小水電無功電量不足原因分析及改善措施

蘇英

（大理供電有限公司調(diào)度所，云南 大理671000）

1 前言

小水電的并網(wǎng)在一定程度上緩解了大電網(wǎng)電力不足的局面，但是這些并網(wǎng)的小水電機(jī)組發(fā)出的基本全是有功功率，發(fā)電機(jī)運(yùn)行在“欠勵(lì)磁”狀態(tài)。發(fā)電機(jī)從電網(wǎng)中吸取感性無功功率以維持機(jī)組運(yùn)行，使并網(wǎng)線路功率因數(shù)降低，加大了電網(wǎng)的有功損耗。因而造成發(fā)電上網(wǎng)的不合理性，線路一直運(yùn)行在較低的功率因數(shù)下，加大了并網(wǎng)線路的電力損失。

2 并網(wǎng)小水電無功出力不足的原因分析

通過對小水電站的實(shí)地考察，分析了造成小水電機(jī)組欠發(fā)無功和線路損耗加大在設(shè)備和管理兩方面的原因。

2.1 設(shè)備因素

2.1.1 線路參數(shù)不合適，致使發(fā)電機(jī)發(fā)出無功減少。由于小水電大多處于偏遠(yuǎn)地區(qū)，通過10kV配電線路或分支線入網(wǎng)，存在線路較長、電壓等級不高、導(dǎo)線截面偏小等問題。同步發(fā)電機(jī)的空載電動(dòng)勢可簡化表示為:

式中，E0為發(fā)電機(jī)的空載電勢(V或kV)，I為發(fā)電機(jī)輸出電流(A)；UN為電網(wǎng)額定電壓(V或kV)；ZN為輸電線路額定阻抗(Ω)。

電網(wǎng)電壓可以認(rèn)為是恒定的，而發(fā)電機(jī)的空載電勢也可以說是一定的，從式中可以看出:如果輸電線路越長導(dǎo)線截面越小，亦即阻抗越大，則發(fā)電機(jī)輸出電流就越小;如果發(fā)電機(jī)的原動(dòng)力不變，電流中的有功分量IP也基本不變，減小的主要是無功電流分量IQ，所以發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)輸送的無功功率減小。

2.1.2 升壓變壓器選用不當(dāng)。小水電在配置主變壓器時(shí)，由于種種原因，購不到合適的升壓變壓器，而采用降壓變壓器;又由于輸電線路比較長且降壓比較大，而大電網(wǎng)為了確保10kV供電區(qū)的各條線路末端電壓合格，其10kV線路以10.5kV電壓運(yùn)行;因此當(dāng)小水電站以降壓變壓器作升壓變壓器使用時(shí)，升壓變壓器端電壓既要與大電網(wǎng)潮流電壓平衡，又必須克服線路阻抗產(chǎn)生的壓降，因而并網(wǎng)小水電的升壓變壓器的高壓側(cè)端電壓常要高于運(yùn)行電壓10.5kV水平，這時(shí)有可能使發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓要升高約1.1～1.15倍左右的額定電壓才能并網(wǎng)發(fā)電。發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓升高，甚至超過額定電壓運(yùn)行的極限狀態(tài)，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)值也隨之升高，功率因數(shù)上升，從而也就限制了無功的輸出。

2.1.3 發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)容量不足。運(yùn)行中，隨著并網(wǎng)機(jī)組所帶負(fù)荷的增加，機(jī)端電壓相應(yīng)升高，當(dāng)機(jī)端電壓達(dá)到1.05Ue時(shí)，定子鐵芯已經(jīng)相當(dāng)飽和，在電樞反應(yīng)去磁作用下，所需勵(lì)磁電流較大，繼續(xù)增加勵(lì)磁電流雖然無功出力和機(jī)端電壓稍有增加，但發(fā)熱嚴(yán)重，限制了勵(lì)磁調(diào)節(jié)，也就限制了無功輸出。

