發(fā)電機無功功率與電力系統(tǒng)穩(wěn)定性研究

孔琳琳

（國家能源聊城發(fā)電有限公司，山東 聊城 252000）

0 引 言

發(fā)電機是我國電力系統(tǒng)的重要組成部分，在極大程度上影響了電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，進而對人們的生活產(chǎn)生了較大影響。針對發(fā)電機無功功率與電力系統(tǒng)穩(wěn)定性進行研究，能夠為我國電力系統(tǒng)的發(fā)展提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)支持，進而提升我國電力系統(tǒng)的整體運行質(zhì)量。

1 發(fā)電機發(fā)展前景

近些年，我國經(jīng)濟處于飛速發(fā)展階段，出現(xiàn)電力供應(yīng)不足的情況。伴隨著科技的不斷發(fā)展，各種先進的電力電子技術(shù)和計算機技術(shù)被應(yīng)用于發(fā)電機研發(fā)工作，極大地提升了發(fā)電機行業(yè)的發(fā)展水平。在稀土永磁材料和磁性復合材料等新材料的支持下，我國發(fā)電機制造不斷改進與完善，其應(yīng)用效率不斷提升。

我國對發(fā)電機的需求較高。從發(fā)電機的銷售情況來看，從2013-2017年，發(fā)電機行業(yè)銷售收入分別為7 400.11億元、7 948.08億元、8 107.99億元、8 786.74億元以及8 884.25億元。可以看出，我國發(fā)電機行業(yè)具有較大的發(fā)展空間。

從全球角度分析，現(xiàn)階段全球各個國家在發(fā)展過程中對資源的大量使用與浪費加重了全球性能源危機。在這種環(huán)境影響下，各個國家在進行發(fā)電機研究的過程中更加注重節(jié)能環(huán)保，提高了發(fā)電機在實際應(yīng)用中的效率，降低了對資源的浪費[1]。

2 發(fā)電機無功功率與電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行研究的重要意義

從發(fā)電機的研究目標出發(fā)，最重要的是利用先進的發(fā)電機技術(shù)緩解現(xiàn)階段我國發(fā)展過程中電力不足和電能質(zhì)量不高的窘境。發(fā)電機無功功率對電能質(zhì)量和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性有著極大影響，因此研究發(fā)電機無功功率與電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行有重要意義。

2.1 提升電力穩(wěn)定性

穩(wěn)定性是保證電力得到充分應(yīng)用的必要保障。對發(fā)電機無功功率與電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行進行研究，能夠為我國電力系統(tǒng)的改進與完善提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)支持，提升電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

2.2 保證社會發(fā)展的穩(wěn)定性

從現(xiàn)階段我國發(fā)展的實際情況看，人們生活的方方面面和社會的發(fā)展都需要穩(wěn)定的電力支持。一旦電力供應(yīng)出現(xiàn)問題，則會影響人們的正常生活和社會的整體發(fā)展。

2.3 提高電力系統(tǒng)運行的經(jīng)濟效益

從現(xiàn)有數(shù)據(jù)中可知，調(diào)節(jié)發(fā)電機無功出力情況對電力系統(tǒng)進行調(diào)整所耗費的資源整體偏低。相比于其他提升電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的手段而言，它在應(yīng)用過程中更加經(jīng)濟，更符合現(xiàn)階段我國電力系統(tǒng)發(fā)展的實際需求。

3 發(fā)電機無功功率概述

發(fā)電機無功功率是影響發(fā)電運行質(zhì)量的重要因素，因此將從發(fā)電機無功功率的概念、無功補償以及危害性等方面進行闡述與分析。

3.1 無功功率的概念

無功功率指的是發(fā)電機在實際運行過程中，為建立交變磁場和感應(yīng)磁通所需要的電功率。在實際應(yīng)用過程中，一般情況下不對外做功，只應(yīng)用于電能與磁能之間的相互轉(zhuǎn)化。而從發(fā)電機的實際應(yīng)用情況來看，一般情況下只有發(fā)電機產(chǎn)生無功功率時，才能夠產(chǎn)生相應(yīng)的有功功率[2]。

3.2 發(fā)電機穩(wěn)態(tài)運行的無功功率

從發(fā)電機的實際運行情況來看，功率可表示為：

可推測出，發(fā)電機的實際運行中，有功功率P和無功功率Q的表達式分別為：

3.3 同步發(fā)電機無功調(diào)節(jié)

