关内容编写的四坐标综合测量仪空间综合试验验证程序界面[5]。试验验证程序实现了机器坐标系与回转工作台坐标系在进行误差补偿时的换算, 能够充分利用原有测量软件来完成试验。
软件首先从RationalDMIS中获取测量得到的两个标准球的球心坐标值, 根据该坐标值和回转角度进行四轴空间误差补偿计算。之后, 根据回转中心坐标、标准球回转半径和转角, 将原始坐标换算到回转工作台坐标系下。与软件计算出的该次转动的理论坐标值差分后, 再将得到的X、Y值沿径向和轴向分解、合成, 最终得到规范中要求的径向和轴向坐标数据, 并显示在右侧的文本框中。
5 误差仿真计算分析
为了验证所建空间误差模型的可行性, 运用所开发的误差仿真分析应用软件平台, 对空间测量误差补偿过程进行仿真验证。仿真所研制的四坐标综合测量仪进行测量, 工作空间范围600mm×300mm×600mm。
首先在Access数据库中录入四坐标综合测量仪的29项系统误差, 仿真测量测量空间内的四条空间体对角线, 然后对测量数据进行分析、误差分离, 最后生成补偿文件并补偿误差。
仿真测量完成后, 对装置空间体对角线的仿真数据进行分析。从图5和图6中可以看到, 对角线方向的最大绝对误差从86.2μm减小到8.8μm, 补偿后误差相对减少了89.8%。根据补偿前后数据分析, 可以基本验证误差模型和计算方法的正确性。
6 结语
本文充分利用不同软件的优势所在, 采用VB.NET、MATLAB、Access等多种软件混合编程的模式, 开发了四坐标综合测量仪误差仿真分析应用软件。通过对软件模块及功能进行系统分析, 合理设计软件流程及软件界面, 然后编写和调试代码, 完成了整个软件的开发。最后, 对空间测量过程进行了仿真分析。利用所开发的软件平台进行仿真分析, 减少了时间成本和经济成本, 为进行试验验证分析奠定了基础。
参考文献
[1]杨仁平, 张国雄, 刘书桂, 等.回转曲面测量技术[J].天津大学学报, 2005, 38 (5) :385-390.
[2]欧金成, 林德杰, 彭备战.通过VB调用MATLAB实现图形和界面的结合[J].计算机工程与设计, 2002, 23 (12) :64-66.
[3]陈振强.基于混合编程的大坝安全监测评价系统研究[D].郑州:郑州大学, 2009.
[4]WILLIS T.VB.NET数据库入门经典[M].北京:清华大学出版社, 2006.
混合补偿 篇6
目前电气化铁路的电能质量治理主要分为无源和有源2种方式。无源方式是目前普遍采用的治理方法,分为固定补偿(FC)和SVC动态补偿2种。FC主要是安装3、5、7次滤波装置并兼顾无功补偿。SVC主要是通过调节牵引变电所输出端口并联的电容和电抗来实现负载平衡及谐波无功的补偿。文献[2-3]详细研究了无源对称补偿的原理、系统结构、容量和控制策略。有源治理主要是采用APF和SVG等方式注入补偿电流而实现综合治理,通常注入的补偿电流包含谐波电流和无功电流,这种方案因所需补偿装置容量大、价格贵而较少应用。文献[4-7]分析了各种大容量SVG系统的设计与实现问题;文献[8-10]研究了背靠背SVG针对多种变压器接线方式的补偿方案;文献[11-13]详细研究了多种方案的补偿容量问题。上述研究大都基于理论仿真或小系统模拟试验,其实际应用的效果和经济性值得商榷。
针对以上问题,本文主要研究了将背靠背单相换流器与FC相结合的方案用于平衡接线方式变电所的电能质量综合治理情况,通过安装小容量的换流装置即可实现电能质量综合治理。文章首先介绍了无源补偿的系统结构和原理,分析了无源补偿负序和无功所需的补偿容量;然后提出根据变电所容量和牵引负荷运行情况合理配置FC和背靠背单相换流器的安装容量的方法;最后通过对实际运行的牵引变电所进行现场试验,详细分析该试验的治理效果并指出该方案在实际设计时需要注意的一些关键问题。
