发电厂厂用电系统中无功功率运行现状浅析

张 翼 张 健 吕兆俊 邹建春

（1. 上海明华电力技术工程有限公司，上海 200090；2. 上海上电漕泾发电有限公司，上海 201507；3. 上海外高桥发电有限公司，上海 200137）

发电厂厂用电系统中配置大量的异步电动机、变压器等感性负荷，其运行过程中对无功功率需求强烈[1]。发电厂厂用电系统无功功率消耗水平高，引起机组额外的无功功率输出，从而影响机组对外系统无功输出的同时，也造成了厂用电系统电压运行区间下降，厂用电系统损耗增加、影响设备运行稳定性等后果，在大容量辅机起动等冲击性负荷投入时，厂用电系统电压剧烈波动[2]，甚至可能触发厂用辅机的低电压保护，从而导致严重后果。

一直以来，由于发电厂的电源属性，其自身厂用电系统的无功功率消耗未引起重视，电力系统的电压/无功控制通常分为分区域/分级控制，实现无功功率分层分区就地平衡[3-5]，作为电源点的发电厂如能减少或针对性补偿厂内无功消耗，不仅能减少内部无功流动带来的损耗，稳定厂用电系统电压，而且能够提升输出无功裕度。因此，有必要针对发电厂厂用电系统的无功功率运行现状进行评估，这有利于今后有针对性地进行补偿和干预，从而达到有效改善电压质量、降低供电损耗与厂用电率，充分发挥发电设备的生产能力、延长使用寿命的目的。

1 影响厂用电系统无功水平的因素分析

发电厂厂用电系统无功消耗主要分布在厂用辅机与厂用变压器两类负载中。发电厂，尤其是燃煤发电厂的高压厂用辅机主要以大容量三相异步电动机为主，在机组运行过程中，燃烧制粉、循环水、风烟系统等主要辅机系统消耗大量有功功率的同时，对感性无功功率的需求也较为突出[6]。厂用变压器的无功功率消耗主要来自于变压器的变压过程中，通过无功功率建立和维持磁场从而进行能量转换。另一方面，厂用电系统电压也对无功功率水平产生影响。

1.1 厂内辅机无功消耗

厂内大功率电动辅机基本以异步电动机为主，其无功消耗由空载无功功率与带载情况下的无功功率增加量组成，而异步电机定子与转子之间的气隙大小是决定其消耗无功功率水平的主要因素，气隙越大，电动机磁阻越高，磁阻变大，电动机运行时需要的励磁电流也将升高，其无功功率消耗亦将随之上升。厂用变压器的无功消耗以空载无功功率为主，与其负载率的大小无关。

在电动机正常运行时的功率因数随负载情况变化而变化，一般可通过查表法及公式计算。查表法可通过电动机制造厂商提供的表格进行对应查询，而一般工程上通过式（1）计算得到电动机运行时的自然功率因数[7]。

式中，cosφN为电机额定功率因数；β 为电机负载率；P为电动机工作瞬时功率（kW）；PN为电动机额定功率（kW）。

在无外部补偿的情况下，电动机自然功率因数决定了其无功功率消耗。

1.2 变压器无功消耗

厂内变压器亦是无功消耗的重要来源。由于变压器励磁感抗XO与漏抗XK远大于激磁电阻Ro与绕组电阻RK，功率损耗与电流平方以及阻抗大小成正比，因此在运行中的变压器无功损耗要远大于有功损耗，出口功率因数较低，无功功率基本消耗于电磁感应[8]。

变压器无功功率损耗为

式中，ΔQ 为变压器运行中实际无功消耗（kvar）；Qo为变压器空载励磁无功功率（kvar）；QK为变压器实际激磁无功功率（kvar）；I0%为变压器空载电流（%）；SN为变压器额定容量（kVA）；Po为变压器空载损失（kW）；I为变压器运行负载电流；XK为变压器漏抗。

1.3 厂用电系统电压

厂用电系统电压受外部网压、机端电压以及厂内辅机工况变化影响，大容量辅机起动将引起厂用电电压向下波动[9]，同时，厂用电母线电压也将影响设备的无功消耗水平。厂用电系统电压范围一般限制为-5%～5%之间，当供电电压超出规定范围时，也会对无功水平造成很大的影响。

由式E=4.44fNφm可知，磁通与电压成正比，励磁电流随磁通上升而增大，无功功率也将随之而提升，当供电电压高于额定值的10%时，受磁路饱和的影响，厂内辅机与变压器的无功功率消耗将增长很快。有关资料统计，当供电电压为额定值的110%时，相同负载无功功率消耗将增加35%左右。当供电电压低于额定值时，无功功率也相应减少，而使它们的功率因数有所提高[10]。