從發(fā)電機的實際運行情況來看，發(fā)電機在運行過程中主要通過勵磁電流進行無功功率的控制。在發(fā)電機有功出力不變的情況下，調(diào)節(jié)勵磁電流，它的同步發(fā)電機的向量圖如圖1所示，而在發(fā)電機全相運行時，向量圖如圖2所示。可見，在降低發(fā)電機勵磁電流的情況下，它的電磁轉(zhuǎn)矩下降。由于原動機轉(zhuǎn)矩恒定，因此發(fā)電機的無功功率也下降。

圖1 發(fā)電機勵磁電流減少時矢量圖

圖2 發(fā)電機進相運行臨界矢量圖

3.4 無功功率補償

3.4.1 無功功率補償?shù)囊饬x

發(fā)電機在實際運轉(zhuǎn)過程中的無功功率會影響電力系統(tǒng)的整體運行，而這種影響能夠通過無功功率補償降低。無功功率補償在穩(wěn)定電力系統(tǒng)的端電壓的同時，能夠提升電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和運送電能的高效性，使電力系統(tǒng)運行更加滿足人們的實際需求。

3.4.2 無功功率補償?shù)脑?/p>

電力系統(tǒng)十分復雜。一般電路中的元件包含感性負載和容性負載，兩者之間的相位差為180°。感性負載能夠吸收容性負載所釋放的能量，容性負載也能夠吸收感性負載所釋放的能量，兩者以兩者之間的負荷作為媒介進行能量的相互轉(zhuǎn)化，進而使發(fā)電機在運行過程中所消耗的無功功率得到相應(yīng)的填補。

3.4.3 無功功率補償形式

無功功率補償能夠在較大程度上提升電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。實際中，各個單位在進行無功功率補償?shù)倪^程中通常使用集中補償、分散性補償和個別補償3種形式。

第一，集中補償。這種補償方式是實際生活中應(yīng)用最廣泛的一種補償方式。在實際應(yīng)用過程中，根據(jù)電力設(shè)備對無功補償?shù)膶嶋H需求，將補償所需要用的電容器連接到同一條給電線路中。這種補償方式最突出的優(yōu)點是能夠使電力系統(tǒng)長期處于一種穩(wěn)定運行狀態(tài)，但是若是電容器均處于低壓狀態(tài)，會出現(xiàn)補償過大的情況。

第二，分散性補償。這種方式與集中補償方式的不同在于，在實際應(yīng)用過程中是各個電容器分別裝在用電支路的母線上。這種補償方式在實際應(yīng)用過程中靈活且便于控制，其中電容器能夠按照實際需求自由地斷開[3]。

第三，個別補償。個別補償在實際應(yīng)用過程中需要調(diào)查個別電器無功功率的需求量，并按照調(diào)查結(jié)果，將一個或者幾個電容器與電路中的電氣設(shè)備并聯(lián)，進而通過控制電氣設(shè)備實現(xiàn)功率補償，同時控制電容器的投入或斷開，以保證無功電流的均衡性。

3.5 無功功率調(diào)節(jié)不當?shù)呢撁嬗绊?/h3>

電力系統(tǒng)在運行過程中會產(chǎn)生無功功率，影響電力系統(tǒng)中的電流和電壓等數(shù)據(jù)。無功功率調(diào)節(jié)不當會造成電力系統(tǒng)在運行過程中呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，影響電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量，甚至會帶來較為嚴重的安全隱患。從現(xiàn)階段的實際情況出發(fā)，無功功率會造成4方面的危害。

3.5.1 增大供電系統(tǒng)運行調(diào)整的難度

系統(tǒng)在運行過程中無功功率的變化，會影響供電系統(tǒng)中的多種設(shè)備。相關(guān)人員為保證整體電力系統(tǒng)供應(yīng)的穩(wěn)定性，需要調(diào)整電力系統(tǒng)中的多種設(shè)備，以保證電力系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性。

3.5.2 增大設(shè)備和線路中的損耗

發(fā)電機實際運行過程中，無功功率的增加會造成整體電路中的電流增大，進而造成設(shè)備和線路中電能的損耗程度增大，帶來較嚴重的電力浪費。

3.5.3 影響發(fā)電機和其他設(shè)備的正常運行

從電力系統(tǒng)和發(fā)電機的實際運行情況來看，無功功率的變化會造成電壓的變化，而電壓在產(chǎn)生劇烈變化的情況下會影響設(shè)備運行的穩(wěn)定性。

3.5.4 影響電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性

無功功率在產(chǎn)生巨大變化的情況下，電力系統(tǒng)中的電流和電壓等會產(chǎn)生較大變化。這種情況會造成大型設(shè)備中三相無功功率負荷嚴重不對稱而影響設(shè)備運行的穩(wěn)定性，從而帶來較為嚴重的安全隱患。

