王若,黃瑋,李楊

(昆明冶金高等?？茖W(xué)校自動(dòng)化與電力學(xué)院,昆明650033)

中小型水電站無功輸出能力提高的方法探討

王若,黃瑋,李楊

(昆明冶金高等?？茖W(xué)校自動(dòng)化與電力學(xué)院,昆明650033)

中小型水電站無功輸出不足的問題,具有一定的普遍性。從分析發(fā)電機(jī)運(yùn)行原理得出兩種提高發(fā)電機(jī)無功輸出的方法:增加勵(lì)磁電流和維持勵(lì)磁電流不變適量降低發(fā)電機(jī)端電壓,并針對(duì)采取這兩種方法產(chǎn)生的一些問題給出了具體的解決方案。

中小型水輪發(fā)電機(jī);無功輸出;勵(lì)磁電流;端電壓

0 前言

在現(xiàn)代發(fā)電站中,總是采用多臺(tái)同步發(fā)電機(jī)接在共同的匯流排(母線)上并聯(lián)運(yùn)行,而各發(fā)電站又并聯(lián)起來組成強(qiáng)大的電網(wǎng),這樣既可以提高電能的質(zhì)量及供電的可靠性,又可以提高電站及電機(jī)的運(yùn)行效率,更合理地利用動(dòng)力資源。水輪發(fā)電機(jī)屬于同步發(fā)電機(jī),其運(yùn)行也不例外。

水輪發(fā)電機(jī)投入并聯(lián)后,向電網(wǎng)發(fā)出有功功率和無功功率。發(fā)電機(jī)向電力系統(tǒng)輸入有功功率就是發(fā)電機(jī)作功,其表現(xiàn)形式為向電力系統(tǒng)輸入電壓及電流。輸入的三相有功功率用公式表示為:PN=3 U Icoφs,其中U為發(fā)電機(jī)端電壓,I為發(fā)電機(jī)定子電流,coφs為功率因素。

無功功率是指在串、并聯(lián)電路上的電感元件和電容元件之間以及發(fā)電機(jī)和電力系統(tǒng)之間相互交換的電磁功率。在一個(gè)交流電周期內(nèi),無功功率的平均功率值為零,即不消耗電能。

電力系統(tǒng)的頻率和電壓是衡量電能質(zhì)量的主要指標(biāo)。系統(tǒng)的穩(wěn)定主要取決于系統(tǒng)內(nèi)所有發(fā)電機(jī)的有功功率和全部有功負(fù)荷的平衡;電壓質(zhì)量則主要取決于系統(tǒng)內(nèi)無功的平衡。為達(dá)到理想的負(fù)載分配(即按機(jī)組的容量大小來分配負(fù)載)必須同時(shí)兼顧有功功率和無功功率。電機(jī)的有功功率和無功功率的調(diào)節(jié)受與它并聯(lián)電網(wǎng)的相對(duì)容量大小的影響。對(duì)于大電網(wǎng),發(fā)電機(jī)單機(jī)功率的調(diào)節(jié)對(duì)電網(wǎng)的電壓和頻率影響極微;當(dāng)電網(wǎng)的容量與發(fā)電機(jī)容量相差不多時(shí),調(diào)節(jié)一臺(tái)發(fā)電機(jī)的功率,會(huì)引起整個(gè)電網(wǎng)電壓和頻率的變化,如要保持其不變,則必須相應(yīng)的對(duì)其他發(fā)電機(jī)的功率作適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)。

在實(shí)際運(yùn)行中,中小型水電站并入大電網(wǎng)運(yùn)行,因電網(wǎng)電壓偏高,存在所發(fā)無功不足;而一些由無調(diào)節(jié)功能的小型水電站供給的小電網(wǎng),由于遠(yuǎn)離負(fù)荷中心,豐水期水量充足,各水電站超發(fā)有功,無功發(fā)不足,致使電網(wǎng)電壓升高,無功負(fù)荷缺額大,有功功率消耗也非常大。為此,筆者從對(duì)發(fā)電機(jī)無功功率的調(diào)節(jié)及無功功角特性的分析入手,根據(jù)電機(jī)學(xué)原理,探討提高中小型水輪發(fā)電機(jī)無功功率的方法和手段。

1 勵(lì)磁電流對(duì)無功輸出的影響

接在電網(wǎng)運(yùn)行的負(fù)載類型很多,多數(shù)負(fù)載除了消耗有功功率外,還要消電感性無功功率,如接在電網(wǎng)上運(yùn)行的異步電機(jī)、變壓器、電抗器等。因此電網(wǎng)除了供應(yīng)有功功率外,還要供應(yīng)大量滯后性的無功功率。電網(wǎng)所需要的全部無功功率一般由并網(wǎng)的發(fā)電機(jī)提供,可見調(diào)節(jié)并網(wǎng)發(fā)電機(jī)輸送給的無功功率對(duì)于電力系統(tǒng)正常運(yùn)行有著重要意義。