2.2 管理因素

2.2.1 根據(jù)政策，目前收購的上網(wǎng)電，在計(jì)量計(jì)費(fèi)點(diǎn)，按功率因數(shù)等于0.8計(jì)算，即1kW·h有功配7.5kvar·h無功收購，并按欠3kvar·h扣除1kW·h有功。對于徑流式小水電站來說，在豐水期，為了盡量減少棄水，搶發(fā)有功，減發(fā)無功，寧可扣除部分電費(fèi)，造成發(fā)無功不足的現(xiàn)象。

2.2.2 大部分的小水電發(fā)電機(jī)只有手動(dòng)勵(lì)磁系統(tǒng)，有些雖然有比較先進(jìn)的自動(dòng)勵(lì)磁裝置，但值班人員有意關(guān)掉該系統(tǒng)，而啟用手動(dòng)勵(lì)磁裝置。只有手動(dòng)調(diào)節(jié)甚至是不調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，單靠起始時(shí)建立的很小的空載電壓的電流，使發(fā)電機(jī)的空載電壓、頻率和大電網(wǎng)的參數(shù)一致時(shí)合閘并網(wǎng)。由于大電網(wǎng)相當(dāng)于小水電來說是一個(gè)無限大的電網(wǎng)，發(fā)電機(jī)端的電壓基本不變，于是并網(wǎng)后加大水輪機(jī)導(dǎo)水葉的開啟角度，使其滿載輸出有功功率，并沒有根據(jù)有功輸出的大小相應(yīng)調(diào)節(jié)無功輸出的比例，即沒有按功率因數(shù)保持在0.8左右并網(wǎng)運(yùn)行。

2.2.3 值班人員錯(cuò)誤地認(rèn)為向電網(wǎng)發(fā)無功，必然影響有功的輸出，有意將勵(lì)磁調(diào)至最小，使發(fā)電機(jī)在“欠勵(lì)磁”狀態(tài)下運(yùn)行，加重電網(wǎng)中的無功負(fù)擔(dān)，造成不應(yīng)有的有功損耗。但實(shí)際上，無功電量的輸出只是一種能量交換的模式，它并不消耗水輪機(jī)的輸入功率，所以原則上說增加勵(lì)磁電流不會(huì)影響發(fā)電機(jī)的有功輸出，有功輸出能力只與輸入功率大小有關(guān)，即與水輪機(jī)的導(dǎo)水葉開啟角度大小有關(guān)，所以應(yīng)及時(shí)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，使其有功無功比例在合理范圍內(nèi)并網(wǎng)運(yùn)行。

3 改善并網(wǎng)小水電所發(fā)無功不足的措施

3.1 做好調(diào)度配合管理工作小水電上網(wǎng)發(fā)電必須服從電網(wǎng)的統(tǒng)一調(diào)度管理，遵守調(diào)度規(guī)程，執(zhí)行調(diào)度命令，做好運(yùn)行記錄。對于有庫容的電站，要充分利用和調(diào)節(jié)水庫庫容，利用水庫水源的調(diào)節(jié)能力，調(diào)節(jié)水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電能量，控制有功出力，多發(fā)無功。在枯水季節(jié)，自然來水量小，利用庫容調(diào)節(jié)發(fā)電能力，在不溢洪棄水的前提下，保持一定的發(fā)電能力，降低有功出力，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子保持在額定勵(lì)磁電流下運(yùn)行。這樣，發(fā)電機(jī)可以帶滿無功負(fù)荷運(yùn)行，為電網(wǎng)多送無功能量。

3.2 整改輸電線路或在較近處并網(wǎng)改造陳舊、導(dǎo)線截面較小的輸電線路，更換較大截面的導(dǎo)線。在較近處并網(wǎng)可以減少并網(wǎng)線路的阻抗，降低線路壓降，以降低發(fā)電機(jī)的運(yùn)行電壓，保持發(fā)電機(jī)應(yīng)有的出力。