2 无功功率对厂用电系统影响

无功功率主要影响厂用电系统功率因数、电压与厂用电率。

2.1 无功功率对厂用电系统功率因数的影响

由于厂用辅机工况变化，厂用电系统功率因数也将随之波动，辅机无功功率相对固定，但在辅机有功负荷较轻时，系统功率因数处于较低水平。

厂用辅机低负荷、空载运转会造成电动机自然功率因数偏低，因此在厂用辅机选型时，应合理选择电动机容量，使之与机械负载相匹配，提高电动机的负载率是改善其自然功率因数以及全厂功率因数的主要方法之一。

2.2 无功功率对厂用电系统电压的影响

发电厂厂用电系统电压受到机组无功功率输出、系统网压、厂用电系统辅机工况、无功消耗等因素影响，其中，机组无功功率输出起到支撑电压的作用，而厂用电系统消耗无功功率将抵消一部分机组的无功功率输出。此外，目前绝大多数入网机组均配置了自动电压控制（AVC）系统，AVC根据系统网压、潮流等参数自动调节机组自动电压调节器（AVR）的无功功率出力以达到稳定系统电压的目的，机组输出以及厂用电系统消耗无功功率的变化同时影响机端电压水平，而厂用电系统电压随发电机机端电压的变化而产生相应变化。当机端电压或厂用电系统电压过高或过低时，AVC系统将单向闭锁甚至反向调节机组无功输出，无法持续满足网侧电压调节需求。因此，厂用电系统电压不仅受到厂内部无功输出与消耗的影响，还取决于外部无功平衡与电压波动。

2.3 无功功率对厂用电率的影响

由电厂厂用电率计算式（4）可知，发电厂厂用电率指的是统计期内，机组运行内厂用电系统中设备消耗的有功消耗量总和与整个发电量的百分比率，即

式中，e为厂用电率（%）；Wf为总发电量（kW·h）；Wsw为上网电量（kW·h）；Wxh为厂用电有功消耗量（kW·h）。

由于无功功率潮流在电源、配电线路、负载之间流动，所以无功功率在网内各元件的阻抗回路中将产生相应的有功损耗。作为厂用负荷中的重要组成部分，厂用辅机及变压器由无功功率而产生的损耗不容忽视。

电动机的综合功率损耗主要由有功功率损耗与无功功率损耗两部分组成。综合功率损耗参照标准GB 12497—2006中电动机综合功率计算主要通过式（5）得到

式中，ΣPc为电动机综合功率损耗（kW）；ΣP为电动机有功损耗（kW）；KQ为无功经济当量（kW/kvar）。

工程上以无功经济当量KQ表征1kvar无功功率所引起的有功功率损耗，KQQ即为电动机无功消耗引起的有功损耗。按照标准GB 12497—2006中的规定，在未经过无功补偿的厂用电系统中，一台厂用辅机所消耗的无功功率由发电机或高备变提供，从发电机出口经过厂变进入厂用电母线，KQ取0.05～0.07，由高备变供电时，KQ应取0.08～0.1。

同时，由无功经济当量系数可以看出，随着传输线路、变压环节的的增加，传输无功功率将引起更多的有功损耗。

综上所述，厂用电系统中厂用辅机和变压器数量众多，厂用电系统的无功功率消耗将引起一定的有功损耗增加，而有功损耗的升高将直接增加厂用电率。

2.4 无功功率对厂内设备利用率的影响

厂用电系统中变压器运行容量SN为

结合图1容易得出，在负载有功功率一定的前提下，若能够增加负载侧的就地无功功率补偿以减少变压器无功功率传输量，即相应增加了变压器容量储备ΔS，则减少的无功功率传输容量可增加相应有功功率的利用率。类似地，厂用电系统中动力电缆、开关等设备有功功率利用率也变相地得到增加。

图1 变压器能量传输示意图

3 实际测试数据及数据分析

3.1 试验环境

为了更直观准确地分析发电企业厂用电系统无功功率消耗以及分布情况，本文选择上海某百万机组发电厂作为测试目标电厂，开展厂用电系统无功功率测试。该电厂共有两台1000MW燃煤发电机组，厂用辅机众多，每台机组连接两台高厂变，每台高厂变分别对应两条6kV厂用电母线，即每台机组对应4条母线，其中两条重载母线、两条轻载母线。

图2 上海某电厂全厂厂用电系统6kV母线接线图

该厂厂用电6kV母线接线图如图2所示，其中1A1、1B1、2A1、2B1为重载母线，其余为轻载母线，重载母线连接的主要大型辅机包括：一次风机、吸风机、增压风机、循泵等；轻载母线连接的大型辅机主要为一次风机、凝泵、浆液循环泵等。全厂功率大于1000kW的辅机见表1。

表1 全厂功率大于1000kW的辅机列表

3.2 测试内容与目标

本测试对象分为典型大容量辅机与厂用电母线的无功与电压情况，测试主要目标是获取两方面数据，一方面是机组典型辅机与厂用母线的有功与无功需求，另一方面是典型辅机与厂用母线的功率因数变化，由于功率因数由无功与有功功率共同决定，因此，需同时对试验目标的有功及无功功率数据进行记录。