電網(wǎng)電壓和頻率不變,并網(wǎng)發(fā)電機(jī)的電壓和頻率將維持常數(shù)。如果保持原動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩不變,那么發(fā)電機(jī)輸出的有功功率保持不變,此時(shí)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的大小,發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)如何?下面作詳細(xì)分析。

為了便于分析,將發(fā)電機(jī)看作隱極式同步發(fā)電機(jī),并忽略電樞電阻,則發(fā)電機(jī)輸出的無功為:

圖1 同步發(fā)電機(jī)相量圖

由隱極電機(jī)的相量圖(圖1),可見

將(2)式代入(1)式得:

(3)式表示無功功率的功角特性。式中:E0為發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電勢(shì),θ為功率角,U為發(fā)電機(jī)端電壓,φ為功率因數(shù)角,I為定子電流,X t為發(fā)電機(jī)的同步電抗。

下面我們用功角特性來說明調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的影響。設(shè)原動(dòng)機(jī)有效功率為PT,發(fā)電機(jī)運(yùn)行于功率角θa處,輸出有功功率Pa=PT,無功功率為Qa,見圖2所示。

圖2 調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的影響

現(xiàn)在維持PT不變,而增大勵(lì)磁電流,即增大了勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)E0,于是功角特性的幅值增大。這時(shí)功角特性由P1變?yōu)镻2,而運(yùn)行點(diǎn)由a點(diǎn)變?yōu)閎點(diǎn),其功角由θa變?yōu)棣萣,這時(shí)的無功功率由Q1變?yōu)镼2,而發(fā)電機(jī)的無功功率由特性Q1上的Qa增加到特性Q2上的Qb?？梢?增大勵(lì)磁電流就增大了無功功率的輸出;反之,減少勵(lì)磁電流將降低無功功率的輸出。

根據(jù)以上分析,水輪發(fā)電機(jī)在電站運(yùn)行時(shí),保持額定電壓不變,增加勵(lì)磁電流,可以提高無功功率輸出。

對(duì)于已生產(chǎn)制造好的水輪發(fā)電機(jī),其勵(lì)磁繞組匝數(shù)、勵(lì)磁線圈尺寸已定。由外部電源供給勵(lì)磁的水輪發(fā)電機(jī),其勵(lì)磁損耗為:

其中Pcuf為勵(lì)磁損耗,IfN額定勵(lì)磁電流,Rf(75℃)為勵(lì)磁繞組電阻(75℃時(shí))。由(4)式可知,當(dāng)勵(lì)磁電流增大時(shí),損耗Pcuf增大,引起勵(lì)磁繞組溫升升高。如果原有勵(lì)磁繞組的散熱容量沒有余量,必然使勵(lì)磁繞組溫升超限,從而影響機(jī)組運(yùn)行的安全可靠性。所以,在這種情況下,采用增加勵(lì)磁電流來增大無功輸出,由于受到勵(lì)磁繞組溫升的限制,收效有限。

綜上所述,想要通過增加勵(lì)磁電流來提高無功功率,需考慮勵(lì)磁繞組的溫升限度,要解決這一問題必須依賴于電機(jī)制造廠,制造廠在進(jìn)行電磁設(shè)計(jì)時(shí),可將額定勵(lì)磁電流增大,并按增大后的勵(lì)磁電流來設(shè)計(jì)勵(lì)磁繞組,使其具有一定的調(diào)節(jié)空間,當(dāng)增加發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流時(shí),控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的溫升在允許的范圍內(nèi),另外,提高勵(lì)磁繞組的絕緣等級(jí)也可增大勵(lì)磁繞組的溫升限值。

2 發(fā)電機(jī)端電壓變化時(shí)對(duì)無功輸出的影響

從(3)式可看出,當(dāng)勵(lì)磁不變時(shí),Q與θ的關(guān)系為余弦函數(shù),如果保持有功輸出不變,由于電樞電阻Ra≈0,故PN≈Pem(Pem為發(fā)電機(jī)的電磁功率),這時(shí)有:

圖3 U及P不變調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流時(shí)的功角矢量圖

由于發(fā)電機(jī)端電壓U基本不變,而Xt在發(fā)電機(jī)出廠時(shí)已定,由(5)、(6)式可知:Icosφ=常數(shù),E0sinθ =常數(shù)。