4 無功功率對電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的影響

4.1 無功功率對發(fā)電機的影響

從發(fā)電機的實際運行情況來看，無功功率對發(fā)電機的影響主要表現(xiàn)在兩個方面。

一方面，功率因數(shù)影響。功率因數(shù)與無功功率有著較大的關(guān)聯(lián)。功率因數(shù)變高時，功率會呈現(xiàn)降低趨勢。這種情況會造成勵磁電流下降，而勵磁電流下降會造成發(fā)電機轉(zhuǎn)子與定子之間的磁吸力減小，進而打破發(fā)電機運行的穩(wěn)定狀態(tài)[4]。功率因數(shù)降低時，無功功率會呈現(xiàn)上升趨勢。為保證整個電力系統(tǒng)運行的質(zhì)量，勵磁電流隨之增加。這種情況會造成轉(zhuǎn)子繞組發(fā)熱情況，影響電力系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。

另一方面，在有功功率滿負荷的情況下，發(fā)電機中的功率因素會增高，易造成無功功率過低問題。理論上講，無功功率越低，發(fā)電機的經(jīng)濟效益越高，越能夠滿足人們的實際需求。但是，從實際角度出發(fā)，無功功率較低會破壞發(fā)電機的穩(wěn)定性，使發(fā)電機在實際運行中產(chǎn)生擾動而失去同步運行狀態(tài)，極易發(fā)生危險。功率因數(shù)處于較低情況時，無功功率會增高，勵磁電流會為滿足整體運行的穩(wěn)定性而增高，此時轉(zhuǎn)子繞組的溫度會增高。轉(zhuǎn)子繞組長時間處于高溫狀態(tài)會加速設(shè)備老化，甚至觸發(fā)發(fā)電機跳閘，嚴重影響電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

4.2 無功功率與系統(tǒng)電壓的關(guān)系

系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定在火電廠運行過程中有著極其重要的作用。例如，火電廠在運行過程中，電壓過低會使電動機所驅(qū)動的風機、給水泵等設(shè)備轉(zhuǎn)速降低，造成鍋爐和汽輪機的出力降低而影響供電質(zhì)量。

從電力系統(tǒng)實際運行情況來看，線路和變壓器中的電壓損耗與其工作狀態(tài)有著極大關(guān)系。在高壓系統(tǒng)中，無功功率是決定其電壓的重要因素。無功功率和電壓的控制與有功功率和頻率的控制存在區(qū)別，主要表現(xiàn)在兩個方面。一方面，電力系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)中，系統(tǒng)中各個點的頻率相同，各個點之間的電壓不同。另一方面，在進行電壓調(diào)節(jié)的過程中，除了對電力系統(tǒng)的發(fā)電機進行調(diào)節(jié)外，也可以在電力系統(tǒng)中增加相應(yīng)的無功補償設(shè)備和帶負荷的調(diào)整結(jié)構(gòu)變壓器來調(diào)節(jié)電壓，從而在最大程度上保證電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

5 降低無功功率對電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行影響的措施

無功功率在電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行中有著極其重要的作用。為保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定正常運行，需要相關(guān)人員重視無功功率的控制工作，降低無功功率對電壓等的影響。從現(xiàn)階段的實際情況來看，利用無功功率控制電壓來保證電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定，需要滿足以下4個方面的要求。第一，保證電力系統(tǒng)在實際運行過程中能夠輸送較為穩(wěn)定的電壓，進而保證無功功率的穩(wěn)定性。第二，保證電力系統(tǒng)運行過程中各方面數(shù)據(jù)的平穩(wěn)變化，降低電壓閃爍情況，提升系統(tǒng)整體運行的穩(wěn)定性。第三，電力系統(tǒng)運行過程中，需要保證其運輸過程中電壓和電流等的穩(wěn)定，進而降低電力系統(tǒng)運輸電力過程中所造成的能量浪費情況。第四，電力系統(tǒng)在實際運行過程中需要加大運維人員對電力系統(tǒng)設(shè)備維護的重視程度，制定合理的維護要求和維護周期，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患，以保證設(shè)備高效使用。

6 結(jié) 論

通過研究可以得出結(jié)論，發(fā)電機無功功率在電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行中有著極其重要的作用，因此我國在電力系統(tǒng)運行的過程中需要根據(jù)實際情況做好發(fā)電機無功出力的合理安排，從而保證電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性與安全性。