許萬(wàn)升

(廣西桂水電力股份有限公司大新發(fā)電分公司，廣西 大新　532300)

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cosφ考核下沙屯水電站豐水期機(jī)組功率合理分配的探討

許萬(wàn)升

(廣西桂水電力股份有限公司大新發(fā)電分公司，廣西 大新532300)

【摘要】由于發(fā)電上網(wǎng)電量實(shí)行功率因數(shù)考核，小水電站豐水期普遍存在因無(wú)功電量欠發(fā)而被扣款情況，影響電站的經(jīng)濟(jì)效益。本文根據(jù)“確保安全，提高效益”的原則，以及現(xiàn)行上網(wǎng)電費(fèi)計(jì)算政策，在電站沒(méi)有進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償時(shí)，對(duì)豐水期機(jī)組有功、無(wú)功最大經(jīng)濟(jì)效益分配進(jìn)行推算，得出最佳運(yùn)行方案，確定電站豐水期機(jī)組有功、無(wú)功合理分配運(yùn)行數(shù)值，達(dá)到提高經(jīng)濟(jì)效益目的。

【關(guān)鍵詞】水電站；功率因數(shù)考核；豐水期經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；有功無(wú)功分配

水電是我國(guó)最具優(yōu)勢(shì)的清潔能源，發(fā)展好小水電對(duì)能源的綜合利用、保護(hù)生態(tài)環(huán)境等具有重大意義。但小水電站由于自身?xiàng)l件限制，豐水期普遍存在發(fā)電上網(wǎng)無(wú)功不足，特別是豐水期具備超發(fā)有功功率的電站，無(wú)功欠發(fā)更加嚴(yán)重，這在所上網(wǎng)的電網(wǎng)企業(yè)實(shí)行功率因數(shù)考核(以下簡(jiǎn)稱“cosφ考核”)的地區(qū)，小水電站因欠發(fā)無(wú)功，導(dǎo)致被所上網(wǎng)的電網(wǎng)企業(yè)扣款，造成不少經(jīng)濟(jì)損失，制約著電站的發(fā)展。本文以沙屯水電站為例，探討在水電站在cosφ考核下，如何使機(jī)組有功和無(wú)功功率合理分配，充分利用水資源，盡大提高電站經(jīng)濟(jì)效益。

1電站概況和特點(diǎn)

1.1電站概況

沙屯水電站位于中越邊陲小鎮(zhèn)——廣西大新縣碩龍鎮(zhèn)歸春河流域中下游的國(guó)家二級(jí)景點(diǎn)沙屯疊瀑旁。歸春河流域面積2272 km2，多年平均降雨量1552mm；多年平均流量55.1 m3/s。電站總裝機(jī)容量2×500kW，年均發(fā)電量650萬(wàn)kW·h。

水輪機(jī)銘牌技術(shù)參數(shù)：型號(hào)HLA551-WJ-80，水頭14~23m，流量3.18~4.08m3/s，出力379~798kW，轉(zhuǎn)速374~479r/min。

發(fā)電機(jī)銘牌技術(shù)參數(shù)：型號(hào)SFW500-14/1180，額定容量625kVA，出力500~625kW，額定電壓400V，額定電流902A，勵(lì)磁電壓56V，勵(lì)磁電流170A。

1.2電站特點(diǎn)

該電站為無(wú)庫(kù)容調(diào)節(jié)能力的徑流式水電站，裝機(jī)容量偏小，河水水量利用率較低，電站發(fā)電年利用小時(shí)數(shù)較高，2014年達(dá)到5851h。從機(jī)組銘牌技術(shù)參數(shù)中可以看出機(jī)組有功出力超額定有功功率能力強(qiáng)，經(jīng)試驗(yàn)機(jī)組最大可以帶有功負(fù)荷615kW，比額定有功功率500kW多115kW。因裝機(jī)容量偏小，該電站一年之中至少有6個(gè)月機(jī)組可以有足夠水量超額定有功負(fù)荷發(fā)電。

