發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)中無功功率運(yùn)行現(xiàn)狀淺析

張 翼 張 健 呂兆俊 鄒建春

（1. 上海明華電力技術(shù)工程有限公司，上海 200090；2. 上海上電漕涇發(fā)電有限公司，上海 201507；3. 上海外高橋發(fā)電有限公司，上海 200137）

發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)中配置大量的異步電動(dòng)機(jī)、變壓器等感性負(fù)荷，其運(yùn)行過程中對(duì)無功功率需求強(qiáng)烈[1]。發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)無功功率消耗水平高，引起機(jī)組額外的無功功率輸出，從而影響機(jī)組對(duì)外系統(tǒng)無功輸出的同時(shí)，也造成了廠用電系統(tǒng)電壓運(yùn)行區(qū)間下降，廠用電系統(tǒng)損耗增加、影響設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性等后果，在大容量輔機(jī)起動(dòng)等沖擊性負(fù)荷投入時(shí)，廠用電系統(tǒng)電壓劇烈波動(dòng)[2]，甚至可能觸發(fā)廠用輔機(jī)的低電壓保護(hù)，從而導(dǎo)致嚴(yán)重后果。

一直以來，由于發(fā)電廠的電源屬性，其自身廠用電系統(tǒng)的無功功率消耗未引起重視，電力系統(tǒng)的電壓/無功控制通常分為分區(qū)域/分級(jí)控制，實(shí)現(xiàn)無功功率分層分區(qū)就地平衡[3-5]，作為電源點(diǎn)的發(fā)電廠如能減少或針對(duì)性補(bǔ)償廠內(nèi)無功消耗，不僅能減少內(nèi)部無功流動(dòng)帶來的損耗，穩(wěn)定廠用電系統(tǒng)電壓，而且能夠提升輸出無功裕度。因此，有必要針對(duì)發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)的無功功率運(yùn)行現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)估，這有利于今后有針對(duì)性地進(jìn)行補(bǔ)償和干預(yù)，從而達(dá)到有效改善電壓質(zhì)量、降低供電損耗與廠用電率，充分發(fā)揮發(fā)電設(shè)備的生產(chǎn)能力、延長使用壽命的目的。

1 影響廠用電系統(tǒng)無功水平的因素分析

發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)無功消耗主要分布在廠用輔機(jī)與廠用變壓器兩類負(fù)載中。發(fā)電廠，尤其是燃煤發(fā)電廠的高壓廠用輔機(jī)主要以大容量三相異步電動(dòng)機(jī)為主，在機(jī)組運(yùn)行過程中，燃燒制粉、循環(huán)水、風(fēng)煙系統(tǒng)等主要輔機(jī)系統(tǒng)消耗大量有功功率的同時(shí)，對(duì)感性無功功率的需求也較為突出[6]。廠用變壓器的無功功率消耗主要來自于變壓器的變壓過程中，通過無功功率建立和維持磁場從而進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。另一方面，廠用電系統(tǒng)電壓也對(duì)無功功率水平產(chǎn)生影響。

1.1 廠內(nèi)輔機(jī)無功消耗

廠內(nèi)大功率電動(dòng)輔機(jī)基本以異步電動(dòng)機(jī)為主，其無功消耗由空載無功功率與帶載情況下的無功功率增加量組成，而異步電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子之間的氣隙大小是決定其消耗無功功率水平的主要因素，氣隙越大，電動(dòng)機(jī)磁阻越高，磁阻變大，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)需要的勵(lì)磁電流也將升高，其無功功率消耗亦將隨之上升。廠用變壓器的無功消耗以空載無功功率為主，與其負(fù)載率的大小無關(guān)。

在電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)隨負(fù)載情況變化而變化，一般可通過查表法及公式計(jì)算。查表法可通過電動(dòng)機(jī)制造廠商提供的表格進(jìn)行對(duì)應(yīng)查詢，而一般工程上通過式（1）計(jì)算得到電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的自然功率因數(shù)[7]。

式中，cosφN為電機(jī)額定功率因數(shù)；β 為電機(jī)負(fù)載率；P為電動(dòng)機(jī)工作瞬時(shí)功率（kW）；PN為電動(dòng)機(jī)額定功率（kW）。

在無外部補(bǔ)償?shù)那闆r下，電動(dòng)機(jī)自然功率因數(shù)決定了其無功功率消耗。

1.2 變壓器無功消耗

廠內(nèi)變壓器亦是無功消耗的重要來源。由于變壓器勵(lì)磁感抗XO與漏抗XK遠(yuǎn)大于激磁電阻Ro與繞組電阻RK，功率損耗與電流平方以及阻抗大小成正比，因此在運(yùn)行中的變壓器無功損耗要遠(yuǎn)大于有功損耗，出口功率因數(shù)較低，無功功率基本消耗于電磁感應(yīng)[8]。