1 无源补偿系统结构及容量分析
牵引变压器接线方式从功能上大致可分为非平衡接线和平衡接线。非平衡接线变压器的副边输出电压相位相差120°,而平衡接线副边输出电压相位相差90°。平衡接线变压器副边2个供电臂消耗相等时,其负序电流为零。目前电气化铁路引起的电能质量问题均集中在牵引变压器副边治理,它通过在α、β供电臂并联电容和电抗实现谐波、负序和无功的综合治理,其系统结构如图1所示(由供电臂和负荷或补偿装置所形成的电气回路称为端口)。
设Sα、Sβ分别为α、β供电臂负载容量,ψα、ψβ分别为变压器副边牵引供电臂对应的接线角,φα、φβ分别为两臂负载功率因数角。在无补偿情况下负载所产生的负序功率之和为[1]:
由于电力机车属于感性负载,其产生的无功为两臂负载无功的总和S0Q:
设SR-和SRQ分别为负序和无功的补偿容量,定义感性为正,容性为负。KN和KC分别为负序和无功的补偿度,即:
其中m表示对应的负荷或补偿端口号;KN和KC的取值范围为[0,1]。
当牵引负载不变时,经过式(1)—(4)的计算,在2个指定端口分别进行感性和容性补偿即可实现系统的无功和负序完全补偿。但由于牵引负荷总是不断变化,如果要达到上述效果就需要不断地改换补偿端口和补偿容量,这在实际工程中是很难实现的。如果在3个固定端口进行补偿,设K、L、T分别为补偿端口,其中K与α同端口,L与β同端口,T为自由相端口(通过电容或电感将α供电臂和β供电臂连接而形成电气回路),可得3个补偿端口的补偿容量如式(5)所示。化简式(5)可得3个端口的并联补偿安装容量如式(6)所示。
设η为两牵引供电臂负载容量比,η=Sα/Sβ,要实现系统的无功和负序完全补偿,各端口的补偿容量曲线见图2。
从图2的补偿曲线可以看出,在固定端口进行综合完全补偿时无源补偿容量与负载容量以及两臂负荷不对称度成正比;同时也可以看出,当补偿端口固定后采用无源方式实现完全补偿时,必须在3个补偿端口进行补偿容量调节,仅在2个固定端口调整补偿容量无法实现系统的综合补偿。
2 基于平衡接线的混合式补偿系统
2.1 基于平衡接线的混合式补偿系统结构
本文研究的对象为阻抗匹配平衡变压器接线方式的牵引变电所,它能够将公用电网的三相电变换成两相电且两端口输出电压相位相差90°。在牵引变压器两牵引负载端口配置3、5次固定补偿装置,并将2台背靠背连接的单相换流器的输出端通过隔离变压器分别接入2个负载端口,从而组成了混合式补偿系统,其结构如图3所示。在这种牵引变压器的接线方式下,当两相负载消耗的有功和无功同时相等时,即可在公用电网的三相侧认为负载对称。由于该接线方式的变压器的2个输出端口电压相位相差90°,因此在接触网上它们之间通常采用电分相连接。考虑到IGBT的耐压水平,换流器只能通过串联或并联方式来增大容量和电压水平,然后通过隔离变压器升压后接入27.5 k V的牵引供电系统。该补偿系统能根据负载的情况实时调节换流器的注入电流,从而实现对电能质量的综合治理。
2.2 基于平衡接线的混合式补偿原理
阻抗匹配平衡变压器是一种三相变两相的电能变换装置,其原边电流矢量图如图4(a)所示,副边电压、电流矢量如图4(b)所示。其中,α臂与原边a相电压相位相同,β臂超前α臂90°。当在平衡变压器副边加载相等的负载时,原边的三相电流对称,当负载不相等时将会在原边产生负序电流并降低功率因数。
