對發電機無功功率與電力系統穩定運行的研究

河海大學 馬天兆

對發電機無功功率與電力系統穩定運行的研究

河海大學 馬天兆

電力系統中重要的組成部分中就包含發電機，電力系統中的無功電源之一就是發電機，發電機的勵磁電流可以調節，勵磁電流的轉變大小可以調節無功功率的輸出，如此運行的費用較低。對發電機的無功功率進行合理的安排對電力系統的運行有所幫助，本文通過研究可以發現發電機無功功率的影響和作用。

發電機；無功功率；電力系統

引言

發電機會發出無功功率，而無功功率可以維系電力系統進行穩定的運行，無功功率更能影響發電機的效率，將發電機的功率因數維持在額定值，通過減少無功消耗來保證系統的穩定運行，亦或是增加無功補償也可以維持系統的穩定運行，同時能夠提高發電機的工作效率。

一、發電機無功功率概述

（一）無功功率的產生

電動機中的定子產生一定的磁場，進而電動機可以進入旋轉，通過產生磁場而消耗的功率就可以稱之為無功功率。發電機是一種動態的發電機，再進行發電的過程中就要消耗無功功率，無功功率通常是不對外做功的，它只是在電能和磁能之間進行來回的轉換，無功功率不能夠消耗染料，也不能夠消耗其他的能源，所以為無功功率。無功功率和有功功率的聯系是緊密的，一般情況下，只有產生無功功率，有功功率才能夠隨之產生。

（二）無功功率的補償

1.意義

無功功率的補償通常具有減少無功功率對電力系統產生影響的能力，對相應的供電系統也可以提高功率因數，對系統的端電壓具有穩定作用，能夠有效地提升電力系統的供電穩定性及質量。對于輸電線路具有降負荷的作用，也可以有效降低用電設備的負荷，對有功功率具有較少消耗的作用，能夠使電力系統的工作狀態處于最佳，對減少用電成本具有重大的作用[1]。

2.原理

在電力系統中沒有純粹的電阻電路，通常情況下，電路的元件中包含感性負載和容性負載，容性電流在電路中和感性電流相差的相位一般是180度，感性負載會吸收容性負載釋放的能量，容性負載也可以吸收感性負載釋放的能量，二者之間的負荷承載著能量進行相互的交換，容性負荷的無功功率可以由感性負荷的無功功率得到相應的補償。

（三）無功功率的補償形式

1.集中的補償形式

將補償應用到的電容器全部裝在供電所需的母線之上，也可以將全部的電容器裝在配電變壓器的低壓一側，電氣設備不能夠產生連續的運轉就會使補償過量，電氣設備的輕負荷也會造成相對的過補償，設備運行中就會產生過高的電壓，電壓的質量得不到保證就會變壞。采用集中補償形式可以使電力系統的運行處于穩定的狀態，這種補償方式的利用率也較高。

2.分散性補償形式

在分散性補償中，可以將電容器分散安裝，主要是安裝在各個用電支路的所有母線之上，使各個支路多組的分散，在分散之中獲得補償，在使用的過程中能夠自動投入使用或者是斷開使用，分散補償的形式具有比較靈活的特點，而且易于控制。

3.個別的補償形式

這種形式主要是將電容器并聯到電氣回路之中，設備的開關就可以對補償的運行進行控制，可以實現無功電流的平衡，還可以對無負荷狀態下的補償進行控制，這種補償方法只適合大型的電氣設備。

二、無功功率對電力系統運行的影響

（一）對發電機的影響

以一臺220MW的發電機組為例，勵磁的實現方式是恒機端的電壓進行自動調節，發電機的額定功率為220MW，發電機的端電壓是17.9KV，母線的電壓是112KV，功率的因數為0.212，系統的頻率為50Hz，通過以上的運行參數可以得知勵磁電流會超過額定的勵磁電流，長時間的過電流就會造成發電機的轉子線圈產生過度的熱量，轉子的絕緣性能就會隨之下降，發電機的使用時長就會受到影響。

在增加勵磁時，交軸電樞的勵磁就會產生過多，直軸電樞的無功部分就會相應的減少，在電樞反應的作用下，有功功率的增加就會使磁的產生減少，發電機可能就會出現欠磁現象，無功功率和電壓也會隨之降低。在恒機端電壓的運行狀態之下，電壓下降可以增加勵磁，無功功率也會隨之增加，在功率一定的情況下，發電機的運行就不可能出現滿負荷。在功率因數不變的情況下，發電機的有功功率只能維持在210MW，無功功率增高就會帶動有功功率增加，從而就會限制發電機的傳輸有功功率的能力，勵磁電流也會相對增加，又會使轉子的繞組產生過熱現象[2]。