變壓器無功功率損耗為

式中，ΔQ 為變壓器運(yùn)行中實(shí)際無功消耗（kvar）；Qo為變壓器空載勵(lì)磁無功功率（kvar）；QK為變壓器實(shí)際激磁無功功率（kvar）；I0%為變壓器空載電流（%）；SN為變壓器額定容量（kVA）；Po為變壓器空載損失（kW）；I為變壓器運(yùn)行負(fù)載電流；XK為變壓器漏抗。

1.3 廠用電系統(tǒng)電壓

廠用電系統(tǒng)電壓受外部網(wǎng)壓、機(jī)端電壓以及廠內(nèi)輔機(jī)工況變化影響，大容量輔機(jī)起動(dòng)將引起廠用電電壓向下波動(dòng)[9]，同時(shí)，廠用電母線電壓也將影響設(shè)備的無功消耗水平。廠用電系統(tǒng)電壓范圍一般限制為-5%～5%之間，當(dāng)供電電壓超出規(guī)定范圍時(shí)，也會(huì)對(duì)無功水平造成很大的影響。

由式E=4.44fNφm可知，磁通與電壓成正比，勵(lì)磁電流隨磁通上升而增大，無功功率也將隨之而提升，當(dāng)供電電壓高于額定值的10%時(shí)，受磁路飽和的影響，廠內(nèi)輔機(jī)與變壓器的無功功率消耗將增長很快。有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，當(dāng)供電電壓為額定值的110%時(shí)，相同負(fù)載無功功率消耗將增加35%左右。當(dāng)供電電壓低于額定值時(shí)，無功功率也相應(yīng)減少，而使它們的功率因數(shù)有所提高[10]。

2 無功功率對(duì)廠用電系統(tǒng)影響

無功功率主要影響廠用電系統(tǒng)功率因數(shù)、電壓與廠用電率。

2.1 無功功率對(duì)廠用電系統(tǒng)功率因數(shù)的影響

由于廠用輔機(jī)工況變化，廠用電系統(tǒng)功率因數(shù)也將隨之波動(dòng)，輔機(jī)無功功率相對(duì)固定，但在輔機(jī)有功負(fù)荷較輕時(shí)，系統(tǒng)功率因數(shù)處于較低水平。

廠用輔機(jī)低負(fù)荷、空載運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)造成電動(dòng)機(jī)自然功率因數(shù)偏低，因此在廠用輔機(jī)選型時(shí)，應(yīng)合理選擇電動(dòng)機(jī)容量，使之與機(jī)械負(fù)載相匹配，提高電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率是改善其自然功率因數(shù)以及全廠功率因數(shù)的主要方法之一。

2.2 無功功率對(duì)廠用電系統(tǒng)電壓的影響

發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)電壓受到機(jī)組無功功率輸出、系統(tǒng)網(wǎng)壓、廠用電系統(tǒng)輔機(jī)工況、無功消耗等因素影響，其中，機(jī)組無功功率輸出起到支撐電壓的作用，而廠用電系統(tǒng)消耗無功功率將抵消一部分機(jī)組的無功功率輸出。此外，目前絕大多數(shù)入網(wǎng)機(jī)組均配置了自動(dòng)電壓控制（AVC）系統(tǒng)，AVC根據(jù)系統(tǒng)網(wǎng)壓、潮流等參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)組自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器（AVR）的無功功率出力以達(dá)到穩(wěn)定系統(tǒng)電壓的目的，機(jī)組輸出以及廠用電系統(tǒng)消耗無功功率的變化同時(shí)影響機(jī)端電壓水平，而廠用電系統(tǒng)電壓隨發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓的變化而產(chǎn)生相應(yīng)變化。當(dāng)機(jī)端電壓或廠用電系統(tǒng)電壓過高或過低時(shí)，AVC系統(tǒng)將單向閉鎖甚至反向調(diào)節(jié)機(jī)組無功輸出，無法持續(xù)滿足網(wǎng)側(cè)電壓調(diào)節(jié)需求。因此，廠用電系統(tǒng)電壓不僅受到廠內(nèi)部無功輸出與消耗的影響，還取決于外部無功平衡與電壓波動(dòng)。

2.3 無功功率對(duì)廠用電率的影響

由電廠廠用電率計(jì)算式（4）可知，發(fā)電廠廠用電率指的是統(tǒng)計(jì)期內(nèi)，機(jī)組運(yùn)行內(nèi)廠用電系統(tǒng)中設(shè)備消耗的有功消耗量總和與整個(gè)發(fā)電量的百分比率，即