副边负载大小不等时,其电压、电流矢量如图4(c)所示。α臂负载电流为iα,其功率因数角为φα;β臂负载电流为iβ,其功率因数角为φβ。由瞬时无功功率算法可得各供电臂电流的有功、无功分量大小为:
混合式补偿系统通过背靠背的单相换流器将电流较小的供电臂的部分电流通过单相整流,然后经直流电容后再由单相换流器逆变补偿到负载电流较大的供电臂,使2个供电臂电流有功分量Ip-α和Ip-β基本相等,从而完成两供电臂的有功平衡。对于负载需要的无功则主要由FC装置补偿,当牵引负荷所需无功补偿小于或大于所安装的FC容量时,换流器可动态地产生适量的感性或容性无功用于解决FC过补偿或欠补偿问题,使得Iq-α与Iq-β均为0。通过以上补偿过程使平衡变压器副边2个供电臂消耗的有功和无功分别基本相等,实现电能质量的综合治理。
3 基于平衡接线的混合式容量分析
根据平衡变压器的特性可以得到,混合补偿方案只要使得两供电臂补偿后的等效负载消耗的无功功率为零、有功消耗大小相等即可解决无功和负序问题。因此需要对无功和有功的补偿装置安装容量进行研究从而实现最优的补偿效果。
3.1 无源补偿装置容量分析
无功补偿最理想的条件就是使牵引负荷消耗的无功完全由FC和背靠背单相换流器提供,由于换流器的容量有限,因此无功的补偿主要由FC完成,而换流器仅作为小容量的SVG协调动态补偿无功。FC容量的选择主要是根据每条线路的实际运行情况而选取安装。设两臂安装的最佳FC容量为SqFC-α和SqFC-β,其容量大小可由下式计算得到[14]:
其中,p(t)为每个时刻系统消耗的有功,q(t)为每个时刻消耗的无功。如果每个时刻系统消耗的无功q(t)都有SqFC补偿,那么系统的功率因数就为1。但是由于FC装置无法准确实时补偿,根据线路的时间运行情况,每条线路总能找到一个最优的FC容量使得系统的功率达到最高。目前大部分线路依然是交直型机车,其功率因数在0.82左右,可将安装的FC容量增加一些。运行交直交机车的线路功率因数普遍在0.95左右,因此可安装适当的FC容量以避免造成过补偿现象。根据式(8)的方法,本文采用实际数据进行分析,其功率因数和FC容量曲线如图5所示。
由图5可见,本条线路主要运行交直交机车,当α供电臂设置FC容量为2 Mvar时,该供电臂功率因数最高可达0.98,β供电臂无补偿时达到最大值,若安装容量大于最佳补偿值时将造成过补偿。
3.2 有源补偿装置容量分析
获得最佳FC容量后,为进一步提高系统功率因数,可通过单相换流器对FC进行调节,实现系统功率因数为1。设换流器提供的最大动态无功补偿容量为Sqr-α、Sqr-β,可得α和β臂无功补偿容量范围为:
针对图5所测试的数据,各供电臂选取最佳FC后仍无法达到单位功率因数,本文通过换流器对负荷进行了无功补偿,安装最佳FC后,功率因数与动态无功补偿容量之间的关系如图6所示。可见,采用换流器能够实现系统无功的完全补偿。针对图5安装最佳FC后,即可完全补偿α供电臂需要换流器补偿的2 Mvar无功,同理β供电臂需要1.5 Mvar。
电气化铁路牵引负荷在高压母线上产生的最大电压不平衡度可采用该点短路容量和不平衡容量进行估算,其电压不平衡度VGN为:
其中,SGN为系统不平衡容量,SS为系统短路容量。
由式(10)可见,因系统接入点短路容量不同,相同的不平衡容量也可能会导致不同的电压不平衡度,因此各变电所应根据自身系统容量调整补偿容量。
换流器在进行无功和有功的补偿时,一般是通过瞬时无功功率理论实时计算出α和β供电臂牵引负荷消耗的有功容量Spα、Spβ和无功容量Sqα、Sqβ。有功相等的目标就是使得2个供电臂为牵引负荷提供相等的有功,其大小分别为两臂负荷总和的一半。当α臂负载较大时,可以通过单相换流器从β臂传递部分有功到α臂,从而减小α臂有功消耗的同时增大β臂有功消耗,使得有两臂有功消耗相等;当β臂负载较大时其有功补偿原理相同。背靠背单相换流器2个端口有功补偿大小可由式(11)获得:
