对发电机无功功率与电力系统稳定运行的研究

河海大学 马天兆

对发电机无功功率与电力系统稳定运行的研究

河海大学 马天兆

电力系统中重要的组成部分中就包含发电机，电力系统中的无功电源之一就是发电机，发电机的励磁电流可以调节，励磁电流的转变大小可以调节无功功率的输出，如此运行的费用较低。对发电机的无功功率进行合理的安排对电力系统的运行有所帮助，本文通过研究可以发现发电机无功功率的影响和作用。

发电机；无功功率；电力系统

引言

发电机会发出无功功率，而无功功率可以维系电力系统进行稳定的运行，无功功率更能影响发电机的效率，将发电机的功率因数维持在额定值，通过减少无功消耗来保证系统的稳定运行，亦或是增加无功补偿也可以维持系统的稳定运行，同时能够提高发电机的工作效率。

一、发电机无功功率概述

（一）无功功率的产生

电动机中的定子产生一定的磁场，进而电动机可以进入旋转，通过产生磁场而消耗的功率就可以称之为无功功率。发电机是一种动态的发电机，再进行发电的过程中就要消耗无功功率，无功功率通常是不对外做功的，它只是在电能和磁能之间进行来回的转换，无功功率不能够消耗染料，也不能够消耗其他的能源，所以为无功功率。无功功率和有功功率的联系是紧密的，一般情况下，只有产生无功功率，有功功率才能够随之产生。

（二）无功功率的补偿

1.意义

无功功率的补偿通常具有减少无功功率对电力系统产生影响的能力，对相应的供电系统也可以提高功率因数，对系统的端电压具有稳定作用，能够有效地提升电力系统的供电稳定性及质量。对于输电线路具有降负荷的作用，也可以有效降低用电设备的负荷，对有功功率具有较少消耗的作用，能够使电力系统的工作状态处于最佳，对减少用电成本具有重大的作用[1]。

2.原理

在电力系统中没有纯粹的电阻电路，通常情况下，电路的元件中包含感性负载和容性负载，容性电流在电路中和感性电流相差的相位一般是180度，感性负载会吸收容性负载释放的能量，容性负载也可以吸收感性负载释放的能量，二者之间的负荷承载着能量进行相互的交换，容性负荷的无功功率可以由感性负荷的无功功率得到相应的补偿。

（三）无功功率的补偿形式

1.集中的补偿形式

将补偿应用到的电容器全部装在供电所需的母线之上，也可以将全部的电容器装在配电变压器的低压一侧，电气设备不能够产生连续的运转就会使补偿过量，电气设备的轻负荷也会造成相对的过补偿，设备运行中就会产生过高的电压，电压的质量得不到保证就会变坏。采用集中补偿形式可以使电力系统的运行处于稳定的状态，这种补偿方式的利用率也较高。

2.分散性补偿形式

在分散性补偿中，可以将电容器分散安装，主要是安装在各个用电支路的所有母线之上，使各个支路多组的分散，在分散之中获得补偿，在使用的过程中能够自动投入使用或者是断开使用，分散补偿的形式具有比较灵活的特点，而且易于控制。

3.个别的补偿形式

这种形式主要是将电容器并联到电气回路之中，设备的开关就可以对补偿的运行进行控制，可以实现无功电流的平衡，还可以对无负荷状态下的补偿进行控制，这种补偿方法只适合大型的电气设备。

二、无功功率对电力系统运行的影响

（一）对发电机的影响

以一台220MW的发电机组为例，励磁的实现方式是恒机端的电压进行自动调节，发电机的额定功率为220MW，发电机的端电压是17.9KV，母线的电压是112KV，功率的因数为0.212，系统的频率为50Hz，通过以上的运行参数可以得知励磁电流会超过额定的励磁电流，长时间的过电流就会造成发电机的转子线圈产生过度的热量，转子的绝缘性能就会随之下降，发电机的使用时长就会受到影响。