2問(wèn)題的提出

近年來(lái)，該電站所在的電網(wǎng)公司對(duì)電站上網(wǎng)cosφ考核進(jìn)行了考核(以前不考核)，根據(jù)現(xiàn)行考核要求, 目前收購(gòu)的上網(wǎng)電在計(jì)量計(jì)費(fèi)點(diǎn)，上網(wǎng)電量功率因數(shù)按cosφ=0.8考核, 即水電站上網(wǎng)電量按每1kW·h有功電量配0.75kvar·h無(wú)功電量收購(gòu), 并按每欠1kvar·h無(wú)功電量，處0.056元(物價(jià)部門核準(zhǔn)的有功電量電價(jià)0.28元的20%)的處罰，超發(fā)(送)的無(wú)功電量不罰不獎(jiǎng)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2014年沙屯電站有功發(fā)電量631萬(wàn)kW·h，累計(jì)欠發(fā)無(wú)功218萬(wàn)kvar·h，被電網(wǎng)公司扣款12萬(wàn)元。自電網(wǎng)公司實(shí)行上網(wǎng)無(wú)功電量考核以來(lái)，沙屯電站年均因欠發(fā)無(wú)功電量受到的罰款至少在10萬(wàn)元以上，給電站造成不少的經(jīng)濟(jì)損失。

3原因分析

4應(yīng)對(duì)的措施

根據(jù)“確保安全，提高效益”的原則，經(jīng)技術(shù)分析，擬從兩方面入手。一是增加電容補(bǔ)償裝置，以考核的功率因素cosφ=0.8為標(biāo)準(zhǔn)，采用電容分組自動(dòng)投入的方式進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。電容無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)在輸、配電系統(tǒng)上比較成熟，可以參照，但需要投入一定的資金和工期。二是在沒(méi)有進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償前，綜合考慮該電站豐水期間機(jī)組能超發(fā)至615kW有功的特性，收入的有功電價(jià)比欠發(fā)無(wú)功處罰的電價(jià)高，以及發(fā)電機(jī)容量、有功和無(wú)功之間的關(guān)系特性(即有功和無(wú)功功率是非線性的三角函數(shù)關(guān)系Q=Ptanφ)，合理安排發(fā)電機(jī)組有功和無(wú)功分配比例，使其實(shí)現(xiàn)最大經(jīng)濟(jì)效益。那么，豐水期發(fā)電機(jī)有功和無(wú)功的配比是多少才能發(fā)揮最大效益呢？下面主要對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行探討。

5豐水期機(jī)組有功、無(wú)功最大經(jīng)濟(jì)效益分配的推算

根據(jù)現(xiàn)行上網(wǎng)電費(fèi)計(jì)算政策，發(fā)電上網(wǎng)總收入等于有功電量收入減去欠發(fā)無(wú)功電量罰款數(shù)額[超發(fā)(送)的無(wú)功電量不罰不獎(jiǎng)]，因?yàn)樨S水期所有的機(jī)組均能滿發(fā)和超發(fā)，因此，總的發(fā)電收入正比于每小時(shí)的單機(jī)組的電費(fèi)收入，每小時(shí)單機(jī)組的電費(fèi)收入大則電站總的發(fā)電收入就大。單機(jī)每小時(shí)發(fā)電上網(wǎng)收入計(jì)算公式為：

(1)

式中Y——單臺(tái)機(jī)組每小時(shí)發(fā)電上網(wǎng)收入；

YP——單臺(tái)機(jī)組每小時(shí)有功電量收入；

YQ——單臺(tái)機(jī)組每小時(shí)欠發(fā)無(wú)功電量罰款數(shù)額。

因?yàn)?/p>

YP=JPPT

(2)

式中JP——有功電量電價(jià)，目前為0.28元/(kW·h);

