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

何 瑤，李曄晗，李雅倩

（東北電力大學(xué)，吉林吉林，132011）

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

何 瑤，李曄晗，李雅倩

（東北電力大學(xué)，吉林吉林，132011）

發(fā)電機(jī)作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，其無(wú)功功率對(duì)于電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行有著重要作用?；诖耍疚氖紫冉榻B了無(wú)功功率的產(chǎn)生以及關(guān)于無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)南嚓P(guān)知識(shí)。其次，從發(fā)電機(jī)與電壓兩個(gè)角度重點(diǎn)探究了無(wú)功功率對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的影響，分析了發(fā)電機(jī)相性運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中功率因數(shù)與電壓穩(wěn)定性、安全性之間的關(guān)系，闡述了無(wú)功功率對(duì)電壓乃至電力系統(tǒng)的控制手段。

電力系統(tǒng)；無(wú)功功率；靜態(tài)電壓

1 發(fā)電機(jī)無(wú)功功率的概述

1.1 無(wú)功功率的概念和意義

無(wú)功功率的概念比較抽象，它主要用于電路內(nèi)電場(chǎng)與磁場(chǎng)間的交換，并用來(lái)在電氣設(shè)備中建立和維持磁場(chǎng)的電功率。它通常不對(duì)外做功，而是在電能與磁能間相互轉(zhuǎn)換。發(fā)電機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)與無(wú)功功率密不可分，只要是有電磁線圈的電氣設(shè)備，就要建立和維持旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，相應(yīng)的就會(huì)產(chǎn)生對(duì)無(wú)功功率的消耗。發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率與有功功率緊密聯(lián)系，通常只有在無(wú)功功率產(chǎn)生的時(shí)候，有功功率才能隨之產(chǎn)生。

1.2 無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)囊饬x和原理

無(wú)功功率的補(bǔ)償通?？梢越档蜔o(wú)功功率對(duì)電力系統(tǒng)的影響程度，提高供電系統(tǒng)的功率因數(shù)，還可以穩(wěn)定電力系統(tǒng)的端電壓，更能確保電力系統(tǒng)穩(wěn)定、高效能、高質(zhì)量供電。

無(wú)功功率的補(bǔ)償原理如下：電力系統(tǒng)中的電阻電路復(fù)雜多樣，一般情況下，電路元件中同時(shí)存在感性負(fù)載與容性負(fù)載。兩種電流相位相差較大，感性負(fù)載可以緩和并吸收容性負(fù)載所放出的能量，相對(duì)應(yīng)的容性負(fù)載也能緩和吸收感性負(fù)載放出的能量。能量以容性負(fù)載和感性負(fù)載兩者間的負(fù)荷為媒介進(jìn)行相互轉(zhuǎn)化，兩種負(fù)荷消耗的無(wú)功功率也可以在彼此之間得到相應(yīng)的填補(bǔ)[1]。

1.3 無(wú)功功率的補(bǔ)償方式

無(wú)功功率的補(bǔ)償形式分為以下三種：第一種，集中補(bǔ)償，這是一種利用較廣泛的補(bǔ)償形式。具體做法是根據(jù)用電設(shè)備對(duì)無(wú)功功率的需要量，將補(bǔ)償所要用到的電容器裝設(shè)在同一條供給電量的母線上。當(dāng)所有的電容器都處于低壓狀態(tài)時(shí)，電氣設(shè)備無(wú)法持續(xù)運(yùn)行，就會(huì)導(dǎo)致補(bǔ)償量過(guò)大。此時(shí)，設(shè)備的輕負(fù)荷也會(huì)發(fā)出與之相應(yīng)的過(guò)量補(bǔ)償。此種集中的補(bǔ)償形式能夠使電力系統(tǒng)長(zhǎng)期處于一種穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)；第二種，分散性補(bǔ)償，又稱分組補(bǔ)償。與集中補(bǔ)償不同，分散性補(bǔ)償主要是將各個(gè)電容器分別裝設(shè)在設(shè)備所需用電支路的母線上，如鄉(xiāng)鎮(zhèn)終端變配電所的高壓或低壓母線上，用來(lái)對(duì)無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償，校正不均的功率因數(shù)。此種補(bǔ)償方式較為靈活，在使用過(guò)程中便于控制，可以自由地應(yīng)用或斷開(kāi)；第三種，個(gè)別補(bǔ)償。個(gè)別補(bǔ)償主要是根據(jù)個(gè)別電氣設(shè)備對(duì)無(wú)功功率的需要量，將一個(gè)或幾個(gè)電容器與電氣設(shè)備并聯(lián)，與電氣設(shè)備公用同一個(gè)斷路器。通過(guò)對(duì)電氣設(shè)備的控制，就可以實(shí)現(xiàn)功率補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)投入或斷開(kāi)，實(shí)現(xiàn)無(wú)功電流的均衡。