無功負荷的降低會提高功率因數，但是會造成機端電壓降低，也會無法對負荷進行彌補，進而造成電樞去磁現象，發電機也不能夠處于暫態穩定，相應的電力系統可能就會出現崩潰現象[3]。無功功率過高就會降低功率因數，轉子就會發熱，發電機產生有功功率的能力就會受到限制。

（二）對線損的影響

在電力系統中，電壓的水平取決于無功功率的平衡水平，無功的損耗加大就會造成系統電壓的不穩定，很可能會使電壓造成大幅度的降低，在額定電壓之下，電氣設備就不能夠正常運行，對電氣設備不能夠妥善處理就會造成嚴重的后果，發電機在多發無功狀態下才能夠維持無功功率的平衡，沒有無功補償的投入也可以維持電壓的穩定，只是在輸送無功功率時，線路需要消耗有功功率。在有功功率達到一定時，無功功率就會越大，有功功率的損耗也會隨之加大。

在傳輸穩定的狀態下，無功功率越小，有功功率的傳輸能力就越強，經過投入無功補償裝置就能夠維持無功功率的平衡，還可以保持電壓的穩定性，還能夠減少對線路的損耗，加大了發電機的帶負荷能力，對線路的帶負荷能力也有促進作用，在電壓過低時，能夠減少對電力系統的影響[4]。

（三）保持發電機正常運行的方式

發電機的無功投入的過多就會造成發電機的轉子發熱，應該適當的投入無功補償裝置，這樣就可以維持電壓的穩定性，對無功功率的平衡也有幫助。對負荷進行無功計算可以彌補相應的費用。實施限電控制運行也可以幫助發電機和系統進入正常的運行。

三、無功功率與系統電壓

（一）系統靜態電壓

在發電機進入運相狀態時，在運行的過程中，相應的感應電動勢就會減小，靜態的攻角會隨之加大，這種變化會引起相應的結果，靜態的穩定裕度就會隨之降低，在發電機深入運行時，靜態攻角的穩定裕度就會減小，靜態電壓就不能夠保持穩定。

在實際運行工作中，發電機的功率因數越高，電力系統的運行效率就越好，相應的經濟效果就越好，對于電力力系統而言，安全性才是最重要的，根據電流的約束條件，可以發現在電壓穩定時靜態電壓的穩定指標越來越大，在發電機處于全相運行狀態下，原本的發電機主動控制電壓就會變成被動控制，電壓系統也會越來越不穩定。所以，發電機不能夠處于全相的運行狀態，對勵磁電流進行約束，可以將發電機的有功功率和無功功率進行結合，得到穩定的電壓指標就可以對電力系統進行控制。

（二）系統動態電壓

對電力系統的動態電壓進行研究一直是學術界的重點難點，一般是利用微分、差分和代數進行描述的。一般情況下，對機器采取無功調控，發出的無功功率和負荷在動態電壓之間進行緊密的聯系，無功功率的降低會使電壓的穩定性遭到破壞，當發電機在進相的狀態下運行時，對電力系統中的動態電壓的穩定性造成影響[5]。

四、結論

總結而言，發電機的無功功率對電力系統能否維持穩定運行具有重大的作用，經過對無功功率帶來的影響進行探討，可以發現在電力系統的實際運行狀態下，就要對發電機的無功功率進行相應的控制，發電機的無功功率的影響是多方面的，必須嚴肅認真的對待相關出現的問題，合理的安排工作可以維持電力系統的穩定運行。

[1]劉鑫．電力系統無功功率淺談[J]．硅谷,2013,02:1+60．

[2]黃長春．發電機無功功率與電力系統穩定運行[J]．電子世界,2013,13:68-69．

[3]王競．基于網絡分析的電力系統無功優化[D]．浙江大學,2014．

[4]雷明洋,董朝輝．無功功率過高對發電機及系統的影響分析[J]．山東工業技術,2017,05:152．

[5]周學偉,彭淑花,呂楓．定距槳船舶軸中帶發電機無功功率補充技術的研究[J]．艦船科學技術,2016,24:46-48．