根据某牵引变电所实测数据整理得到该线路两供电臂负荷差值概率曲线如图7所示。
两供电臂最大的有功负荷差值为15 MW,如果按照最大差值安装显然系统补偿的经济性不高,有功转移的容量可根据电网的容量选取负荷有功偏差概率较大的容量进行安装,从而提高补偿的经济性。
通过分析换流器对无功和有功补偿容量计算即可得到换流器所需总体容量,从而实现系统的最优容量配置。当换流器容量有限时,可对换流器的无功和有功补偿功能独立控制。当需要提高无功补偿容量时,可降低有功补偿,从而提高换流器无功补偿能力。
4 实例测试与分析
某牵引变电所根据图1的混合式补偿系统的接线并依据铁路的运行规律,以1 d作为测试周期进行了4 d、多种补偿方式的连续测试。该变电所一次侧由220 k V系统引入2回110 k V电源,系统最小短路容量为800 MV·A,接入点的主变压器容量为2×240 MV·A。变电所正常运行时由一路110 k V电源供电,另一路电源热备用。牵引变压器采用110 k V/27.5 k V阻抗匹配平衡变压器,额定容量为31.5 MV·A。混合补偿系统由FC和背靠背单相换流器组成,其中α和β臂分别安装了3次和5次FC滤波器,其安装容量分别为2400 kvar和1200 kvar,每个供电臂无功容量总计为3600 kvar。背靠背单相换流器由2组组成,每组容量均为2.4 MV·A,共计4.8 MV·A。为比较试验结果,本次试验分为4种补偿模式进行:模式1没有任何补偿;模式2采用FC+背靠背单相换流器补偿无功和谐波;模式3采用背靠背单相换流器独立补偿无功和谐波;模式4采用FC+背靠背单相换流器补偿负序和谐波。本次测试采用西南交通大学研制的BDC-5型电能质量测试仪,每3 s测量一次,测量时间为24 h。图8分别为2种补偿模式下的二次侧α和β供电臂母线的有功波形。
从图8的功率曲线中可以看出,列车在05:00—10:00运行相对较少,有功功率消耗很小。在14:00—20:00α臂负载较大,β臂负载相对较小,此时间段负序最严重。通过对比图8(a)、(b)和图8(c)、(d)可以看出,背靠背单相换流器能够将α臂的部分有功功率转移到β臂,从而降低α臂的负载,使得变压器二次侧两臂有功消耗相对平衡。同时表1中电压不平衡度95%概率值也说明了该混合补偿系统有调节负载平衡的能力。根据前面的估算,要使得系统完全补偿,其背靠背单相换流器容量应在8 MV·A左右为宜。由于现场所安装的背靠背单相换流器容量比估算的小,在进行负序补偿时无法实现完全补偿,现场测试结果也说明了这一点。当换流器容量有限时再增加无功补偿的功能势必更加降低补偿的效果,因此采用FC补偿无功具有很大的实际意义。
本次试验的线路所运营机车主要为交直交机车,其功率因数可达0.95左右。从试验的测试数据看出,当没有补偿时α臂无功消耗大,β臂无功消耗小。当采用换流器补偿无功时,由于换流器是动态补偿,不会产生过补偿现象,所以系统功率因数提高较大。然而本混合补偿系统所安装的FC补偿装置配置β臂明显偏大,在投入混合补偿时,α臂补偿有效,β臂却出现过补偿现象而影响了整个系统的补偿效果。本次试验的无功补偿测试结果见图9。
从表2的系统功率因数测量结果可以看到系统在反送不计的情况下补偿后的功率因数接近1,而在反送正计时混合补偿功率因数偏低甚至低于无补偿,导致这种情况的主要原因是FC容量偏大。结合表1的测试结果可得出该线路的补偿系统应增大换流器容量,减少FC容量。
