發電機無功功率與電力系統穩定運行的研究

何 瑤，李曄晗，李雅倩

（東北電力大學，吉林吉林，132011）

發電機無功功率與電力系統穩定運行的研究

何 瑤，李曄晗，李雅倩

（東北電力大學，吉林吉林，132011）

發電機作為電力系統的重要組成部分，其無功功率對于電力系統穩定運行有著重要作用。基于此，本文首先介紹了無功功率的產生以及關于無功功率補償的相關知識。其次，從發電機與電壓兩個角度重點探究了無功功率對電力系統穩定運行的影響，分析了發電機相性運轉過程中功率因數與電壓穩定性、安全性之間的關系，闡述了無功功率對電壓乃至電力系統的控制手段。

電力系統；無功功率；靜態電壓

1 發電機無功功率的概述

1.1 無功功率的概念和意義

無功功率的概念比較抽象，它主要用于電路內電場與磁場間的交換，并用來在電氣設備中建立和維持磁場的電功率。它通常不對外做功，而是在電能與磁能間相互轉換。發電機的機械運動與無功功率密不可分，只要是有電磁線圈的電氣設備，就要建立和維持旋轉磁場，相應的就會產生對無功功率的消耗。發電機的無功功率與有功功率緊密聯系，通常只有在無功功率產生的時候，有功功率才能隨之產生。

1.2 無功功率補償的意義和原理

無功功率的補償通常可以降低無功功率對電力系統的影響程度，提高供電系統的功率因數，還可以穩定電力系統的端電壓，更能確保電力系統穩定、高效能、高質量供電。

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

1.3 無功功率的補償方式

無功功率的補償形式分為以下三種：第一種，集中補償，這是一種利用較廣泛的補償形式。具體做法是根據用電設備對無功功率的需要量，將補償所要用到的電容器裝設在同一條供給電量的母線上。當所有的電容器都處于低壓狀態時，電氣設備無法持續運行，就會導致補償量過大。此時，設備的輕負荷也會發出與之相應的過量補償。此種集中的補償形式能夠使電力系統長期處于一種穩定的運行狀態；第二種，分散性補償，又稱分組補償。與集中補償不同，分散性補償主要是將各個電容器分別裝設在設備所需用電支路的母線上，如鄉鎮終端變配電所的高壓或低壓母線上，用來對無功功率進行補償，校正不均的功率因數。此種補償方式較為靈活，在使用過程中便于控制，可以自由地應用或斷開；第三種，個別補償。個別補償主要是根據個別電氣設備對無功功率的需要量，將一個或幾個電容器與電氣設備并聯，與電氣設備公用同一個斷路器。通過對電氣設備的控制，就可以實現功率補償的同時投入或斷開，實現無功電流的均衡。

2 無功功率與電力系統穩定運行相關分析

2.1 無功功率對發電機的影響

第一，當功率因數變高時，無功功率隨之降低(若功率因數為1時，無功功率為0)，此刻由于勵磁電流的下降，發電機轉子與定子之間的磁極吸力變小，從而使發動機的穩定狀態被打破；當功率因數變低，無功功率隨之升高，此時為了維持定子的電壓不受到感性無功功率去磁的影響，勵磁電流就會增大，導致轉子繞組發熱。

第二，功率因數cosφ等于有功功率除以視在功率。當有功功率負荷滿發時，cosφ過高，無功功率過低。雖然減少系統的無功裕量，會提高經濟效益，但也會影響發電機的穩定運轉，電機很可能無法承受擾亂和振動，從而發生事故。此外，無功功率過低會導致發電機端電壓的降低，影響用電系統。這時，傳入用電設備的電流升高，使電壓降得更低，造成惡性的循環，最終導致整個用電系統因失去穩定的運行而崩潰癱瘓；當cosφ過低時，無功功率升高。此時轉子繞組的表面溫度因勵磁電流的升高而升高，導致壽命減短。當發電機正常運轉在額定負荷下時，無功功率過高，cosφ過低會使勵磁電流、定子電流增加，導致設備發熱，為設備老化、用電開關跳閘等埋下隱患。

2.2 無功功率對電壓的影響

第一，對靜態電壓的影響。當發電機處于運相狀態的時候，運轉過程中的感應電動態會變小，與之相對應的靜態功角就會變大。這種變化會引起靜態穩定裕度的降低，當發電機深層運轉時，靜態電壓會因為靜態功角的裕度減小而不能夠保持穩定。在日常的工作中，電力系統運轉的效能與發電機的功率因數的高低是呈正比的。功率因數高，則電力系統運轉的效能好，其所產生的經濟效能就越好。由于電流的約束，靜態電壓的穩定指標會隨著電壓的穩定程度的增大而增大。

第二，對動態電壓的影響。在電力系統的研究中，動態電壓一直是學者們關注的重點，大多數都是用代數、差分、微分的形式進行描述的。通常情況下，無功功率與動態電壓聯系密切。當發電機進入相性運轉的狀態時，無功功率的降低會影響電力系統中動態電壓的穩定性[2]。

2.3 無功功率對電力系統控制的措施

無功功率對電力系統的控制，主要表現在對電壓的控制上。為了保證電力系統的正常運行，無功功率對電壓的控制應滿足以下四個條件：第一，保證電力輸送系統電壓的穩定；第二，保證電壓的質量，杜絕電壓閃爍；第三，維持電力系統中電壓的穩定性；第四，保持輸電線路中無功功率的平衡，降低輸電過程中的經濟損失。手動控制大多是老式的簡單系統，需要24小時人工監視運行狀況，控制者在值班室根據電力的運行狀況執行無功功率源的投入和切斷；當系統較為先進、復雜或出現緊急狀況時，需要使用自動控制。若母線電壓高于、低于電壓標注值，或系統供出的無功功率高于、低于AQR自動調整器的設定值，將并聯電容器開啟。根據以上理論，在實際操作中常用發電機、電力電容器、凈值補償器、調壓變容器和并聯電抗器等裝置實現對電壓以及無功功率的控制與調整[3]。

3 總結

發電機所產生的無功功率對電力系統的高效穩定運轉有著重要的作用。分析可得，在電力系統的日常運行中，無功功率的產出量需要適時調整，以保證電壓質量、防止電壓閃爍，避免電機設備老化及發熱，減少輸電線路不穩定對系統產生的影響。因此，使用者要重視控制無功功率平衡對電力系統運行過程中的作用。

[1]王正風,白澗.發電機無功功率與電力系統穩定運行[C].安徽省電機工程學會.第四屆安徽科技論壇安徽省電機工程學會分論壇論文集.安徽省電機工程學會,2006：8.

[2]馬天兆.對發電機無功功率與電力系統穩定運行的研究[J].電子世界,2017,11：174.

[3]蔡雄雁.電力系統中無功功率平衡對電壓的影響[J].煤炭技術,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