中小型水电站无功输出能力提高的方法探讨

王若,黄玮,李杨

(昆明冶金高等专科学校自动化与电力学院,昆明650033)

中小型水电站无功输出能力提高的方法探讨

王若,黄玮,李杨

(昆明冶金高等专科学校自动化与电力学院,昆明650033)

中小型水电站无功输出不足的问题,具有一定的普遍性。从分析发电机运行原理得出两种提高发电机无功输出的方法:增加励磁电流和维持励磁电流不变适量降低发电机端电压,并针对采取这两种方法产生的一些问题给出了具体的解决方案。

中小型水轮发电机;无功输出;励磁电流;端电压

0 前言

在现代发电站中,总是采用多台同步发电机接在共同的汇流排(母线)上并联运行,而各发电站又并联起来组成强大的电网,这样既可以提高电能的质量及供电的可靠性,又可以提高电站及电机的运行效率,更合理地利用动力资源。水轮发电机属于同步发电机,其运行也不例外。

水轮发电机投入并联后,向电网发出有功功率和无功功率。发电机向电力系统输入有功功率就是发电机作功,其表现形式为向电力系统输入电压及电流。输入的三相有功功率用公式表示为:PN=3 U Icoφs,其中U为发电机端电压,I为发电机定子电流,coφs为功率因素。

无功功率是指在串、并联电路上的电感元件和电容元件之间以及发电机和电力系统之间相互交换的电磁功率。在一个交流电周期内,无功功率的平均功率值为零,即不消耗电能。

电力系统的频率和电压是衡量电能质量的主要指标。系统的稳定主要取决于系统内所有发电机的有功功率和全部有功负荷的平衡;电压质量则主要取决于系统内无功的平衡。为达到理想的负载分配(即按机组的容量大小来分配负载)必须同时兼顾有功功率和无功功率。电机的有功功率和无功功率的调节受与它并联电网的相对容量大小的影响。对于大电网,发电机单机功率的调节对电网的电压和频率影响极微;当电网的容量与发电机容量相差不多时,调节一台发电机的功率,会引起整个电网电压和频率的变化,如要保持其不变,则必须相应的对其他发电机的功率作适当的调节。

在实际运行中,中小型水电站并入大电网运行,因电网电压偏高,存在所发无功不足;而一些由无调节功能的小型水电站供给的小电网,由于远离负荷中心,丰水期水量充足,各水电站超发有功,无功发不足,致使电网电压升高,无功负荷缺额大,有功功率消耗也非常大。为此,笔者从对发电机无功功率的调节及无功功角特性的分析入手,根据电机学原理,探讨提高中小型水轮发电机无功功率的方法和手段。

1 励磁电流对无功输出的影响

接在电网运行的负载类型很多,多数负载除了消耗有功功率外,还要消电感性无功功率,如接在电网上运行的异步电机、变压器、电抗器等。因此电网除了供应有功功率外,还要供应大量滞后性的无功功率。电网所需要的全部无功功率一般由并网的发电机提供,可见调节并网发电机输送给的无功功率对于电力系统正常运行有着重要意义。

电网电压和频率不变,并网发电机的电压和频率将维持常数。如果保持原动机的拖动转矩不变,那么发电机输出的有功功率保持不变,此时调节发电机励磁电流的大小,发电机的运行状态如何?下面作详细分析。

为了便于分析,将发电机看作隐极式同步发电机,并忽略电枢电阻,则发电机输出的无功为:

图1 同步发电机相量图

由隐极电机的相量图(图1),可见

将(2)式代入(1)式得:

(3)式表示无功功率的功角特性。式中:E0为发电机励磁电势,θ为功率角,U为发电机端电压,φ为功率因数角,I为定子电流,X t为发电机的同步电抗。

下面我们用功角特性来说明调节励磁电流对发电机运行状态的影响。设原动机有效功率为PT,发电机运行于功率角θa处,输出有功功率Pa=PT,无功功率为Qa,见图2所示。

图2 调节励磁电流对发电机运行状态的影响

现在维持PT不变,而增大励磁电流,即增大了励磁电动势E0,于是功角特性的幅值增大。这时功角特性由P1变为P2,而运行点由a点变为b点,其功角由θa变为θb,这时的无功功率由Q1变为Q2,而发电机的无功功率由特性Q1上的Qa增加到特性Q2上的Qb。可见,增大励磁电流就增大了无功功率的输出;反之,减少励磁电流将降低无功功率的输出。

根据以上分析,水轮发电机在电站运行时,保持额定电压不变,增加励磁电流,可以提高无功功率输出。

对于已生产制造好的水轮发电机,其励磁绕组匝数、励磁线圈尺寸已定。由外部电源供给励磁的水轮发电机,其励磁损耗为:

其中Pcuf为励磁损耗,IfN额定励磁电流,Rf(75℃)为励磁绕组电阻(75℃时)。由(4)式可知,当励磁电流增大时,损耗Pcuf增大,引起励磁绕组温升升高。如果原有励磁绕组的散热容量没有余量,必然使励磁绕组温升超限,从而影响机组运行的安全可靠性。所以,在这种情况下,采用增加励磁电流来增大无功输出,由于受到励磁绕组温升的限制,收效有限。

综上所述,想要通过增加励磁电流来提高无功功率,需考虑励磁绕组的温升限度,要解决这一问题必须依赖于电机制造厂,制造厂在进行电磁设计时,可将额定励磁电流增大,并按增大后的励磁电流来设计励磁绕组,使其具有一定的调节空间,当增加发电机励磁电流时,控制发电机转子的温升在允许的范围内,另外,提高励磁绕组的绝缘等级也可增大励磁绕组的温升限值。

2 发电机端电压变化时对无功输出的影响

从(3)式可看出,当励磁不变时,Q与θ的关系为余弦函数,如果保持有功输出不变,由于电枢电阻Ra≈0,故PN≈Pem(Pem为发电机的电磁功率),这时有:

图3 U及P不变调节励磁电流时的功角矢量图

由于发电机端电压U基本不变,而Xt在发电机出厂时已定,由(5)、(6)式可知:Icosφ=常数,E0sinθ =常数。

图3表示保持Icosφ=常数,E0sinθ=常数,调节励磁电流If时发电机的相量图。

图4 端电压升高湖发电机功角矢量图

在图3的基础上,假设因外部电网系统电压升高,迫使与之相连的发电机电压U升高到U1,作其功角特性矢量(见图4)。

由图4可知,当发电机运行端电压U升高到U1时,要使发电机的功率因数保持不变,则发电机的励磁电势必须由E增加到E1,显然E1的幅值大于E的幅值。即当发电机功率因数cosφ不变时,发电机所需励磁电势与发电机端电压成正比,即E∝U;当E=常数时,cosφ∝U;因此,E=常数时,sinφ∝U。由于发电机的励磁受其本身的限制,所以可假设其上限励磁值为Emax。当发电机运行于上限Emax时,作出对应于不同发电机端电压时的功角矢量图(图5)

图5 E-E max时端电压升高后发电机功角矢量图

由图5可知,若为发电机上限励磁Emax的情况,则当发电机端电压不同时,其功率因数角φ也不同。由图5可以看出:

当E=Emax,

又sinφ∝φ,Q=U Isinφ,则无功功率Q∝φ。所以,当E=Emax:

由式(7)、(8)、(9)、(10)可看出:在发电机维持励磁上限值的情况下,发电机的端电压越低,则其无功输出越大。因此,降低发电机运行端电压可以提高其无功输出能力。

在电站实际发电过程中,要想通过降低发电机运行端电压来提高无功输出,只有通过对发电机侧主变压器低压绕组的改造,即用增设分接头(改变主变低压绕组的匝数)的方法,来降低发电机的运行端电压,在励磁绕组的散热容量受限的情况下,这是解决无功输出不足的另一种方法。值得注意的是降低端电压时,若保持额定有功不变时,定子电流会增大,这将会引起定子线圈温升增大。当电压低到额定值的95%以下时,发电机应降低额定有功输出。

3 结束语

中小型水电站无功输出不足的问题,具有一定的普遍性。目前,针对这一问题,一些电机制造厂在进行电磁设计时,已采取增大额定励磁电流的措施,考虑到制造成本的问题,设计时,将额定励磁电流在原来的基础上增加5%～10%。对于正在兴建的水电站,建议在主变压器订货时,应向厂家提出增设主变分接头的特殊要求,以达到可以根据实际情况提高无功输出的目的。

[1]许实章主编.电机学(下册)[M].北京;机械工业出版社,1987.

[2]阎治安,崔新艺主编.电机学[M].西安:西安交通大学出版社,2006.

[3]白延年主编.水轮发电机设计与计算[M].北京:机械工业出版社,1990.

[责任编辑 张灿邦]

I mprovement of the Output of Reactive Power in M edium-small Hydroelectric Power Station

WANG Ruo,HUANG W ei,L I Yang
(KunmingMetallurgy College,Kunming 650033,China)

In the paper the authors provided two methods,increasing excitation current and decreasing terminal voltage of generatorwhile keeping the value of excitation current,to improve the reactive power in medium-s mall hydroelectric power station,and discussed the problems of employing the methods and their solution.

medium-s mall sized hydraulic turbine generator;output of reactive power;excitation current;terminal voltage

book=8,ebook=155

04-3

A

1008-9128(2010)04-0047-03

2010-04-12

王若(1964-),女,高级工程师,主要从事水轮发电机设计和理论研究。