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校自動化與電力學院,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校自動化與電力學院,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)電機運行原理得出兩種提高發(fā)電機無功輸出的方法:增加勵磁電流和維持勵磁電流不變適量降低發(fā)電機端電壓,并針對采取這兩種方法產(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;無功輸出;勵磁電流;端電壓

0 前言

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

水輪發(fā)電機投入并聯(lián)后,向電網(wǎng)發(fā)出有功功率和無功功率。發(fā)電機向電力系統(tǒng)輸入有功功率就是發(fā)電機作功,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)電機端電壓,I為發(fā)電機定子電流,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)電機和電力系統(tǒng)之間相互交換的電磁功率。在一個交流電周期內,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量的主要指標。系統(tǒng)的穩(wěn)定主要取決于系統(tǒng)內所有發(fā)電機的有功功率和全部有功負荷的平衡;電壓質量則主要取決于系統(tǒng)內無功的平衡。為達到理想的負載分配(即按機組的容量大小來分配負載)必須同時兼顧有功功率和無功功率。電機的有功功率和無功功率的調節(jié)受與它并聯(lián)電網(wǎng)的相對容量大小的影響。對于大電網(wǎng),發(fā)電機單機功率的調節(jié)對電網(wǎng)的電壓和頻率影響極微;當電網(wǎng)的容量與發(fā)電機容量相差不多時,調節(jié)一臺發(fā)電機的功率,會引起整個電網(wǎng)電壓和頻率的變化,如要保持其不變,則必須相應的對其他發(fā)電機的功率作適當?shù)恼{節(jié)。

在實際運行中,中小型水電站并入大電網(wǎng)運行,因電網(wǎng)電壓偏高,存在所發(fā)無功不足;而一些由無調節(jié)功能的小型水電站供給的小電網(wǎng),由于遠離負荷中心,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,無功負荷缺額大,有功功率消耗也非常大。為此,筆者從對發(fā)電機無功功率的調節(jié)及無功功角特性的分析入手,根據(jù)電機學原理,探討提高中小型水輪發(fā)電機無功功率的方法和手段。

1 勵磁電流對無功輸出的影響

接在電網(wǎng)運行的負載類型很多,多數(shù)負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)上運行的異步電機、變壓器、電抗器等。因此電網(wǎng)除了供應有功功率外,還要供應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)電機提供,可見調節(jié)并網(wǎng)發(fā)電機輸送給的無功功率對于電力系統(tǒng)正常運行有著重要意義。

電網(wǎng)電壓和頻率不變,并網(wǎng)發(fā)電機的電壓和頻率將維持常數(shù)。如果保持原動機的拖動轉矩不變,那么發(fā)電機輸出的有功功率保持不變,此時調節(jié)發(fā)電機勵磁電流的大小,發(fā)電機的運行狀態(tài)如何?下面作詳細分析。

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

圖1 同步發(fā)電機相量圖

由隱極電機的相量圖(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)電機勵磁電勢,θ為功率角,U為發(fā)電機端電壓,φ為功率因數(shù)角,I為定子電流,X t為發(fā)電機的同步電抗。

下面我們用功角特性來說明調節(jié)勵磁電流對發(fā)電機運行狀態(tài)的影響。設原動機有效功率為PT,發(fā)電機運行于功率角θa處,輸出有功功率Pa=PT,無功功率為Qa,見圖2所示。

圖2 調節(jié)勵磁電流對發(fā)電機運行狀態(tài)的影響

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

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

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

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

綜上所述,想要通過增加勵磁電流來提高無功功率,需考慮勵磁繞組的溫升限度,要解決這一問題必須依賴于電機制造廠,制造廠在進行電磁設計時,可將額定勵磁電流增大,并按增大后的勵磁電流來設計勵磁繞組,使其具有一定的調節(jié)空間,當增加發(fā)電機勵磁電流時,控制發(fā)電機轉子的溫升在允許的范圍內,另外,提高勵磁繞組的絕緣等級也可增大勵磁繞組的溫升限值。

2 發(fā)電機端電壓變化時對無功輸出的影響

從(3)式可看出,當勵磁不變時,Q與θ的關系為余弦函數(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)電機的電磁功率),這時有:

圖3 U及P不變調節(jié)勵磁電流時的功角矢量圖

由于發(fā)電機端電壓U基本不變,而Xt在發(fā)電機出廠時已定,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),調節(jié)勵磁電流If時發(fā)電機的相量圖。

圖4 端電壓升高湖發(fā)電機功角矢量圖

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

由圖4可知,當發(fā)電機運行端電壓U升高到U1時,要使發(fā)電機的功率因數(shù)保持不變,則發(fā)電機的勵磁電勢必須由E增加到E1,顯然E1的幅值大于E的幅值。即當發(fā)電機功率因數(shù)cosφ不變時,發(fā)電機所需勵磁電勢與發(fā)電機端電壓成正比,即E∝U;當E=常數(shù)時,cosφ∝U;因此,E=常數(shù)時,sinφ∝U。由于發(fā)電機的勵磁受其本身的限制,所以可假設其上限勵磁值為Emax。當發(fā)電機運行于上限Emax時,作出對應于不同發(fā)電機端電壓時的功角矢量圖(圖5)

圖5 E-E max時端電壓升高后發(fā)電機功角矢量圖

由圖5可知,若為發(fā)電機上限勵磁Emax的情況,則當發(fā)電機端電壓不同時,其功率因數(shù)角φ也不同。由圖5可以看出:

當E=Emax,

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

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

在電站實際發(fā)電過程中,要想通過降低發(fā)電機運行端電壓來提高無功輸出,只有通過對發(fā)電機側主變壓器低壓繞組的改造,即用增設分接頭(改變主變低壓繞組的匝數(shù))的方法,來降低發(fā)電機的運行端電壓,在勵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,若保持額定有功不變時,定子電流會增大,這將會引起定子線圈溫升增大。當電壓低到額定值的95%以下時,發(fā)電機應降低額定有功輸出。

3 結束語

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,針對這一問題,一些電機制造廠在進行電磁設計時,已采取增大額定勵磁電流的措施,考慮到制造成本的問題,設計時,將額定勵磁電流在原來的基礎上增加5%～10%。對于正在興建的水電站,建議在主變壓器訂貨時,應向廠家提出增設主變分接頭的特殊要求,以達到可以根據(jù)實際情況提高無功輸出的目的。

[1]許實章主編.電機學(下冊)[M].北京;機械工業(yè)出版社,1987.

[2]閻治安,崔新藝主編.電機學[M].西安:西安交通大學出版社,2006.

[3]白延年主編.水輪發(fā)電機設計與計算[M].北京:機械工業(yè)出版社,1990.

[責任編輯 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,高級工程師,主要從事水輪發(fā)電機設計和理論研究。