发电机无功功率与电力系统稳定性研究

孔琳琳

（国家能源聊城发电有限公司，山东 聊城 252000）

0 引 言

发电机是我国电力系统的重要组成部分，在极大程度上影响了电力系统运行的稳定性，进而对人们的生活产生了较大影响。针对发电机无功功率与电力系统稳定性进行研究，能够为我国电力系统的发展提供相应的数据支持，进而提升我国电力系统的整体运行质量。

1 发电机发展前景

近些年，我国经济处于飞速发展阶段，出现电力供应不足的情况。伴随着科技的不断发展，各种先进的电力电子技术和计算机技术被应用于发电机研发工作，极大地提升了发电机行业的发展水平。在稀土永磁材料和磁性复合材料等新材料的支持下，我国发电机制造不断改进与完善，其应用效率不断提升。

我国对发电机的需求较高。从发电机的销售情况来看，从2013-2017年，发电机行业销售收入分别为7 400.11亿元、7 948.08亿元、8 107.99亿元、8 786.74亿元以及8 884.25亿元。可以看出，我国发电机行业具有较大的发展空间。

从全球角度分析，现阶段全球各个国家在发展过程中对资源的大量使用与浪费加重了全球性能源危机。在这种环境影响下，各个国家在进行发电机研究的过程中更加注重节能环保，提高了发电机在实际应用中的效率，降低了对资源的浪费[1]。

2 发电机无功功率与电力系统稳定运行研究的重要意义

从发电机的研究目标出发，最重要的是利用先进的发电机技术缓解现阶段我国发展过程中电力不足和电能质量不高的窘境。发电机无功功率对电能质量和电力系统的稳定性有着极大影响，因此研究发电机无功功率与电力系统稳定运行有重要意义。

2.1 提升电力稳定性

稳定性是保证电力得到充分应用的必要保障。对发电机无功功率与电力系统稳定运行进行研究，能够为我国电力系统的改进与完善提供相应的数据支持，提升电力系统运行的稳定性。

2.2 保证社会发展的稳定性

从现阶段我国发展的实际情况看，人们生活的方方面面和社会的发展都需要稳定的电力支持。一旦电力供应出现问题，则会影响人们的正常生活和社会的整体发展。

2.3 提高电力系统运行的经济效益

从现有数据中可知，调节发电机无功出力情况对电力系统进行调整所耗费的资源整体偏低。相比于其他提升电力系统稳定性的手段而言，它在应用过程中更加经济，更符合现阶段我国电力系统发展的实际需求。

3 发电机无功功率概述

发电机无功功率是影响发电运行质量的重要因素，因此将从发电机无功功率的概念、无功补偿以及危害性等方面进行阐述与分析。

3.1 无功功率的概念

无功功率指的是发电机在实际运行过程中，为建立交变磁场和感应磁通所需要的电功率。在实际应用过程中，一般情况下不对外做功，只应用于电能与磁能之间的相互转化。而从发电机的实际应用情况来看，一般情况下只有发电机产生无功功率时，才能够产生相应的有功功率[2]。

3.2 发电机稳态运行的无功功率

从发电机的实际运行情况来看，功率可表示为：

可推测出，发电机的实际运行中，有功功率P和无功功率Q的表达式分别为：

3.3 同步发电机无功调节

从发电机的实际运行情况来看，发电机在运行过程中主要通过励磁电流进行无功功率的控制。在发电机有功出力不变的情况下，调节励磁电流，它的同步发电机的向量图如图1所示，而在发电机全相运行时，向量图如图2所示。可见，在降低发电机励磁电流的情况下，它的电磁转矩下降。由于原动机转矩恒定，因此发电机的无功功率也下降。

图1 发电机励磁电流减少时矢量图

图2 发电机进相运行临界矢量图

3.4 无功功率补偿

3.4.1 无功功率补偿的意义

发电机在实际运转过程中的无功功率会影响电力系统的整体运行，而这种影响能够通过无功功率补偿降低。无功功率补偿在稳定电力系统的端电压的同时，能够提升电力系统稳定性和运送电能的高效性，使电力系统运行更加满足人们的实际需求。

3.4.2 无功功率补偿的原理

电力系统十分复杂。一般电路中的元件包含感性负载和容性负载，两者之间的相位差为180°。感性负载能够吸收容性负载所释放的能量，容性负载也能够吸收感性负载所释放的能量，两者以两者之间的负荷作为媒介进行能量的相互转化，进而使发电机在运行过程中所消耗的无功功率得到相应的填补。

3.4.3 无功功率补偿形式

无功功率补偿能够在较大程度上提升电力系统运行的稳定性。实际中，各个单位在进行无功功率补偿的过程中通常使用集中补偿、分散性补偿和个别补偿3种形式。

第一，集中补偿。这种补偿方式是实际生活中应用最广泛的一种补偿方式。在实际应用过程中，根据电力设备对无功补偿的实际需求，将补偿所需要用的电容器连接到同一条给电线路中。这种补偿方式最突出的优点是能够使电力系统长期处于一种稳定运行状态，但是若是电容器均处于低压状态，会出现补偿过大的情况。

