cosφ考核下沙屯水電站豐水期機組功率合理分配的探討

許萬升

(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組功率合理分配的探討

許萬升

(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)電量實行功率因數(shù)考核，小水電站豐水期普遍存在因無功電量欠發(fā)而被扣款情況，影響電站的經(jīng)濟效益。本文根據(jù)“確保安全，提高效益”的原則，以及現(xiàn)行上網(wǎng)電費計算政策，在電站沒有進行無功補償時，對豐水期機組有功、無功最大經(jīng)濟效益分配進行推算，得出最佳運行方案，確定電站豐水期機組有功、無功合理分配運行數(shù)值，達到提高經(jīng)濟效益目的。

【關(guān)鍵詞】水電站；功率因數(shù)考核；豐水期經(jīng)濟運行；有功無功分配

水電是我國最具優(yōu)勢的清潔能源，發(fā)展好小水電對能源的綜合利用、保護生態(tài)環(huán)境等具有重大意義。但小水電站由于自身條件限制，豐水期普遍存在發(fā)電上網(wǎng)無功不足，特別是豐水期具備超發(fā)有功功率的電站，無功欠發(fā)更加嚴重，這在所上網(wǎng)的電網(wǎng)企業(yè)實行功率因數(shù)考核(以下簡稱“cosφ考核”)的地區(qū)，小水電站因欠發(fā)無功，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，如何使機組有功和無功功率合理分配，充分利用水資源，盡大提高電站經(jīng)濟效益。

1電站概況和特點

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家二級景點沙屯疊瀑旁。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。電站總裝機容量2×500kW，年均發(fā)電量650萬kW·h。

水輪機銘牌技術(shù)參數(shù)：型號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)電機銘牌技術(shù)參數(shù)：型號SFW500-14/1180，額定容量625kVA，出力500~625kW，額定電壓400V，額定電流902A，勵磁電壓56V，勵磁電流170A。

1.2電站特點

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

2問題的提出

近年來，該電站所在的電網(wǎng)公司對電站上網(wǎng)cosφ考核進行了考核(以前不考核)，根據(jù)現(xiàn)行考核要求, 目前收購的上網(wǎng)電在計量計費點，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無功電量收購, 并按每欠1kvar·h無功電量，處0.056元(物價部門核準的有功電量電價0.28元的20%)的處罰，超發(fā)(送)的無功電量不罰不獎。

據(jù)統(tǒng)計，2014年沙屯電站有功發(fā)電量631萬kW·h，累計欠發(fā)無功218萬kvar·h，被電網(wǎng)公司扣款12萬元。自電網(wǎng)公司實行上網(wǎng)無功電量考核以來，沙屯電站年均因欠發(fā)無功電量受到的罰款至少在10萬元以上，給電站造成不少的經(jīng)濟損失。

3原因分析

4應(yīng)對的措施

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。一是增加電容補償裝置，以考核的功率因素cosφ=0.8為標準，采用電容分組自動投入的方式進行無功補償。電容無功補償技術(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。二是在沒有進行無功補償前，綜合考慮該電站豐水期間機組能超發(fā)至615kW有功的特性，收入的有功電價比欠發(fā)無功處罰的電價高，以及發(fā)電機容量、有功和無功之間的關(guān)系特性(即有功和無功功率是非線性的三角函數(shù)關(guān)系Q=Ptanφ)，合理安排發(fā)電機組有功和無功分配比例，使其實現(xiàn)最大經(jīng)濟效益。那么，豐水期發(fā)電機有功和無功的配比是多少才能發(fā)揮最大效益呢？下面主要對該問題進行探討。

5豐水期機組有功、無功最大經(jīng)濟效益分配的推算

根據(jù)現(xiàn)行上網(wǎng)電費計算政策，發(fā)電上網(wǎng)總收入等于有功電量收入減去欠發(fā)無功電量罰款數(shù)額[超發(fā)(送)的無功電量不罰不獎]，因為豐水期所有的機組均能滿發(fā)和超發(fā)，因此，總的發(fā)電收入正比于每小時的單機組的電費收入，每小時單機組的電費收入大則電站總的發(fā)電收入就大。單機每小時發(fā)電上網(wǎng)收入計算公式為：