2 無(wú)功功率與電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行相關(guān)分析

2.1 無(wú)功功率對(duì)發(fā)電機(jī)的影響

第一，當(dāng)功率因數(shù)變高時(shí)，無(wú)功功率隨之降低(若功率因數(shù)為1時(shí)，無(wú)功功率為0)，此刻由于勵(lì)磁電流的下降，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子之間的磁極吸力變小，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定狀態(tài)被打破；當(dāng)功率因數(shù)變低，無(wú)功功率隨之升高，此時(shí)為了維持定子的電壓不受到感性無(wú)功功率去磁的影響，勵(lì)磁電流就會(huì)增大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子繞組發(fā)熱。

第二，功率因數(shù)cosφ等于有功功率除以視在功率。當(dāng)有功功率負(fù)荷滿發(fā)時(shí)，cosφ過(guò)高，無(wú)功功率過(guò)低。雖然減少系統(tǒng)的無(wú)功裕量，會(huì)提高經(jīng)濟(jì)效益，但也會(huì)影響發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)很可能無(wú)法承受擾亂和振動(dòng)，從而發(fā)生事故。此外，無(wú)功功率過(guò)低會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)端電壓的降低，影響用電系統(tǒng)。這時(shí)，傳入用電設(shè)備的電流升高，使電壓降得更低，造成惡性的循環(huán)，最終導(dǎo)致整個(gè)用電系統(tǒng)因失去穩(wěn)定的運(yùn)行而崩潰癱瘓；當(dāng)cosφ過(guò)低時(shí)，無(wú)功功率升高。此時(shí)轉(zhuǎn)子繞組的表面溫度因勵(lì)磁電流的升高而升高，導(dǎo)致壽命減短。當(dāng)發(fā)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)在額定負(fù)荷下時(shí)，無(wú)功功率過(guò)高，cosφ過(guò)低會(huì)使勵(lì)磁電流、定子電流增加，導(dǎo)致設(shè)備發(fā)熱，為設(shè)備老化、用電開(kāi)關(guān)跳閘等埋下隱患。

2.2 無(wú)功功率對(duì)電壓的影響

第一，對(duì)靜態(tài)電壓的影響。當(dāng)發(fā)電機(jī)處于運(yùn)相狀態(tài)的時(shí)候，運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的感應(yīng)電動(dòng)態(tài)會(huì)變小，與之相對(duì)應(yīng)的靜態(tài)功角就會(huì)變大。這種變化會(huì)引起靜態(tài)穩(wěn)定裕度的降低，當(dāng)發(fā)電機(jī)深層運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，靜態(tài)電壓會(huì)因?yàn)殪o態(tài)功角的裕度減小而不能夠保持穩(wěn)定。在日常的工作中，電力系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的效能與發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)的高低是呈正比的。功率因數(shù)高，則電力系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的效能好，其所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效能就越好。由于電流的約束，靜態(tài)電壓的穩(wěn)定指標(biāo)會(huì)隨著電壓的穩(wěn)定程度的增大而增大。