P——每臺(tái)機(jī)組每小時(shí)有功功率,kW;

T——時(shí)間,h,根據(jù)題意,T等于1h。

又因?yàn)?/p>

Yq= JQQqT

(3)

式中Jq——扣罰的無(wú)功電量電價(jià)，目前為0.056元/(kW·h);

T——時(shí)間,h,根據(jù)題意,T等于1h；

Qq——單臺(tái)機(jī)組每小時(shí)欠發(fā)的無(wú)功功率,kar。

以及

Qq=QK-Q

(4)

式中Q——單臺(tái)機(jī)組每小時(shí)實(shí)發(fā)的無(wú)功功率;

QK——按考核的功率因數(shù)cosφ=0.8計(jì)算應(yīng)發(fā)的無(wú)功功率;即QK大小等于有功功率P的0.75。

在數(shù)值上

QK=0.75P

(5)

故根據(jù)式(2)、式(3)和式(4)，式(1)可以做如下展開(kāi)：

(6)

將上述JP、JQ、T的數(shù)值以及QK的數(shù)值等式(5)導(dǎo)入式(6)，得：

Y=0.28×P×1- 0.056×1×(0.75P-Q)

=0.28P-0.042P+0.056Q

=0.238P+0.056Q

(7)

圖中,S為發(fā)電機(jī)單機(jī)額定容量，即S=625kV·A，φ為功率因數(shù)角，根據(jù)三角函數(shù)公式定義，得

發(fā)電機(jī)功率向量圖

P=Scosφ=625cosφ

(8)

Q=Ssinφ=625cosφ

(9)

將式(8)和式(9)代入式(7)，則單臺(tái)機(jī)組每小時(shí)發(fā)電上網(wǎng)總收入為：

Y=0.238P+0.056Q

=0.238×625cosφ+0.056×625sinφ

=148.75cosφ+35sinφ

(10)

式(10)是以φ為變量的Y函數(shù)，求φ為何值是Y最大，則單機(jī)每小時(shí)發(fā)電上網(wǎng)收入最大。根據(jù)高等數(shù)學(xué)求函數(shù)的最大值方法，對(duì)式(10)對(duì)自變量φ求導(dǎo)，得：

Y(φ)′= -148.75sinφ+35cosφ

令Y(φ)′=0，即

Y′= -148.75sinφ+35cosφ=0

求得φ=13.24°,即功率因數(shù)角φ=13.24°時(shí)，單臺(tái)機(jī)組每小時(shí)發(fā)電上網(wǎng)總收入Y最大。將φ=13.24°代入式(8)、式(9)和式(10)，得：

P=Scosφ=625×cos13.24=608(kW)

Q=Ssinφ=625×sin13.24=143(kvar)

Y=148.75cosφ+35sinφ

=148.75cos13.24+35sin13.24

=152.81(元)

即機(jī)組在豐水期水量充足時(shí)，機(jī)組有功和無(wú)功最大經(jīng)濟(jì)效益分配為：有功功率為608kW、無(wú)功功率為143kvar，可實(shí)現(xiàn)單機(jī)每小時(shí)最大發(fā)電收入為151.81元，此時(shí)功率因數(shù)cosφ=cos13.24=0.97。

6豐水期機(jī)組有功、無(wú)功分配方案的最終確定

因《發(fā)電機(jī)運(yùn)行規(guī)程》規(guī)定“功率因數(shù)以0.8為宜，不得超過(guò)0.95，必要時(shí)方可在功率因數(shù)為1的情況下運(yùn)行”，故分別取額定功率因素cosφ=0.8、cosφ=0.95和以上推算出的最大經(jīng)濟(jì)效益分配功率因素cosφ=0.97 為三個(gè)運(yùn)行方案進(jìn)行比較，運(yùn)行技術(shù)數(shù)據(jù)詳見(jiàn)下表。