(1)

式中Y——單臺機組每小時發(fā)電上網(wǎng)收入；

YP——單臺機組每小時有功電量收入；

YQ——單臺機組每小時欠發(fā)無功電量罰款數(shù)額。

因為

YP=JPPT

(2)

式中JP——有功電量電價，目前為0.28元/(kW·h);

P——每臺機組每小時有功功率,kW;

T——時間,h,根據(jù)題意,T等于1h。

又因為

Yq= JQQqT

(3)

式中Jq——扣罰的無功電量電價，目前為0.056元/(kW·h);

T——時間,h,根據(jù)題意,T等于1h；

Qq——單臺機組每小時欠發(fā)的無功功率,kar。

以及

Qq=QK-Q

(4)

式中Q——單臺機組每小時實發(fā)的無功功率;

QK——按考核的功率因數(shù)cosφ=0.8計算應(yīng)發(fā)的無功功率;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：

(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)電機單機額定容量，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)，則單臺機組每小時發(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，則單機每小時發(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，對式(10)對自變量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，單臺機組每小時發(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)

即機組在豐水期水量充足時，機組有功和無功最大經(jīng)濟效益分配為：有功功率為608kW、無功功率為143kvar，可實現(xiàn)單機每小時最大發(fā)電收入為151.81元，此時功率因數(shù)cosφ=cos13.24=0.97。

6豐水期機組有功、無功分配方案的最終確定

因《發(fā)電機運行規(guī)程》規(guī)定“功率因數(shù)以0.8為宜，不得超過0.95，必要時方可在功率因數(shù)為1的情況下運行”，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)濟效益分配功率因素cosφ=0.97 為三個運行方案進行比較，運行技術(shù)數(shù)據(jù)詳見下表。

三種運行方案的技術(shù)數(shù)據(jù)匯總表

方案一按額定參數(shù)運行，運行穩(wěn)定，不欠發(fā)無功，但有功發(fā)電不超發(fā)，豐水期棄水多，總的電費收入最少。

方案三按最大經(jīng)濟效益進行有功和無功的分配，很好地利用了發(fā)電機組能超發(fā)的特性，滿足有功電價高、扣罰無功電價低的實際，所實現(xiàn)的發(fā)電收入最高，但功率因數(shù)超過0.95，運行穩(wěn)定性相對較差，因電壓波動可能發(fā)生進相運行。

方案二和方案三技術(shù)參數(shù)相近，優(yōu)點基本相同，發(fā)電收入比方案三僅少一點，同時符合發(fā)電規(guī)程對功率因素的要求，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行方案，即豐水期沙屯電站每臺機組帶有功負荷594kW、無功負荷195kvar，cosφ控制在0.95左右。

7運行注意事項及效果

采取方案二方式運行后，對電網(wǎng)電壓波動較敏感的機組，通過合理調(diào)節(jié)勵磁系統(tǒng)的調(diào)差系數(shù)，使其在電網(wǎng)波動時無功增減不明顯，不易發(fā)生進相運行，同時運行當中控制發(fā)電機定子線電流、定子溫度在額定范圍內(nèi)，電站按此運行以來，未發(fā)現(xiàn)異常情況，達到了預(yù)期目的。

采取方案二運行后，沙屯電站每年比按額定功率因素cosφ=0.8運行將增加收入約11萬元。

8結(jié)語

因為小水電站容量較小，在電網(wǎng)中欠發(fā)無功對電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定影響微乎其微，加上豐水期水電站機端電壓比較高，因此也沒必要多發(fā)無功。電網(wǎng)公司對小水電上網(wǎng)無功的考核主要是考慮經(jīng)濟利益。在豐水期，小水電站在有功和無功出力發(fā)生沖突的情況下，優(yōu)先發(fā)有功，這對電站減少棄水，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：TV734

文獻標識碼：A

文章編號：1673-8241(2015)11-0043-04