第二，對(duì)動(dòng)態(tài)電壓的影響。在電力系統(tǒng)的研究中，動(dòng)態(tài)電壓一直是學(xué)者們關(guān)注的重點(diǎn)，大多數(shù)都是用代數(shù)、差分、微分的形式進(jìn)行描述的。通常情況下，無(wú)功功率與動(dòng)態(tài)電壓聯(lián)系密切。當(dāng)發(fā)電機(jī)進(jìn)入相性運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)時(shí)，無(wú)功功率的降低會(huì)影響電力系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)電壓的穩(wěn)定性[2]。

2.3 無(wú)功功率對(duì)電力系統(tǒng)控制的措施

無(wú)功功率對(duì)電力系統(tǒng)的控制，主要表現(xiàn)在對(duì)電壓的控制上。為了保證電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，無(wú)功功率對(duì)電壓的控制應(yīng)滿足以下四個(gè)條件：第一，保證電力輸送系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定；第二，保證電壓的質(zhì)量，杜絕電壓閃爍；第三，維持電力系統(tǒng)中電壓的穩(wěn)定性；第四，保持輸電線路中無(wú)功功率的平衡，降低輸電過(guò)程中的經(jīng)濟(jì)損失。手動(dòng)控制大多是老式的簡(jiǎn)單系統(tǒng)，需要24小時(shí)人工監(jiān)視運(yùn)行狀況，控制者在值班室根據(jù)電力的運(yùn)行狀況執(zhí)行無(wú)功功率源的投入和切斷；當(dāng)系統(tǒng)較為先進(jìn)、復(fù)雜或出現(xiàn)緊急狀況時(shí)，需要使用自動(dòng)控制。若母線電壓高于、低于電壓標(biāo)注值，或系統(tǒng)供出的無(wú)功功率高于、低于AQR自動(dòng)調(diào)整器的設(shè)定值，將并聯(lián)電容器開(kāi)啟。根據(jù)以上理論，在實(shí)際操作中常用發(fā)電機(jī)、電力電容器、凈值補(bǔ)償器、調(diào)壓變?nèi)萜骱筒⒙?lián)電抗器等裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓以及無(wú)功功率的控制與調(diào)整[3]。

3 總結(jié)

發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的無(wú)功功率對(duì)電力系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)有著重要的作用。分析可得，在電力系統(tǒng)的日常運(yùn)行中，無(wú)功功率的產(chǎn)出量需要適時(shí)調(diào)整，以保證電壓質(zhì)量、防止電壓閃爍，避免電機(jī)設(shè)備老化及發(fā)熱，減少輸電線路不穩(wěn)定對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。因此，使用者要重視控制無(wú)功功率平衡對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的作用。

[1]王正風(fēng),白澗.發(fā)電機(jī)無(wú)功功率與電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行[C].安徽省電機(jī)工程學(xué)會(huì).第四屆安徽科技論壇安徽省電機(jī)工程學(xué)會(huì)分論壇論文集.安徽省電機(jī)工程學(xué)會(huì),2006：8.

[2]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[J].電子世界,2017,11：174.

[3]蔡雄雁.電力系統(tǒng)中無(wú)功功率平衡對(duì)電壓的影響[J].煤炭技術(shù),2009,07：38-40.

Study on the reactive power of generator and the stable operation of power system

He Yao,Li Yehan,Li Yeqian
(Northeast Dianli University,Jilin Jilin,132011)

As an important part of power system, the reactive power of generator plays an important role in the stable operation of power system. Based on this, this paper first introduces the generation of reactive power and related knowledge about reactive power compensation. Secondly, from the angle of generator and voltage two focuses on the study of reactive power impact on the stable operation of power system, analyzes the relationship between the operation of the generator phase in power factor and voltage stability, safety, and expounds the control means of reactive power on voltage and power system.

power system; reactive power; static voltage