发电机无功功率与电力系统稳定运行的研究

何 瑶，李晔晗，李雅倩

（东北电力大学，吉林吉林，132011）

发电机无功功率与电力系统稳定运行的研究

何 瑶，李晔晗，李雅倩

（东北电力大学，吉林吉林，132011）

发电机作为电力系统的重要组成部分，其无功功率对于电力系统稳定运行有着重要作用。基于此，本文首先介绍了无功功率的产生以及关于无功功率补偿的相关知识。其次，从发电机与电压两个角度重点探究了无功功率对电力系统稳定运行的影响，分析了发电机相性运转过程中功率因数与电压稳定性、安全性之间的关系，阐述了无功功率对电压乃至电力系统的控制手段。

电力系统；无功功率；静态电压

1 发电机无功功率的概述

1.1 无功功率的概念和意义

无功功率的概念比较抽象，它主要用于电路内电场与磁场间的交换，并用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率。它通常不对外做功，而是在电能与磁能间相互转换。发电机的机械运动与无功功率密不可分，只要是有电磁线圈的电气设备，就要建立和维持旋转磁场，相应的就会产生对无功功率的消耗。发电机的无功功率与有功功率紧密联系，通常只有在无功功率产生的时候，有功功率才能随之产生。

1.2 无功功率补偿的意义和原理

无功功率的补偿通常可以降低无功功率对电力系统的影响程度，提高供电系统的功率因数，还可以稳定电力系统的端电压，更能确保电力系统稳定、高效能、高质量供电。

无功功率的补偿原理如下：电力系统中的电阻电路复杂多样，一般情况下，电路元件中同时存在感性负载与容性负载。两种电流相位相差较大，感性负载可以缓和并吸收容性负载所放出的能量，相对应的容性负载也能缓和吸收感性负载放出的能量。能量以容性负载和感性负载两者间的负荷为媒介进行相互转化，两种负荷消耗的无功功率也可以在彼此之间得到相应的填补[1]。

1.3 无功功率的补偿方式

无功功率的补偿形式分为以下三种：第一种，集中补偿，这是一种利用较广泛的补偿形式。具体做法是根据用电设备对无功功率的需要量，将补偿所要用到的电容器装设在同一条供给电量的母线上。当所有的电容器都处于低压状态时，电气设备无法持续运行，就会导致补偿量过大。此时，设备的轻负荷也会发出与之相应的过量补偿。此种集中的补偿形式能够使电力系统长期处于一种稳定的运行状态；第二种，分散性补偿，又称分组补偿。与集中补偿不同，分散性补偿主要是将各个电容器分别装设在设备所需用电支路的母线上，如乡镇终端变配电所的高压或低压母线上，用来对无功功率进行补偿，校正不均的功率因数。此种补偿方式较为灵活，在使用过程中便于控制，可以自由地应用或断开；第三种，个别补偿。个别补偿主要是根据个别电气设备对无功功率的需要量，将一个或几个电容器与电气设备并联，与电气设备公用同一个断路器。通过对电气设备的控制，就可以实现功率补偿的同时投入或断开，实现无功电流的均衡。

2 无功功率与电力系统稳定运行相关分析

2.1 无功功率对发电机的影响

第一，当功率因数变高时，无功功率随之降低(若功率因数为1时，无功功率为0)，此刻由于励磁电流的下降，发电机转子与定子之间的磁极吸力变小，从而使发动机的稳定状态被打破；当功率因数变低，无功功率随之升高，此时为了维持定子的电压不受到感性无功功率去磁的影响，励磁电流就会增大，导致转子绕组发热。

第二，功率因数cosφ等于有功功率除以视在功率。当有功功率负荷满发时，cosφ过高，无功功率过低。虽然减少系统的无功裕量，会提高经济效益，但也会影响发电机的稳定运转，电机很可能无法承受扰乱和振动，从而发生事故。此外，无功功率过低会导致发电机端电压的降低，影响用电系统。这时，传入用电设备的电流升高，使电压降得更低，造成恶性的循环，最终导致整个用电系统因失去稳定的运行而崩溃瘫痪；当cosφ过低时，无功功率升高。此时转子绕组的表面温度因励磁电流的升高而升高，导致寿命减短。当发电机正常运转在额定负荷下时，无功功率过高，cosφ过低会使励磁电流、定子电流增加，导致设备发热，为设备老化、用电开关跳闸等埋下隐患。

2.2 无功功率对电压的影响

第一，对静态电压的影响。当发电机处于运相状态的时候，运转过程中的感应电动态会变小，与之相对应的静态功角就会变大。这种变化会引起静态稳定裕度的降低，当发电机深层运转时，静态电压会因为静态功角的裕度减小而不能够保持稳定。在日常的工作中，电力系统运转的效能与发电机的功率因数的高低是呈正比的。功率因数高，则电力系统运转的效能好，其所产生的经济效能就越好。由于电流的约束，静态电压的稳定指标会随着电压的稳定程度的增大而增大。

第二，对动态电压的影响。在电力系统的研究中，动态电压一直是学者们关注的重点，大多数都是用代数、差分、微分的形式进行描述的。通常情况下，无功功率与动态电压联系密切。当发电机进入相性运转的状态时，无功功率的降低会影响电力系统中动态电压的稳定性[2]。

2.3 无功功率对电力系统控制的措施

无功功率对电力系统的控制，主要表现在对电压的控制上。为了保证电力系统的正常运行，无功功率对电压的控制应满足以下四个条件：第一，保证电力输送系统电压的稳定；第二，保证电压的质量，杜绝电压闪烁；第三，维持电力系统中电压的稳定性；第四，保持输电线路中无功功率的平衡，降低输电过程中的经济损失。手动控制大多是老式的简单系统，需要24小时人工监视运行状况，控制者在值班室根据电力的运行状况执行无功功率源的投入和切断；当系统较为先进、复杂或出现紧急状况时，需要使用自动控制。若母线电压高于、低于电压标注值，或系统供出的无功功率高于、低于AQR自动调整器的设定值，将并联电容器开启。根据以上理论，在实际操作中常用发电机、电力电容器、净值补偿器、调压变容器和并联电抗器等装置实现对电压以及无功功率的控制与调整[3]。

3 总结

发电机所产生的无功功率对电力系统的高效稳定运转有着重要的作用。分析可得，在电力系统的日常运行中，无功功率的产出量需要适时调整，以保证电压质量、防止电压闪烁，避免电机设备老化及发热，减少输电线路不稳定对系统产生的影响。因此，使用者要重视控制无功功率平衡对电力系统运行过程中的作用。

[1]王正风,白涧.发电机无功功率与电力系统稳定运行[C].安徽省电机工程学会.第四届安徽科技论坛安徽省电机工程学会分论坛论文集.安徽省电机工程学会,2006：8.

[2]马天兆.对发电机无功功率与电力系统稳定运行的研究[J].电子世界,2017,11：174.

[3]蔡雄雁.电力系统中无功功率平衡对电压的影响[J].煤炭技术,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