河海大學(xué) 馬天兆

對(duì)發(fā)電機(jī)無(wú)功功率與電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的研究

河海大學(xué) 馬天兆

電力系統(tǒng)中重要的組成部分中就包含發(fā)電機(jī)，電力系統(tǒng)中的無(wú)功電源之一就是發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流可以調(diào)節(jié)，勵(lì)磁電流的轉(zhuǎn)變大小可以調(diào)節(jié)無(wú)功功率的輸出，如此運(yùn)行的費(fèi)用較低。對(duì)發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率進(jìn)行合理的安排對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行有所幫助，本文通過(guò)研究可以發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)無(wú)功功率的影響和作用。

發(fā)電機(jī)；無(wú)功功率；電力系統(tǒng)

引言

發(fā)電機(jī)會(huì)發(fā)出無(wú)功功率，而無(wú)功功率可以維系電力系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定的運(yùn)行，無(wú)功功率更能影響發(fā)電機(jī)的效率，將發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)維持在額定值，通過(guò)減少無(wú)功消耗來(lái)保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，亦或是增加無(wú)功補(bǔ)償也可以維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)能夠提高發(fā)電機(jī)的工作效率。

一、發(fā)電機(jī)無(wú)功功率概述

（一）無(wú)功功率的產(chǎn)生

電動(dòng)機(jī)中的定子產(chǎn)生一定的磁場(chǎng)，進(jìn)而電動(dòng)機(jī)可以進(jìn)入旋轉(zhuǎn)，通過(guò)產(chǎn)生磁場(chǎng)而消耗的功率就可以稱之為無(wú)功功率。發(fā)電機(jī)是一種動(dòng)態(tài)的發(fā)電機(jī)，再進(jìn)行發(fā)電的過(guò)程中就要消耗無(wú)功功率，無(wú)功功率通常是不對(duì)外做功的，它只是在電能和磁能之間進(jìn)行來(lái)回的轉(zhuǎn)換，無(wú)功功率不能夠消耗染料，也不能夠消耗其他的能源，所以為無(wú)功功率。無(wú)功功率和有功功率的聯(lián)系是緊密的，一般情況下，只有產(chǎn)生無(wú)功功率，有功功率才能夠隨之產(chǎn)生。

（二）無(wú)功功率的補(bǔ)償

1.意義

無(wú)功功率的補(bǔ)償通常具有減少無(wú)功功率對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生影響的能力，對(duì)相應(yīng)的供電系統(tǒng)也可以提高功率因數(shù)，對(duì)系統(tǒng)的端電壓具有穩(wěn)定作用，能夠有效地提升電力系統(tǒng)的供電穩(wěn)定性及質(zhì)量。對(duì)于輸電線路具有降負(fù)荷的作用，也可以有效降低用電設(shè)備的負(fù)荷，對(duì)有功功率具有較少消耗的作用，能夠使電力系統(tǒng)的工作狀態(tài)處于最佳，對(duì)減少用電成本具有重大的作用[1]。

2.原理

在電力系統(tǒng)中沒(méi)有純粹的電阻電路，通常情況下，電路的元件中包含感性負(fù)載和容性負(fù)載，容性電流在電路中和感性電流相差的相位一般是180度，感性負(fù)載會(huì)吸收容性負(fù)載釋放的能量，容性負(fù)載也可以吸收感性負(fù)載釋放的能量，二者之間的負(fù)荷承載著能量進(jìn)行相互的交換，容性負(fù)荷的無(wú)功功率可以由感性負(fù)荷的無(wú)功功率得到相應(yīng)的補(bǔ)償。

（三）無(wú)功功率的補(bǔ)償形式

1.集中的補(bǔ)償形式

將補(bǔ)償應(yīng)用到的電容器全部裝在供電所需的母線之上，也可以將全部的電容器裝在配電變壓器的低壓一側(cè)，電氣設(shè)備不能夠產(chǎn)生連續(xù)的運(yùn)轉(zhuǎn)就會(huì)使補(bǔ)償過(guò)量，電氣設(shè)備的輕負(fù)荷也會(huì)造成相對(duì)的過(guò)補(bǔ)償，設(shè)備運(yùn)行中就會(huì)產(chǎn)生過(guò)高的電壓，電壓的質(zhì)量得不到保證就會(huì)變壞。采用集中補(bǔ)償形式可以使電力系統(tǒng)的運(yùn)行處于穩(wěn)定的狀態(tài)，這種補(bǔ)償方式的利用率也較高。

2.分散性補(bǔ)償形式

在分散性補(bǔ)償中，可以將電容器分散安裝，主要是安裝在各個(gè)用電支路的所有母線之上，使各個(gè)支路多組的分散，在分散之中獲得補(bǔ)償，在使用的過(guò)程中能夠自動(dòng)投入使用或者是斷開(kāi)使用，分散補(bǔ)償?shù)男问骄哂斜容^靈活的特點(diǎn)，而且易于控制。

