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度所，云南 大理671000）

1 前言

小水電的并網在一定程度上緩解了大電網電力不足的局面，但是這些并網的小水電機組發出的基本全是有功功率，發電機運行在“欠勵磁”狀態。發電機從電網中吸取感性無功功率以維持機組運行，使并網線路功率因數降低，加大了電網的有功損耗。因而造成發電上網的不合理性，線路一直運行在較低的功率因數下，加大了并網線路的電力損失。

2 并網小水電無功出力不足的原因分析

通過對小水電站的實地考察，分析了造成小水電機組欠發無功和線路損耗加大在設備和管理兩方面的原因。

2.1 設備因素

2.1.1 線路參數不合適，致使發電機發出無功減少。由于小水電大多處于偏遠地區，通過10kV配電線路或分支線入網，存在線路較長、電壓等級不高、導線截面偏小等問題。同步發電機的空載電動勢可簡化表示為:

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

電網電壓可以認為是恒定的，而發電機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線截面越小，亦即阻抗越大，則發電機輸出電流就越小;如果發電機的原動力不變，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，所以發電機向電網輸送的無功功率減小。

2.1.2 升壓變壓器選用不當。小水電在配置主變壓器時，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，而大電網為了確保10kV供電區的各條線路末端電壓合格，其10kV線路以10.5kV電壓運行;因此當小水電站以降壓變壓器作升壓變壓器使用時，升壓變壓器端電壓既要與大電網潮流電壓平衡，又必須克服線路阻抗產生的壓降，因而并網小水電的升壓變壓器的高壓側端電壓常要高于運行電壓10.5kV水平，這時有可能使發電機的機端電壓要升高約1.1～1.15倍左右的額定電壓才能并網發電。發電機機端電壓升高，甚至超過額定電壓運行的極限狀態，導致發電機的功率因數值也隨之升高，功率因數上升，從而也就限制了無功的輸出。

2.1.3 發電機的勵磁系統容量不足。運行中，隨著并網機組所帶負荷的增加，機端電壓相應升高，當機端電壓達到1.05Ue時，定子鐵芯已經相當飽和，在電樞反應去磁作用下，所需勵磁電流較大，繼續增加勵磁電流雖然無功出力和機端電壓稍有增加，但發熱嚴重，限制了勵磁調節，也就限制了無功輸出。

2.2 管理因素

2.2.1 根據政策，目前收購的上網電，在計量計費點，按功率因數等于0.8計算，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，搶發有功，減發無功，寧可扣除部分電費，造成發無功不足的現象。

2.2.2 大部分的小水電發電機只有手動勵磁系統，有些雖然有比較先進的自動勵磁裝置，但值班人員有意關掉該系統，而啟用手動勵磁裝置。只有手動調節甚至是不調節勵磁電流，單靠起始時建立的很小的空載電壓的電流，使發電機的空載電壓、頻率和大電網的參數一致時合閘并網。由于大電網相當于小水電來說是一個無限大的電網，發電機端的電壓基本不變，于是并網后加大水輪機導水葉的開啟角度，使其滿載輸出有功功率，并沒有根據有功輸出的大小相應調節無功輸出的比例，即沒有按功率因數保持在0.8左右并網運行。

2.2.3 值班人員錯誤地認為向電網發無功，必然影響有功的輸出，有意將勵磁調至最小，使發電機在“欠勵磁”狀態下運行，加重電網中的無功負擔，造成不應有的有功損耗。但實際上，無功電量的輸出只是一種能量交換的模式，它并不消耗水輪機的輸入功率，所以原則上說增加勵磁電流不會影響發電機的有功輸出，有功輸出能力只與輸入功率大小有關，即與水輪機的導水葉開啟角度大小有關，所以應及時調節勵磁電流，使其有功無功比例在合理范圍內并網運行。

3 改善并網小水電所發無功不足的措施

3.1 做好調度配合管理工作小水電上網發電必須服從電網的統一調度管理，遵守調度規程，執行調度命令，做好運行記錄。對于有庫容的電站，要充分利用和調節水庫庫容，利用水庫水源的調節能力，調節水輪發電機組發電能量，控制有功出力，多發無功。在枯水季節，自然來水量小，利用庫容調節發電能力，在不溢洪棄水的前提下，保持一定的發電能力，降低有功出力，使發電機轉子保持在額定勵磁電流下運行。這樣，發電機可以帶滿無功負荷運行，為電網多送無功能量。

3.2 整改輸電線路或在較近處并網改造陳舊、導線截面較小的輸電線路，更換較大截面的導線。在較近處并網可以減少并網線路的阻抗，降低線路壓降，以降低發電機的運行電壓，保持發電機應有的出力。

3.3 調換或改造現行的升壓變壓器為解決小水電無功欠發的問題，首先對現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，可考慮調換1臺符合要求的升壓變壓器。必要時可與廠家商量，采用非標生產加工，使這臺變壓器運行時能降低低壓側電壓。其次是對現行的變壓器進行改造，在鐵芯空間允許的情況下，可采用增加變壓器繞組匝數，以原繞組的10%為限，匝數增加后，將三檔的抽頭按原要求進行改接。

3.4 改善發電機的勵磁系統，增加無功功率要使發電機在額定有功出力下能發出額定的無功功率，就必須提高發電機的勵磁電流。要調節和改善發電機的勵磁系統，就應增加勵磁系統的容量或者配備自動勵磁裝置，使之在允許的前提下，使發電機獲得足夠的勵磁電流。并網發電機在有功功率一定的情況下，由于電網電壓不變，通過增加勵磁電流后，磁通增加。但由于發電機端電壓受電網電壓限制不能升高，即發電機磁通增加后，電樞繞組就出現一個滯后于電勢的電流，并產生去磁的電樞反應，以抵消主磁通的增加，此時發電機即發出感性無功，從而多發無功功率。

3.5 安裝并聯電容器，進行無功補償小水電大多為400V的低壓發電機組，可以采用整套的低壓電容器補償屏，在小水電站的低壓母線上進行無功補償。補償容量按功率因數不大于0185為標準。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下的損耗，既體現節能又滿足小水電站的功率因數符合標準。

3.6 安排適當的調相機組對靠近負荷中心和處在電網末端的農村小水電站，可考慮設置容量為50%左右的專用調相機組，以便就近向電力用戶供應無功，這對電網的節能降損、提高電網末端電壓和改善供電質量是極為有利的。對徑流式電站，因電站無調節能力，電站要多發有功以減少棄水，為了使電站在非枯水期也能向電網輸送足夠的無功，以彌補電網的無功不足，也須根據電站及電網的實際情況，相應設置一定容量的備用調相機組。

3.7 為小水電安裝帶無功補償控制箱的計量箱安裝此計量箱可保證各小水電在其上網期間功率因數不大于0.85時，正確計量上網的電量;當功率因數大于0.85時，該計量箱能中止計量上網電量，即自動中止發電機上網發電。因此，要求小水電站在上網時必須隨時輸出一定的無功電能，保證小水電順利上網發電。

[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.