从表3的谐波补偿测量的结果看出,采用FC兼顾3、5次的滤波装置与换流器组成混合滤波系统补偿效果较好。若单独采用单相换流器滤波其效果并不理想,其主要原因是由于大容量的换流器开关频率不高且谐波突变时谐波检测存在延时。谐波总含量数据表明混合式补偿系统比纯有源补偿系统的滤波效果更好。
5 结论
混合补偿 篇7
全球经济社会迅速发展,能源需求日趋增长,而煤炭、石油等传统能源日趋枯竭,伴随传统能源广泛使用所滋生的环境污染和生态破坏等问题愈发严重。2013年,由国务院印发的关于大气污染防治行动计划的通知中明确提出要加快调整能源结构,增加清洁能源供应,开发利用风能等新能源。我国海上风能资源丰富,且主要分布在经济发达、电网结构较强、又缺乏常规能源的沿海地区。海上风电相比陆上风电具有高风速、高产出、年利用小时数更高等显著优点,加之其不占用土地资源和对环境影响较小,海上风电逐渐成为我国风电产业发展的新趋势[1]。随着海上风电关键技术研发不断突破、建设成本进一步降低,以及国家相关政策大力推动和引导,未来几年,海上风电有望迎来迅速发展的黄金时期。
海上风电场在电力输送过程中需采用海底电缆,由于交流电缆具有较大充电功率,特别是高电压、大截面、长距离海缆在过电压保护方面与常规架空线路有很大不同[2,3,4]。当前,国内外相关技术领域对海底电缆的过电压研究相对较少,而针对海缆+架空混合线路的过电压研究分析尤其缺乏。从电磁场角度建立海缆的计算模型,针对海上风电场送出混合线路进行工频过电压研究对保证其安全可靠运行十分重要。
海上风电场感性无功补偿一般可采用高压并联电抗器(简称高抗)、低压感性补偿、高抗+低压感性补偿三种配置方案;容性无功补偿原则采用动态无功补偿装置。高压并联电抗器是限制工频过电压的主要措施,同时又具备无功补偿的作用[5]。本文基于海上风电场送出混合线路过电压计算分析结果,综合研究海上风电场无功补偿容量,确立无功补偿配置方案,并应用于工程实际,为海上风电场安全可靠经济运行提供设计参考。
1 海上风电场输电系统
海上风电场接入电力系统主要有交流输电和直流输电两种基本方式,其中直流输送方式又分为两类:一类是传统的基于晶闸管换流器(PCC)的直流输电技术;另一类是近些年发展起来的基于电压源变频器(VSC)的轻型直流输电技术[2,6]。交流输电系统结构相对简单,成本较低,应用较早,技术比较成熟,可靠性较高,是现阶段海上风电场主要采用的输电方式。
本文所研究的海上风电场采用交流输电方式接入电网,主要包括风力发电机组(含机端变压器)、站内汇集线路、海上升压站、送出海缆和架空混合线路,其中站内汇集线路一般采用35 k V电压等级,海上升压站包括升压主变压器和无功补偿装置等设备。图1为采用交流并网方式的典型海上风电场输电系统示意图。
2 海缆模型及电气参数
本文的主要研究对象为海上风电场送出海缆及架空混合线路,因此,从电磁场角度建立海缆的准确模型是进行仿真分析的必要前提。
海底电缆的电气参数取决于海缆所用的材料和几何尺寸,所以可据此计算得到海缆电气参数。海缆的电气参数主要有导电线芯电阻、绝缘电阻、电感和电容,以及正序阻抗和零序阻抗等,海缆的等效电路如图2所示。其中,R0为单位长度的等效电阻,单位为Ω/km,X0为单位长度的等效电感,单位为mH /km;G0为单位长度漏电导,单位为S/km;C0为单位长度的电容,单位为μF/km。在本文的研究中,考虑到海缆的漏电导很小,不考虑海缆的漏电导。
与常规电缆相比,海缆不仅要求具备防水、耐腐蚀、抗机械牵拉及外力碰撞等特殊性能,还要求较高的电气绝缘性能和很高的安全可靠性[7]。根据结构不同海缆可分为三芯和单芯电缆,目前电缆厂家提供的典型海缆结构如图3所示。