第二，分散性补偿。这种方式与集中补偿方式的不同在于，在实际应用过程中是各个电容器分别装在用电支路的母线上。这种补偿方式在实际应用过程中灵活且便于控制，其中电容器能够按照实际需求自由地断开[3]。

第三，个别补偿。个别补偿在实际应用过程中需要调查个别电器无功功率的需求量，并按照调查结果，将一个或者几个电容器与电路中的电气设备并联，进而通过控制电气设备实现功率补偿，同时控制电容器的投入或断开，以保证无功电流的均衡性。

3.5 无功功率调节不当的负面影响

电力系统在运行过程中会产生无功功率，影响电力系统中的电流和电压等数据。无功功率调节不当会造成电力系统在运行过程中呈现不稳定状态，影响电力系统的供电质量，甚至会带来较为严重的安全隐患。从现阶段的实际情况出发，无功功率会造成4方面的危害。

3.5.1 增大供电系统运行调整的难度

系统在运行过程中无功功率的变化，会影响供电系统中的多种设备。相关人员为保证整体电力系统供应的稳定性，需要调整电力系统中的多种设备，以保证电力系统供电的稳定性。

3.5.2 增大设备和线路中的损耗

发电机实际运行过程中，无功功率的增加会造成整体电路中的电流增大，进而造成设备和线路中电能的损耗程度增大，带来较严重的电力浪费。

3.5.3 影响发电机和其他设备的正常运行

从电力系统和发电机的实际运行情况来看，无功功率的变化会造成电压的变化，而电压在产生剧烈变化的情况下会影响设备运行的稳定性。

3.5.4 影响电力系统运行的稳定性

无功功率在产生巨大变化的情况下，电力系统中的电流和电压等会产生较大变化。这种情况会造成大型设备中三相无功功率负荷严重不对称而影响设备运行的稳定性，从而带来较为严重的安全隐患。

4 无功功率对电力系统稳定运行的影响

4.1 无功功率对发电机的影响

从发电机的实际运行情况来看，无功功率对发电机的影响主要表现在两个方面。

一方面，功率因数影响。功率因数与无功功率有着较大的关联。功率因数变高时，功率会呈现降低趋势。这种情况会造成励磁电流下降，而励磁电流下降会造成发电机转子与定子之间的磁吸力减小，进而打破发电机运行的稳定状态[4]。功率因数降低时，无功功率会呈现上升趋势。为保证整个电力系统运行的质量，励磁电流随之增加。这种情况会造成转子绕组发热情况，影响电力系统的运行稳定性。

另一方面，在有功功率满负荷的情况下，发电机中的功率因素会增高，易造成无功功率过低问题。理论上讲，无功功率越低，发电机的经济效益越高，越能够满足人们的实际需求。但是，从实际角度出发，无功功率较低会破坏发电机的稳定性，使发电机在实际运行中产生扰动而失去同步运行状态，极易发生危险。功率因数处于较低情况时，无功功率会增高，励磁电流会为满足整体运行的稳定性而增高，此时转子绕组的温度会增高。转子绕组长时间处于高温状态会加速设备老化，甚至触发发电机跳闸，严重影响电力系统运行的稳定性。

4.2 无功功率与系统电压的关系

系统电压的稳定在火电厂运行过程中有着极其重要的作用。例如，火电厂在运行过程中，电压过低会使电动机所驱动的风机、给水泵等设备转速降低，造成锅炉和汽轮机的出力降低而影响供电质量。

从电力系统实际运行情况来看，线路和变压器中的电压损耗与其工作状态有着极大关系。在高压系统中，无功功率是决定其电压的重要因素。无功功率和电压的控制与有功功率和频率的控制存在区别，主要表现在两个方面。一方面，电力系统处于稳态中，系统中各个点的频率相同，各个点之间的电压不同。另一方面，在进行电压调节的过程中，除了对电力系统的发电机进行调节外，也可以在电力系统中增加相应的无功补偿设备和带负荷的调整结构变压器来调节电压，从而在最大程度上保证电力系统运行的稳定性。

5 降低无功功率对电力系统稳定运行影响的措施

无功功率在电力系统稳定运行中有着极其重要的作用。为保证电力系统的稳定正常运行，需要相关人员重视无功功率的控制工作，降低无功功率对电压等的影响。从现阶段的实际情况来看，利用无功功率控制电压来保证电力系统运行稳定，需要满足以下4个方面的要求。第一，保证电力系统在实际运行过程中能够输送较为稳定的电压，进而保证无功功率的稳定性。第二，保证电力系统运行过程中各方面数据的平稳变化，降低电压闪烁情况，提升系统整体运行的稳定性。第三，电力系统运行过程中，需要保证其运输过程中电压和电流等的稳定，进而降低电力系统运输电力过程中所造成的能量浪费情况。第四，电力系统在实际运行过程中需要加大运维人员对电力系统设备维护的重视程度，制定合理的维护要求和维护周期，及时发现设备隐患，以保证设备高效使用。

6 结 论

通过研究可以得出结论，发电机无功功率在电力系统稳定运行中有着极其重要的作用，因此我国在电力系统运行的过程中需要根据实际情况做好发电机无功出力的合理安排，从而保证电力系统运行的稳定性与安全性。