在增加励磁时，交轴电枢的励磁就会产生过多，直轴电枢的无功部分就会相应的减少，在电枢反应的作用下，有功功率的增加就会使磁的产生减少，发电机可能就会出现欠磁现象，无功功率和电压也会随之降低。在恒机端电压的运行状态之下，电压下降可以增加励磁，无功功率也会随之增加，在功率一定的情况下，发电机的运行就不可能出现满负荷。在功率因数不变的情况下，发电机的有功功率只能维持在210MW，无功功率增高就会带动有功功率增加，从而就会限制发电机的传输有功功率的能力，励磁电流也会相对增加，又会使转子的绕组产生过热现象[2]。

无功负荷的降低会提高功率因数，但是会造成机端电压降低，也会无法对负荷进行弥补，进而造成电枢去磁现象，发电机也不能够处于暂态稳定，相应的电力系统可能就会出现崩溃现象[3]。无功功率过高就会降低功率因数，转子就会发热，发电机产生有功功率的能力就会受到限制。

（二）对线损的影响

在电力系统中，电压的水平取决于无功功率的平衡水平，无功的损耗加大就会造成系统电压的不稳定，很可能会使电压造成大幅度的降低，在额定电压之下，电气设备就不能够正常运行，对电气设备不能够妥善处理就会造成严重的后果，发电机在多发无功状态下才能够维持无功功率的平衡，没有无功补偿的投入也可以维持电压的稳定，只是在输送无功功率时，线路需要消耗有功功率。在有功功率达到一定时，无功功率就会越大，有功功率的损耗也会随之加大。

在传输稳定的状态下，无功功率越小，有功功率的传输能力就越强，经过投入无功补偿装置就能够维持无功功率的平衡，还可以保持电压的稳定性，还能够减少对线路的损耗，加大了发电机的带负荷能力，对线路的带负荷能力也有促进作用，在电压过低时，能够减少对电力系统的影响[4]。

（三）保持发电机正常运行的方式

发电机的无功投入的过多就会造成发电机的转子发热，应该适当的投入无功补偿装置，这样就可以维持电压的稳定性，对无功功率的平衡也有帮助。对负荷进行无功计算可以弥补相应的费用。实施限电控制运行也可以帮助发电机和系统进入正常的运行。

三、无功功率与系统电压

（一）系统静态电压

在发电机进入运相状态时，在运行的过程中，相应的感应电动势就会减小，静态的攻角会随之加大，这种变化会引起相应的结果，静态的稳定裕度就会随之降低，在发电机深入运行时，静态攻角的稳定裕度就会减小，静态电压就不能够保持稳定。

在实际运行工作中，发电机的功率因数越高，电力系统的运行效率就越好，相应的经济效果就越好，对于电力力系统而言，安全性才是最重要的，根据电流的约束条件，可以发现在电压稳定时静态电压的稳定指标越来越大，在发电机处于全相运行状态下，原本的发电机主动控制电压就会变成被动控制，电压系统也会越来越不稳定。所以，发电机不能够处于全相的运行状态，对励磁电流进行约束，可以将发电机的有功功率和无功功率进行结合，得到稳定的电压指标就可以对电力系统进行控制。

（二）系统动态电压

对电力系统的动态电压进行研究一直是学术界的重点难点，一般是利用微分、差分和代数进行描述的。一般情况下，对机器采取无功调控，发出的无功功率和负荷在动态电压之间进行紧密的联系，无功功率的降低会使电压的稳定性遭到破坏，当发电机在进相的状态下运行时，对电力系统中的动态电压的稳定性造成影响[5]。

四、结论

总结而言，发电机的无功功率对电力系统能否维持稳定运行具有重大的作用，经过对无功功率带来的影响进行探讨，可以发现在电力系统的实际运行状态下，就要对发电机的无功功率进行相应的控制，发电机的无功功率的影响是多方面的，必须严肃认真的对待相关出现的问题，合理的安排工作可以维持电力系统的稳定运行。

[1]刘鑫．电力系统无功功率浅谈[J]．硅谷,2013,02:1+60．

[2]黄长春．发电机无功功率与电力系统稳定运行[J]．电子世界,2013,13:68-69．

[3]王竞．基于网络分析的电力系统无功优化[D]．浙江大学,2014．

[4]雷明洋,董朝辉．无功功率过高对发电机及系统的影响分析[J]．山东工业技术,2017,05:152．

[5]周学伟,彭淑花,吕枫．定距桨船舶轴中带发电机无功功率补充技术的研究[J]．舰船科学技术,2016,24:46-48．