式中，e為廠用電率（%）；Wf為總發(fā)電量（kW·h）；Wsw為上網(wǎng)電量（kW·h）；Wxh為廠用電有功消耗量（kW·h）。

由于無功功率潮流在電源、配電線路、負(fù)載之間流動(dòng)，所以無功功率在網(wǎng)內(nèi)各元件的阻抗回路中將產(chǎn)生相應(yīng)的有功損耗。作為廠用負(fù)荷中的重要組成部分，廠用輔機(jī)及變壓器由無功功率而產(chǎn)生的損耗不容忽視。

電動(dòng)機(jī)的綜合功率損耗主要由有功功率損耗與無功功率損耗兩部分組成。綜合功率損耗參照標(biāo)準(zhǔn)GB 12497—2006中電動(dòng)機(jī)綜合功率計(jì)算主要通過式（5）得到

式中，ΣPc為電動(dòng)機(jī)綜合功率損耗（kW）；ΣP為電動(dòng)機(jī)有功損耗（kW）；KQ為無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量（kW/kvar）。

工程上以無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量KQ表征1kvar無功功率所引起的有功功率損耗，KQQ即為電動(dòng)機(jī)無功消耗引起的有功損耗。按照標(biāo)準(zhǔn)GB 12497—2006中的規(guī)定，在未經(jīng)過無功補(bǔ)償?shù)膹S用電系統(tǒng)中，一臺(tái)廠用輔機(jī)所消耗的無功功率由發(fā)電機(jī)或高備變提供，從發(fā)電機(jī)出口經(jīng)過廠變進(jìn)入廠用電母線，KQ取0.05～0.07，由高備變供電時(shí)，KQ應(yīng)取0.08～0.1。

同時(shí)，由無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量系數(shù)可以看出，隨著傳輸線路、變壓環(huán)節(jié)的的增加，傳輸無功功率將引起更多的有功損耗。

綜上所述，廠用電系統(tǒng)中廠用輔機(jī)和變壓器數(shù)量眾多，廠用電系統(tǒng)的無功功率消耗將引起一定的有功損耗增加，而有功損耗的升高將直接增加廠用電率。

2.4 無功功率對(duì)廠內(nèi)設(shè)備利用率的影響

廠用電系統(tǒng)中變壓器運(yùn)行容量SN為

結(jié)合圖1容易得出，在負(fù)載有功功率一定的前提下，若能夠增加負(fù)載側(cè)的就地?zé)o功功率補(bǔ)償以減少變壓器無功功率傳輸量，即相應(yīng)增加了變壓器容量儲(chǔ)備ΔS，則減少的無功功率傳輸容量可增加相應(yīng)有功功率的利用率。類似地，廠用電系統(tǒng)中動(dòng)力電纜、開關(guān)等設(shè)備有功功率利用率也變相地得到增加。

圖1 變壓器能量傳輸示意圖

3 實(shí)際測試數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析

3.1 試驗(yàn)環(huán)境

為了更直觀準(zhǔn)確地分析發(fā)電企業(yè)廠用電系統(tǒng)無功功率消耗以及分布情況，本文選擇上海某百萬機(jī)組發(fā)電廠作為測試目標(biāo)電廠，開展廠用電系統(tǒng)無功功率測試。該電廠共有兩臺(tái)1000MW燃煤發(fā)電機(jī)組，廠用輔機(jī)眾多，每臺(tái)機(jī)組連接兩臺(tái)高廠變，每臺(tái)高廠變分別對(duì)應(yīng)兩條6kV廠用電母線，即每臺(tái)機(jī)組對(duì)應(yīng)4條母線，其中兩條重載母線、兩條輕載母線。

圖2 上海某電廠全廠廠用電系統(tǒng)6kV母線接線圖

該廠廠用電6kV母線接線圖如圖2所示，其中1A1、1B1、2A1、2B1為重載母線，其余為輕載母線，重載母線連接的主要大型輔機(jī)包括：一次風(fēng)機(jī)、吸風(fēng)機(jī)、增壓風(fēng)機(jī)、循泵等；輕載母線連接的大型輔機(jī)主要為一次風(fēng)機(jī)、凝泵、漿液循環(huán)泵等。全廠功率大于1000kW的輔機(jī)見表1。

表1 全廠功率大于1000kW的輔機(jī)列表

3.2 測試內(nèi)容與目標(biāo)

本測試對(duì)象分為典型大容量輔機(jī)與廠用電母線的無功與電壓情況，測試主要目標(biāo)是獲取兩方面數(shù)據(jù)，一方面是機(jī)組典型輔機(jī)與廠用母線的有功與無功需求，另一方面是典型輔機(jī)與廠用母線的功率因數(shù)變化，由于功率因數(shù)由無功與有功功率共同決定，因此，需同時(shí)對(duì)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的有功及無功功率數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。