以单芯海缆为例,可简化为图4所示的海缆参数模拟原理图。单芯电缆的电气参数是按同轴回路方程的形式推导而得,其中回路1由芯导线C与返回电路金属外皮S构成,回路2由金属外皮S与返回电路金属铠装A构成,回路3由金属铠装A和海水SE构成。上述三个回路的串联阻抗可用式(1)三个耦合方程来描述[8],其中V和I为相应回路电压、电流。
C—芯线 I-绝缘层 S-护套 B-填充物 A-铠装 SE-海水图4 海缆参数模拟原理示意图
式(2)和(3)以芯线、外皮和铠装电压电流作为端部条件,其中,Vcore、Vsheath、Vcrmour分别为芯线、外皮和铠装的对地电压。将式(2)、式(3)应用到式(1),则可得到:
式(4)中:
对图4中电流沿海缆的变化而言,各回路方程彼此是无关的,如公式(5)所示。根据式(1)~式(5)即可计算得到海缆的电气参数。EMTP/EMTPE软件为用户提供了电缆支持程序,通过特殊申请字“CABLE CONSTANTS”,便可以计算不同结构电缆的电阻、电感和电容矩阵。
3 工频过电压和无功补偿研究
3.1 工频过电压
工频过电压在确定系统绝缘水平时起着重要的作用,产生工频过电压的主要原因是空载线路的电容效应、不对称接地故障、发电机突然甩负荷等[5,9]。由于海缆的与架空线路电气参数上的差异(如海缆线路的电容较大等),海上风电场采用高压海缆和架空混合线路的送出电力时工频过电压情况较纯电缆和纯架空线路更为复杂。
高压并联电抗器是限制工频过电压的主要有效措施,以带有高抗的空载线路电容效应引起的工频过电压为例,海上风电场输电系统接线示意图如图5所示,可得:
其中,E为系统等效电源,XS为系统电源等值阻抗,XL为并联电抗器,ZC为输电线路特征阻抗, 为输电线路的相位系数,l为输电线路长度。由式(6)可以看出,合理选择高压并联电抗器容量可有效降低输电系统末端电压U2,从而限制工频过电压数值;若不装设并联电抗器,则并联电抗器抗值XL=0。高压并联电抗器的选择以线路补偿度为依据,一般情况下,并联电抗器容量应为输电线路充电功率的60%~70%左右。
实际运行中,不对称短路是输电线路中最常见的故障型式,其中以单相接地故障所占比例最大,因此本文主要针对单相接地、三相断开的故障型式引起的工频过电压进行计算分析。
3.2 无功补偿综合研究
目前,勘测设计行业暂无专门针对海上风电场无功补偿容量的标准或规范。参照GB/T 19963-2011相关规定,风电场的无功补偿容量应按照分(电压)层分(电)区基本平衡的原则进行配置,并满足检修备用要求;对于直接接入公共电网的风电场,其配置的容性无功容量能够补偿风电场满发时场内汇集线路、主变压器的感性无功及风电场送出线路的一半感性无功之和,其配置的感性无功容量能够补偿风电场自身的容性充电无功功率及风电场送出线路的一半充电无功功率。结合海上风电场实际接入情况和电网公司技术管理要求,海上风电场配置无功补偿容量需考虑全部补偿其送出混合线路中海缆部分的容性及感性无功功率。根据上述原则,由海上风电场送出混合线路、升压主变、集电线路和机端升压变等设备电气参数即可计算得到所需补偿感性和容性无功补偿容量。
本文已对海上风电场的无功补偿三种配置方式作了简要介绍,由于高压并联电抗器费用昂贵,且运行时必须一直接在线路上,不允许退出[5]。综合考虑经济性和灵活性,高压并联电抗器往往不是海上风电场进行感性无功补偿的首要选择。但若通过输电系统过电压保护计算分析,要求加装高压电抗器以限制工频过电压,则必须基于过电压计算结果中高压并联电抗器的补偿度对前述计算所得无功补偿容量进行修正,得到所需低压无功补偿容量,并最终确立海上风电场无功补偿配置方案。