三種運(yùn)行方案的技術(shù)數(shù)據(jù)匯總表

方案一按額定參數(shù)運(yùn)行，運(yùn)行穩(wěn)定，不欠發(fā)無(wú)功，但有功發(fā)電不超發(fā)，豐水期棄水多，總的電費(fèi)收入最少。

方案三按最大經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行有功和無(wú)功的分配，很好地利用了發(fā)電機(jī)組能超發(fā)的特性，滿足有功電價(jià)高、扣罰無(wú)功電價(jià)低的實(shí)際，所實(shí)現(xiàn)的發(fā)電收入最高，但功率因數(shù)超過(guò)0.95，運(yùn)行穩(wěn)定性相對(duì)較差，因電壓波動(dòng)可能發(fā)生進(jìn)相運(yùn)行。

方案二和方案三技術(shù)參數(shù)相近，優(yōu)點(diǎn)基本相同，發(fā)電收入比方案三僅少一點(diǎn)，同時(shí)符合發(fā)電規(guī)程對(duì)功率因素的要求，不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

根據(jù)“確保安全，提高效益”的原則，方案二既能保證運(yùn)行安全，又接近最大效益，因此選擇方案二作為沙屯電站豐水期的運(yùn)行方案，即豐水期沙屯電站每臺(tái)機(jī)組帶有功負(fù)荷594kW、無(wú)功負(fù)荷195kvar，cosφ控制在0.95左右。

7運(yùn)行注意事項(xiàng)及效果

采取方案二方式運(yùn)行后，對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)較敏感的機(jī)組，通過(guò)合理調(diào)節(jié)勵(lì)磁系統(tǒng)的調(diào)差系數(shù)，使其在電網(wǎng)波動(dòng)時(shí)無(wú)功增減不明顯，不易發(fā)生進(jìn)相運(yùn)行，同時(shí)運(yùn)行當(dāng)中控制發(fā)電機(jī)定子線電流、定子溫度在額定范圍內(nèi)，電站按此運(yùn)行以來(lái)，未發(fā)現(xiàn)異常情況，達(dá)到了預(yù)期目的。

采取方案二運(yùn)行后，沙屯電站每年比按額定功率因素cosφ=0.8運(yùn)行將增加收入約11萬(wàn)元。

8結(jié)語(yǔ)

因?yàn)樾∷娬救萘枯^小，在電網(wǎng)中欠發(fā)無(wú)功對(duì)電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定影響微乎其微，加上豐水期水電站機(jī)端電壓比較高，因此也沒(méi)必要多發(fā)無(wú)功。電網(wǎng)公司對(duì)小水電上網(wǎng)無(wú)功的考核主要是考慮經(jīng)濟(jì)利益。在豐水期，小水電站在有功和無(wú)功出力發(fā)生沖突的情況下，優(yōu)先發(fā)有功，這對(duì)電站減少棄水，充分利用水電清潔能源，增加電站效益，具有重要意義，值得此類小水電站借鑒。

Discussion on Xiashatun Hydropower Station unit power rational

distribution during wet season under cosφassessment

XU Wansheng

(GuangxiGuishuiPowerCo.,Ltd.DaxinPowerGenerationBranchCompany,Daxin532300,China)

Abstract:Since power factor assessment is implemented for power generation online electricity, small hydropower station generally suffers from fund deduction condition due to reactive electricity quantities during wet season, and economic benefits of power station is affected. In the paper, when there is no reactive power compensation in power station, active and reactive power maximum economic benefit distribution of the unit during wet season is calculated according to the principles of ‘ensuring safety and improving benefits’ as well as current calculation policy of generation price. The optimal operation plan is obtained. Active and reactive power rational distribution operation values of the power station during wet season are determined, thereby reaching the purpose of improving economic benefits.

Key words:hydropower station; power factor assessment; economic operation during wet season; active and reactive power distribution

DOI:10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2015.11.014

中圖分類號(hào)：TV734

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-8241(2015)11-0043-04