3.個(gè)別的補(bǔ)償形式

這種形式主要是將電容器并聯(lián)到電氣回路之中，設(shè)備的開(kāi)關(guān)就可以對(duì)補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)行進(jìn)行控制，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)功電流的平衡，還可以對(duì)無(wú)負(fù)荷狀態(tài)下的補(bǔ)償進(jìn)行控制，這種補(bǔ)償方法只適合大型的電氣設(shè)備。

二、無(wú)功功率對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行的影響

（一）對(duì)發(fā)電機(jī)的影響

以一臺(tái)220MW的發(fā)電機(jī)組為例，勵(lì)磁的實(shí)現(xiàn)方式是恒機(jī)端的電壓進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，發(fā)電機(jī)的額定功率為220MW，發(fā)電機(jī)的端電壓是17.9KV，母線的電壓是112KV，功率的因數(shù)為0.212，系統(tǒng)的頻率為50Hz，通過(guò)以上的運(yùn)行參數(shù)可以得知?jiǎng)?lì)磁電流會(huì)超過(guò)額定的勵(lì)磁電流，長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)電流就會(huì)造成發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子線圈產(chǎn)生過(guò)度的熱量，轉(zhuǎn)子的絕緣性能就會(huì)隨之下降，發(fā)電機(jī)的使用時(shí)長(zhǎng)就會(huì)受到影響。

在增加勵(lì)磁時(shí)，交軸電樞的勵(lì)磁就會(huì)產(chǎn)生過(guò)多，直軸電樞的無(wú)功部分就會(huì)相應(yīng)的減少，在電樞反應(yīng)的作用下，有功功率的增加就會(huì)使磁的產(chǎn)生減少，發(fā)電機(jī)可能就會(huì)出現(xiàn)欠磁現(xiàn)象，無(wú)功功率和電壓也會(huì)隨之降低。在恒機(jī)端電壓的運(yùn)行狀態(tài)之下，電壓下降可以增加勵(lì)磁，無(wú)功功率也會(huì)隨之增加，在功率一定的情況下，發(fā)電機(jī)的運(yùn)行就不可能出現(xiàn)滿負(fù)荷。在功率因數(shù)不變的情況下，發(fā)電機(jī)的有功功率只能維持在210MW，無(wú)功功率增高就會(huì)帶動(dòng)有功功率增加，從而就會(huì)限制發(fā)電機(jī)的傳輸有功功率的能力，勵(lì)磁電流也會(huì)相對(duì)增加，又會(huì)使轉(zhuǎn)子的繞組產(chǎn)生過(guò)熱現(xiàn)象[2]。

無(wú)功負(fù)荷的降低會(huì)提高功率因數(shù)，但是會(huì)造成機(jī)端電壓降低，也會(huì)無(wú)法對(duì)負(fù)荷進(jìn)行彌補(bǔ)，進(jìn)而造成電樞去磁現(xiàn)象，發(fā)電機(jī)也不能夠處于暫態(tài)穩(wěn)定，相應(yīng)的電力系統(tǒng)可能就會(huì)出現(xiàn)崩潰現(xiàn)象[3]。無(wú)功功率過(guò)高就會(huì)降低功率因數(shù)，轉(zhuǎn)子就會(huì)發(fā)熱，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生有功功率的能力就會(huì)受到限制。

（二）對(duì)線損的影響

在電力系統(tǒng)中，電壓的水平取決于無(wú)功功率的平衡水平，無(wú)功的損耗加大就會(huì)造成系統(tǒng)電壓的不穩(wěn)定，很可能會(huì)使電壓造成大幅度的降低，在額定電壓之下，電氣設(shè)備就不能夠正常運(yùn)行，對(duì)電氣設(shè)備不能夠妥善處理就會(huì)造成嚴(yán)重的后果，發(fā)電機(jī)在多發(fā)無(wú)功狀態(tài)下才能夠維持無(wú)功功率的平衡，沒(méi)有無(wú)功補(bǔ)償?shù)耐度胍部梢跃S持電壓的穩(wěn)定，只是在輸送無(wú)功功率時(shí)，線路需要消耗有功功率。在有功功率達(dá)到一定時(shí)，無(wú)功功率就會(huì)越大，有功功率的損耗也會(huì)隨之加大。

在傳輸穩(wěn)定的狀態(tài)下，無(wú)功功率越小，有功功率的傳輸能力就越強(qiáng)，經(jīng)過(guò)投入無(wú)功補(bǔ)償裝置就能夠維持無(wú)功功率的平衡，還可以保持電壓的穩(wěn)定性，還能夠減少對(duì)線路的損耗，加大了發(fā)電機(jī)的帶負(fù)荷能力，對(duì)線路的帶負(fù)荷能力也有促進(jìn)作用，在電壓過(guò)低時(shí)，能夠減少對(duì)電力系統(tǒng)的影響[4]。