圖3表示保持Icosφ=常數(shù),E0sinθ=常數(shù),調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流If時(shí)發(fā)電機(jī)的相量圖。

圖4 端電壓升高湖發(fā)電機(jī)功角矢量圖

在圖3的基礎(chǔ)上,假設(shè)因外部電網(wǎng)系統(tǒng)電壓升高,迫使與之相連的發(fā)電機(jī)電壓U升高到U1,作其功角特性矢量(見圖4)。

由圖4可知,當(dāng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行端電壓U升高到U1時(shí),要使發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)保持不變,則發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電勢(shì)必須由E增加到E1,顯然E1的幅值大于E的幅值。即當(dāng)發(fā)電機(jī)功率因數(shù)cosφ不變時(shí),發(fā)電機(jī)所需勵(lì)磁電勢(shì)與發(fā)電機(jī)端電壓成正比,即E∝U;當(dāng)E=常數(shù)時(shí),cosφ∝U;因此,E=常數(shù)時(shí),sinφ∝U。由于發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁受其本身的限制,所以可假設(shè)其上限勵(lì)磁值為Emax。當(dāng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行于上限Emax時(shí),作出對(duì)應(yīng)于不同發(fā)電機(jī)端電壓時(shí)的功角矢量圖(圖5)

圖5 E-E max時(shí)端電壓升高后發(fā)電機(jī)功角矢量圖

由圖5可知,若為發(fā)電機(jī)上限勵(lì)磁Emax的情況,則當(dāng)發(fā)電機(jī)端電壓不同時(shí),其功率因數(shù)角φ也不同。由圖5可以看出:

當(dāng)E=Emax,

又sinφ∝φ,Q=U Isinφ,則無功功率Q∝φ。所以,當(dāng)E=Emax:

由式(7)、(8)、(9)、(10)可看出:在發(fā)電機(jī)維持勵(lì)磁上限值的情況下,發(fā)電機(jī)的端電壓越低,則其無功輸出越大。因此,降低發(fā)電機(jī)運(yùn)行端電壓可以提高其無功輸出能力。

在電站實(shí)際發(fā)電過程中,要想通過降低發(fā)電機(jī)運(yùn)行端電壓來提高無功輸出,只有通過對(duì)發(fā)電機(jī)側(cè)主變壓器低壓繞組的改造,即用增設(shè)分接頭(改變主變低壓繞組的匝數(shù))的方法,來降低發(fā)電機(jī)的運(yùn)行端電壓,在勵(lì)磁繞組的散熱容量受限的情況下,這是解決無功輸出不足的另一種方法。值得注意的是降低端電壓時(shí),若保持額定有功不變時(shí),定子電流會(huì)增大,這將會(huì)引起定子線圈溫升增大。當(dāng)電壓低到額定值的95%以下時(shí),發(fā)電機(jī)應(yīng)降低額定有功輸出。

3 結(jié)束語

中小型水電站無功輸出不足的問題,具有一定的普遍性。目前,針對(duì)這一問題,一些電機(jī)制造廠在進(jìn)行電磁設(shè)計(jì)時(shí),已采取增大額定勵(lì)磁電流的措施,考慮到制造成本的問題,設(shè)計(jì)時(shí),將額定勵(lì)磁電流在原來的基礎(chǔ)上增加5%～10%。對(duì)于正在興建的水電站,建議在主變壓器訂貨時(shí),應(yīng)向廠家提出增設(shè)主變分接頭的特殊要求,以達(dá)到可以根據(jù)實(shí)際情況提高無功輸出的目的。

[1]許實(shí)章主編.電機(jī)學(xué)(下冊(cè))[M].北京;機(jī)械工業(yè)出版社,1987.

[2]閻治安,崔新藝主編.電機(jī)學(xué)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,2006.

[3]白延年主編.水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)與計(jì)算[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1990.

[責(zé)任編輯 張燦邦]

I mprovement of the Output of Reactive Power in M edium-small Hydroelectric Power Station

WANG Ruo,HUANG W ei,L I Yang
(KunmingMetallurgy College,Kunming 650033,China)

In the paper the authors provided two methods,increasing excitation current and decreasing terminal voltage of generatorwhile keeping the value of excitation current,to improve the reactive power in medium-s mall hydroelectric power station,and discussed the problems of employing the methods and their solution.

medium-s mall sized hydraulic turbine generator;output of reactive power;excitation current;terminal voltage

book=8,ebook=155

04-3

A

1008-9128(2010)04-0047-03

2010-04-12

王若(1964-),女,高級(jí)工程師,主要從事水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)和理論研究。