測試內(nèi)容主要包括典型大容量輔機(jī)起動(dòng)升負(fù)荷過程以及機(jī)組正常運(yùn)行工況下廠用母線的無功消耗監(jiān)測，被測對(duì)象分別為典型輔機(jī)與典型廠用電母線。在典型輔機(jī)的選擇上，由于大容量輔機(jī)運(yùn)行中無功功率消耗大，對(duì)廠用電系統(tǒng)功率因數(shù)影響也較為明顯，因此在可選擇的范圍內(nèi)中，本文選擇了功率較大的增壓風(fēng)機(jī) 2A作為目標(biāo)輔機(jī)，同時(shí)，為了在廠用母線測試中便于比較分析，本文選擇一條重載廠用電母線2A1與輕載廠用電母線2A2作為目標(biāo)母線。

3.3 測試結(jié)果與分析

1）典型輔機(jī)測試

機(jī)組起動(dòng)后，機(jī)組負(fù)荷由350MW上升至950MW過程，歷時(shí)12min左右。同時(shí)針對(duì)典型大容量輔機(jī)-增壓風(fēng)機(jī)的有功、無功、電流、電壓、功率因數(shù)等電氣參數(shù)進(jìn)行在線錄波，錄波結(jié)果如圖3至圖10所示。

由上述測試結(jié)果可知，增壓風(fēng)機(jī) 2A由起動(dòng)至高負(fù)荷階段初期機(jī)端功率因數(shù)較低，隨著負(fù)荷增加，有功功率與無功功率均有所上升，功率因數(shù)也隨之提高，功率因數(shù)最大值為 0.85。同時(shí)，通過電壓曲線可以看出，在輔機(jī)起動(dòng)工況下，電壓有較大幅度的波動(dòng)。

圖3 增壓風(fēng)機(jī)2A功率因數(shù)

圖4 增壓風(fēng)機(jī)2A無功功率

圖5 增壓風(fēng)機(jī)2A有功功率

圖6 增壓風(fēng)機(jī)2A進(jìn)線電壓

圖7 母線2A1進(jìn)線側(cè)消耗有功&無功功率

2）廠用電母線測試

母線測試工況：機(jī)組負(fù)荷保持在700MW左右，以6kV 2A1母線以及2A2母線進(jìn)線側(cè)作為測試點(diǎn)，各連續(xù)在線錄波一天以上時(shí)間。錄波結(jié)果如圖6至圖9所示。

圖8 母線2A1段功率因數(shù)

圖9 母線2A2進(jìn)線側(cè)消耗有功&無功功率

圖10 母線2A2段功率因數(shù)

由上述測試結(jié)果可知，廠用電母線的功率因數(shù)主要取決于母線有功功率消耗水平的變化，無功功率變化不大，維持在5Mvar左右，同時(shí)，母線功率因數(shù)基本在0.85左右。

3）測試數(shù)據(jù)分析

由測試記錄數(shù)據(jù)分析可知，大型輔機(jī)起動(dòng)時(shí)，無功功率消耗水平增加，但不及有功功率增加量。兩條重載母線無功需求較為平穩(wěn)，均為5Mvar左右，分析可知，發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)無功功率消耗水平變動(dòng)并不大，實(shí)際測試數(shù)據(jù)驗(yàn)證了作為廠用電系統(tǒng)主要無功消耗源的電動(dòng)機(jī)與變壓器無功消耗水平較為固定這一理論，但電動(dòng)機(jī)與變壓器數(shù)量較多，無功消耗總體水平較高。

4 結(jié)論

1）通過現(xiàn)場記錄實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)參數(shù)分析可知，發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)無功功率消耗水平較穩(wěn)定，隨工況變化并不大，驗(yàn)證了電動(dòng)機(jī)與變壓器無功消耗水平較為固定這一理論。同時(shí)，發(fā)電廠總體無功消耗水平較高，如能針對(duì)性進(jìn)行電容補(bǔ)償，能夠減輕機(jī)組的無功輸出以及廠用電系統(tǒng)中的無功流動(dòng)損耗。

2）以發(fā)電廠輔機(jī)與變壓器作為主要無功消耗源，極大程度上影響了發(fā)電廠無功水平，而電動(dòng)機(jī)、變壓器的無功消耗水平主要取決于硬件結(jié)構(gòu)，較為固定?？刹捎妙愃茰p少電機(jī)備用容量，減少無功消耗等方法來解決問題。

3）無功功率消耗對(duì)發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)功率因數(shù)、電壓、廠用電率及設(shè)備利用率等方面產(chǎn)生影響。

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