3.3 調(diào)換或改造現(xiàn)行的升壓變壓器為解決小水電無功欠發(fā)的問題，首先對現(xiàn)行小水電站已使用普通降壓變壓器作為升壓變壓器的，在條件允許的情況下，可考慮調(diào)換1臺符合要求的升壓變壓器。必要時(shí)可與廠家商量，采用非標(biāo)生產(chǎn)加工，使這臺變壓器運(yùn)行時(shí)能降低低壓側(cè)電壓。其次是對現(xiàn)行的變壓器進(jìn)行改造，在鐵芯空間允許的情況下，可采用增加變壓器繞組匝數(shù)，以原繞組的10%為限，匝數(shù)增加后，將三檔的抽頭按原要求進(jìn)行改接。

3.4 改善發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)，增加無功功率要使發(fā)電機(jī)在額定有功出力下能發(fā)出額定的無功功率，就必須提高發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流。要調(diào)節(jié)和改善發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)，就應(yīng)增加勵(lì)磁系統(tǒng)的容量或者配備自動(dòng)勵(lì)磁裝置，使之在允許的前提下，使發(fā)電機(jī)獲得足夠的勵(lì)磁電流。并網(wǎng)發(fā)電機(jī)在有功功率一定的情況下，由于電網(wǎng)電壓不變，通過增加勵(lì)磁電流后，磁通增加。但由于發(fā)電機(jī)端電壓受電網(wǎng)電壓限制不能升高，即發(fā)電機(jī)磁通增加后，電樞繞組就出現(xiàn)一個(gè)滯后于電勢的電流，并產(chǎn)生去磁的電樞反應(yīng)，以抵消主磁通的增加，此時(shí)發(fā)電機(jī)即發(fā)出感性無功，從而多發(fā)無功功率。

3.5 安裝并聯(lián)電容器，進(jìn)行無功補(bǔ)償小水電大多為400V的低壓發(fā)電機(jī)組，可以采用整套的低壓電容器補(bǔ)償屏，在小水電站的低壓母線上進(jìn)行無功補(bǔ)償。補(bǔ)償容量按功率因數(shù)不大于0185為標(biāo)準(zhǔn)。這樣就保證小水電送出總的有功功率只是在較高功率因數(shù)下的損耗，既體現(xiàn)節(jié)能又滿足小水電站的功率因數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)。

3.6 安排適當(dāng)?shù)恼{(diào)相機(jī)組對靠近負(fù)荷中心和處在電網(wǎng)末端的農(nóng)村小水電站，可考慮設(shè)置容量為50%左右的專用調(diào)相機(jī)組，以便就近向電力用戶供應(yīng)無功，這對電網(wǎng)的節(jié)能降損、提高電網(wǎng)末端電壓和改善供電質(zhì)量是極為有利的。對徑流式電站，因電站無調(diào)節(jié)能力，電站要多發(fā)有功以減少棄水，為了使電站在非枯水期也能向電網(wǎng)輸送足夠的無功，以彌補(bǔ)電網(wǎng)的無功不足，也須根據(jù)電站及電網(wǎng)的實(shí)際情況，相應(yīng)設(shè)置一定容量的備用調(diào)相機(jī)組。

3.7 為小水電安裝帶無功補(bǔ)償控制箱的計(jì)量箱安裝此計(jì)量箱可保證各小水電在其上網(wǎng)期間功率因數(shù)不大于0.85時(shí)，正確計(jì)量上網(wǎng)的電量;當(dāng)功率因數(shù)大于0.85時(shí)，該計(jì)量箱能中止計(jì)量上網(wǎng)電量，即自動(dòng)中止發(fā)電機(jī)上網(wǎng)發(fā)電。因此，要求小水電站在上網(wǎng)時(shí)必須隨時(shí)輸出一定的無功電能，保證小水電順利上網(wǎng)發(fā)電。

[1]孫宏明.小水電無功電量不足的原因和處理方法[J].硅谷，2009-05-23.