测试内容主要包括典型大容量辅机起动升负荷过程以及机组正常运行工况下厂用母线的无功消耗监测，被测对象分别为典型辅机与典型厂用电母线。在典型辅机的选择上，由于大容量辅机运行中无功功率消耗大，对厂用电系统功率因数影响也较为明显，因此在可选择的范围内中，本文选择了功率较大的增压风机 2A作为目标辅机，同时，为了在厂用母线测试中便于比较分析，本文选择一条重载厂用电母线2A1与轻载厂用电母线2A2作为目标母线。

3.3 测试结果与分析

1）典型辅机测试

机组起动后，机组负荷由350MW上升至950MW过程，历时12min左右。同时针对典型大容量辅机-增压风机的有功、无功、电流、电压、功率因数等电气参数进行在线录波，录波结果如图3至图10所示。

由上述测试结果可知，增压风机 2A由起动至高负荷阶段初期机端功率因数较低，随着负荷增加，有功功率与无功功率均有所上升，功率因数也随之提高，功率因数最大值为 0.85。同时，通过电压曲线可以看出，在辅机起动工况下，电压有较大幅度的波动。

图3 增压风机2A功率因数

图4 增压风机2A无功功率

图5 增压风机2A有功功率

图6 增压风机2A进线电压

图7 母线2A1进线侧消耗有功&无功功率

2）厂用电母线测试

母线测试工况：机组负荷保持在700MW左右，以6kV 2A1母线以及2A2母线进线侧作为测试点，各连续在线录波一天以上时间。录波结果如图6至图9所示。

图8 母线2A1段功率因数

图9 母线2A2进线侧消耗有功&无功功率

图10 母线2A2段功率因数

由上述测试结果可知，厂用电母线的功率因数主要取决于母线有功功率消耗水平的变化，无功功率变化不大，维持在5Mvar左右，同时，母线功率因数基本在0.85左右。

3）测试数据分析

由测试记录数据分析可知，大型辅机起动时，无功功率消耗水平增加，但不及有功功率增加量。两条重载母线无功需求较为平稳，均为5Mvar左右，分析可知，发电厂厂用电系统无功功率消耗水平变动并不大，实际测试数据验证了作为厂用电系统主要无功消耗源的电动机与变压器无功消耗水平较为固定这一理论，但电动机与变压器数量较多，无功消耗总体水平较高。

4 结论

1）通过现场记录实际生产数据参数分析可知，发电厂厂用电系统无功功率消耗水平较稳定，随工况变化并不大，验证了电动机与变压器无功消耗水平较为固定这一理论。同时，发电厂总体无功消耗水平较高，如能针对性进行电容补偿，能够减轻机组的无功输出以及厂用电系统中的无功流动损耗。

2）以发电厂辅机与变压器作为主要无功消耗源，极大程度上影响了发电厂无功水平，而电动机、变压器的无功消耗水平主要取决于硬件结构，较为固定。可采用类似减少电机备用容量，减少无功消耗等方法来解决问题。

3）无功功率消耗对发电厂厂用电系统功率因数、电压、厂用电率及设备利用率等方面产生影响。

[1] 张辉亮, 宋戈, 李晓明. 静止无功补偿装置在某钢铁厂中的应用[J]. 电气技术, 2016, 17(4)： 110-114.

[2] 贺小明, 范岩, 鲍尖措. MMC-STATCOM 在变电站应用中的研究[J]. 电气技术, 2015, 16(5)： 44-48.

[3] 刁浩然, 杨明, 陈芳, 等. 基于强化学习理论的地区电网无功电压优化控制方法[J]. 电工技术学报,2015, 30(12)： 408-414.

[4] 陈泽兴, 叶琳浩, 张勇军, 等. 基于源网电压差值法的220kV电厂电压曲线优化制定[J]. 电工技术学报,2017, 32(13)： 203-209.

[5] 陈柏超, 宋继明, 周攀, 等. 基于MCR和MSVC的220kV变电站多电压等级无功电压综合控制[J]. 电工技术学报, 2015, 30(16)： 230-237.

[6] 宋书军, 黄高潮. 厂矿企业配电系统中无功功率补偿容量计算及补偿设备选用[J]. 电力电容器与无功补偿, 2008, 29(3)： 8-10.

[7] 郑小平. 发电厂厂用电系统无功与经济运行[J]. 科技创新与应用, 2013(32)： 139-140.

[8] 燕红侠, 牛淑芳. 无功补偿与提高功率因数及节能降损的关系[J]. 煤炭技术, 2008, 27(8)： 44-45.

[9] 刘玉雷, 解大, 张延迟. 静止无功补偿器用于抑制厂用电系统电压波动仿真[J]. 电力系统自动化,2006, 30(16)： 97-101.

[10] 张婉琳, 蒋松辉. 无功补偿对节能的意义[J]. 应用能源技术, 2007(1)： 39-41.