（三）保持發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行的方式

發(fā)電機(jī)的無(wú)功投入的過(guò)多就會(huì)造成發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子發(fā)熱，應(yīng)該適當(dāng)?shù)耐度霟o(wú)功補(bǔ)償裝置，這樣就可以維持電壓的穩(wěn)定性，對(duì)無(wú)功功率的平衡也有幫助。對(duì)負(fù)荷進(jìn)行無(wú)功計(jì)算可以彌補(bǔ)相應(yīng)的費(fèi)用。實(shí)施限電控制運(yùn)行也可以幫助發(fā)電機(jī)和系統(tǒng)進(jìn)入正常的運(yùn)行。

三、無(wú)功功率與系統(tǒng)電壓

（一）系統(tǒng)靜態(tài)電壓

在發(fā)電機(jī)進(jìn)入運(yùn)相狀態(tài)時(shí)，在運(yùn)行的過(guò)程中，相應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)就會(huì)減小，靜態(tài)的攻角會(huì)隨之加大，這種變化會(huì)引起相應(yīng)的結(jié)果，靜態(tài)的穩(wěn)定裕度就會(huì)隨之降低，在發(fā)電機(jī)深入運(yùn)行時(shí)，靜態(tài)攻角的穩(wěn)定裕度就會(huì)減小，靜態(tài)電壓就不能夠保持穩(wěn)定。

在實(shí)際運(yùn)行工作中，發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)越高，電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率就越好，相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效果就越好，對(duì)于電力力系統(tǒng)而言，安全性才是最重要的，根據(jù)電流的約束條件，可以發(fā)現(xiàn)在電壓穩(wěn)定時(shí)靜態(tài)電壓的穩(wěn)定指標(biāo)越來(lái)越大，在發(fā)電機(jī)處于全相運(yùn)行狀態(tài)下，原本的發(fā)電機(jī)主動(dòng)控制電壓就會(huì)變成被動(dòng)控制，電壓系統(tǒng)也會(huì)越來(lái)越不穩(wěn)定。所以，發(fā)電機(jī)不能夠處于全相的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)勵(lì)磁電流進(jìn)行約束，可以將發(fā)電機(jī)的有功功率和無(wú)功功率進(jìn)行結(jié)合，得到穩(wěn)定的電壓指標(biāo)就可以對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行控制。

（二）系統(tǒng)動(dòng)態(tài)電壓

對(duì)電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)電壓進(jìn)行研究一直是學(xué)術(shù)界的重點(diǎn)難點(diǎn)，一般是利用微分、差分和代數(shù)進(jìn)行描述的。一般情況下，對(duì)機(jī)器采取無(wú)功調(diào)控，發(fā)出的無(wú)功功率和負(fù)荷在動(dòng)態(tài)電壓之間進(jìn)行緊密的聯(lián)系，無(wú)功功率的降低會(huì)使電壓的穩(wěn)定性遭到破壞，當(dāng)發(fā)電機(jī)在進(jìn)相的狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，對(duì)電力系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)電壓的穩(wěn)定性造成影響[5]。

四、結(jié)論

總結(jié)而言，發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率對(duì)電力系統(tǒng)能否維持穩(wěn)定運(yùn)行具有重大的作用，經(jīng)過(guò)對(duì)無(wú)功功率帶來(lái)的影響進(jìn)行探討，可以發(fā)現(xiàn)在電力系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下，就要對(duì)發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率進(jìn)行相應(yīng)的控制，發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率的影響是多方面的，必須嚴(yán)肅認(rèn)真的對(duì)待相關(guān)出現(xiàn)的問(wèn)題，合理的安排工作可以維持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

[1]劉鑫．電力系統(tǒng)無(wú)功功率淺談[J]．硅谷,2013,02:1+60．

[2]黃長(zhǎng)春．發(fā)電機(jī)無(wú)功功率與電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行[J]．電子世界,2013,13:68-69．

[3]王競(jìng)．基于網(wǎng)絡(luò)分析的電力系統(tǒng)無(wú)功優(yōu)化[D]．浙江大學(xué),2014．

[4]雷明洋,董朝輝．無(wú)功功率過(guò)高對(duì)發(fā)電機(jī)及系統(tǒng)的影響分析[J]．山東工業(yè)技術(shù),2017,05:152．

[5]周學(xué)偉,彭淑花,呂楓．定距槳船舶軸中帶發(fā)電機(jī)無(wú)功功率補(bǔ)充技術(shù)的研究[J]．艦船科學(xué)技術(shù),2016,24:46-48．