按上述过程确定的海上风电场送出海缆+架空混合线路工频过电压和无功补偿综合计算研究流程如图6所示。
4 案例分析
4.1 计算条件
以江苏某近海风电场为例,风电场采用一机一变方式安装18台单机容量3 MW风电机组和37台单机容量4 MW风电机组,总装机规模202 MW,在海上平台建设220 k V升压站,通过一回220 k V海底电缆和架空混合线路送出电力至陆上某220 k V系统变电站,其中海缆截面为3×500 mm2,长度约12.9 km,海缆结构尺寸参数为:导体直径26.6 mm、导体屏蔽层1.7 mm、绝缘层27 mm、绝缘屏蔽1.2 mm、纵向阻水层1 mm、金属套3 mm、半导电护套3 mm、内衬层3.1 mm、铠装层8 mm、外被层5 mm、总外径251 mm;架空线型号为LGJ-2×630,长度约8 km。图7为工程输电系统示意图。
4.2 计算分析过程
首先,根据表1中三芯海缆的几何尺寸,利用EMTP/EMTPE电缆支持程序计算海缆的电阻、电感和电容矩阵,得到海缆的计算模型。建立输电系统等值电路示意图,如图8所示,其中S1、S2分别为系统220 k V变电站和海上风电场220 k V升压站等值电源,ZS1和ZS2分别是对应的等值电源阻抗,输电线路由海底电缆和架空混合线路组成。
考虑风电场三种典型出力方式(100%、60%和10%最大出力),针对送出混合线路一侧单相接地、三相断开的故障型式进行工频过电压计算,计算结果如表1所示。
p.u.
根据相关规定,对于220 k V系统工频过电压一般按线路断路器的变电站母线侧不超过1.3 p.u.及线路断路器的线路侧不超过1.4 p.u.考虑[10]。由表2可见,本工程输电系统工频过电压计算结果均低于限值,因此无需采取加装高压并联电抗器来限值工频过电压。
Mvar
根据本文所确定的无功补偿综合原则,结合变压器和线路等相关设备实际参数,进行工程无功补偿容量计算,详见表2。其中,感性无功缺额考虑能够补偿站内35 kV汇集电缆、220 kV送出海缆容性充电功率及220 k V送出架空线路的一半充电无功功率;容性无功缺额考虑能够补偿海上风电场满发时站内35 kV汇集电缆、220 kV升压主变压器、35 kV机端升压变、220 k V送出海缆的感性无功及220 k V送出架空线路的1/2感性无功之和。
按本文提出的无功补偿综合计算方法,本工程无需加装高压并联电抗器,则最终可确定本工程需配置不低于6.8 Mvar的容性无功补偿装置及不低于37.2 Mvar的感性无功补偿装置,无功补偿装置需具备动态调节能力。
5 结语
海上风电场是我国新能源领域未来投资和建设的热点。针对海上风电场送出高压海缆和架空混合线路的输电系统,本文首先从电磁场角度研究确立海缆计算模型,接着运用EMTP/EMTPE仿真软件建立输电系统模型,对系统工频过电压进行计算分析,根据计算结果确定是否需加装高压并联电抗器,最终综合无功补偿容量计算结果确定无功补偿配置方案。以江苏某近海风电场为例研究介绍了风电场送出海缆及架空混合线路的工频过电压和无功补偿综合计算方法,研究结论可为海上风电场的安全、经济和可靠运行提供设计参考。需要说明的是,由于目前实际工程中相关技术能力和管理经验欠缺,无功补偿暂未考虑风电机组的动态调节能力,否则需根据风电机组的无功容量对无功补偿计算结果和最终无功补偿配置方案进一步进行调整和完善。
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