cosφ考核下沙屯水电站丰水期机组功率合理分配的探讨

许万升

(广西桂水电力股份有限公司大新发电分公司，广西 大新　532300)



cosφ考核下沙屯水电站丰水期机组功率合理分配的探讨

许万升

(广西桂水电力股份有限公司大新发电分公司，广西 大新532300)

【摘要】由于发电上网电量实行功率因数考核，小水电站丰水期普遍存在因无功电量欠发而被扣款情况，影响电站的经济效益。本文根据“确保安全，提高效益”的原则，以及现行上网电费计算政策，在电站没有进行无功补偿时，对丰水期机组有功、无功最大经济效益分配进行推算，得出最佳运行方案，确定电站丰水期机组有功、无功合理分配运行数值，达到提高经济效益目的。

【关键词】水电站；功率因数考核；丰水期经济运行；有功无功分配

水电是我国最具优势的清洁能源，发展好小水电对能源的综合利用、保护生态环境等具有重大意义。但小水电站由于自身条件限制，丰水期普遍存在发电上网无功不足，特别是丰水期具备超发有功功率的电站，无功欠发更加严重，这在所上网的电网企业实行功率因数考核(以下简称“cosφ考核”)的地区，小水电站因欠发无功，导致被所上网的电网企业扣款，造成不少经济损失，制约着电站的发展。本文以沙屯水电站为例，探讨在水电站在cosφ考核下，如何使机组有功和无功功率合理分配，充分利用水资源，尽大提高电站经济效益。

1电站概况和特点

1.1电站概况

沙屯水电站位于中越边陲小镇——广西大新县硕龙镇归春河流域中下游的国家二级景点沙屯叠瀑旁。归春河流域面积2272 km2，多年平均降雨量1552mm；多年平均流量55.1 m3/s。电站总装机容量2×500kW，年均发电量650万kW·h。

水轮机铭牌技术参数：型号HLA551-WJ-80，水头14~23m，流量3.18~4.08m3/s，出力379~798kW，转速374~479r/min。

发电机铭牌技术参数：型号SFW500-14/1180，额定容量625kVA，出力500~625kW，额定电压400V，额定电流902A，励磁电压56V，励磁电流170A。

1.2电站特点

该电站为无库容调节能力的径流式水电站，装机容量偏小，河水水量利用率较低，电站发电年利用小时数较高，2014年达到5851h。从机组铭牌技术参数中可以看出机组有功出力超额定有功功率能力强，经试验机组最大可以带有功负荷615kW，比额定有功功率500kW多115kW。因装机容量偏小，该电站一年之中至少有6个月机组可以有足够水量超额定有功负荷发电。

2问题的提出

近年来，该电站所在的电网公司对电站上网cosφ考核进行了考核(以前不考核)，根据现行考核要求, 目前收购的上网电在计量计费点，上网电量功率因数按cosφ=0.8考核, 即水电站上网电量按每1kW·h有功电量配0.75kvar·h无功电量收购, 并按每欠1kvar·h无功电量，处0.056元(物价部门核准的有功电量电价0.28元的20%)的处罚，超发(送)的无功电量不罚不奖。

据统计，2014年沙屯电站有功发电量631万kW·h，累计欠发无功218万kvar·h，被电网公司扣款12万元。自电网公司实行上网无功电量考核以来，沙屯电站年均因欠发无功电量受到的罚款至少在10万元以上，给电站造成不少的经济损失。

3原因分析

4应对的措施

根据“确保安全，提高效益”的原则，经技术分析，拟从两方面入手。一是增加电容补偿装置，以考核的功率因素cosφ=0.8为标准，采用电容分组自动投入的方式进行无功补偿。电容无功补偿技术在输、配电系统上比较成熟，可以参照，但需要投入一定的资金和工期。二是在没有进行无功补偿前，综合考虑该电站丰水期间机组能超发至615kW有功的特性，收入的有功电价比欠发无功处罚的电价高，以及发电机容量、有功和无功之间的关系特性(即有功和无功功率是非线性的三角函数关系Q=Ptanφ)，合理安排发电机组有功和无功分配比例，使其实现最大经济效益。那么，丰水期发电机有功和无功的配比是多少才能发挥最大效益呢？下面主要对该问题进行探讨。

5丰水期机组有功、无功最大经济效益分配的推算

根据现行上网电费计算政策，发电上网总收入等于有功电量收入减去欠发无功电量罚款数额[超发(送)的无功电量不罚不奖]，因为丰水期所有的机组均能满发和超发，因此，总的发电收入正比于每小时的单机组的电费收入，每小时单机组的电费收入大则电站总的发电收入就大。单机每小时发电上网收入计算公式为：

(1)

式中Y——单台机组每小时发电上网收入；

YP——单台机组每小时有功电量收入；

YQ——单台机组每小时欠发无功电量罚款数额。

因为

YP=JPPT

(2)

式中JP——有功电量电价，目前为0.28元/(kW·h);

P——每台机组每小时有功功率,kW;

T——时间,h,根据题意,T等于1h。

又因为

Yq= JQQqT

(3)

式中Jq——扣罚的无功电量电价，目前为0.056元/(kW·h);

T——时间,h,根据题意,T等于1h；

Qq——单台机组每小时欠发的无功功率,kar。

以及

Qq=QK-Q

(4)

式中Q——单台机组每小时实发的无功功率;

QK——按考核的功率因数cosφ=0.8计算应发的无功功率;即QK大小等于有功功率P的0.75。

在数值上

QK=0.75P

(5)

故根据式(2)、式(3)和式(4)，式(1)可以做如下展开：

(6)

将上述JP、JQ、T的数值以及QK的数值等式(5)导入式(6)，得：

Y=0.28×P×1- 0.056×1×(0.75P-Q)

=0.28P-0.042P+0.056Q

=0.238P+0.056Q

(7)

图中,S为发电机单机额定容量，即S=625kV·A，φ为功率因数角，根据三角函数公式定义，得

发电机功率向量图

P=Scosφ=625cosφ

(8)

Q=Ssinφ=625cosφ

(9)

将式(8)和式(9)代入式(7)，则单台机组每小时发电上网总收入为：

Y=0.238P+0.056Q

=0.238×625cosφ+0.056×625sinφ

=148.75cosφ+35sinφ

(10)

式(10)是以φ为变量的Y函数，求φ为何值是Y最大，则单机每小时发电上网收入最大。根据高等数学求函数的最大值方法，对式(10)对自变量φ求导，得：

Y(φ)′= -148.75sinφ+35cosφ

令Y(φ)′=0，即

Y′= -148.75sinφ+35cosφ=0

求得φ=13.24°,即功率因数角φ=13.24°时，单台机组每小时发电上网总收入Y最大。将φ=13.24°代入式(8)、式(9)和式(10)，得：

P=Scosφ=625×cos13.24=608(kW)

Q=Ssinφ=625×sin13.24=143(kvar)

Y=148.75cosφ+35sinφ

=148.75cos13.24+35sin13.24

=152.81(元)

即机组在丰水期水量充足时，机组有功和无功最大经济效益分配为：有功功率为608kW、无功功率为143kvar，可实现单机每小时最大发电收入为151.81元，此时功率因数cosφ=cos13.24=0.97。

6丰水期机组有功、无功分配方案的最终确定

因《发电机运行规程》规定“功率因数以0.8为宜，不得超过0.95，必要时方可在功率因数为1的情况下运行”，故分别取额定功率因素cosφ=0.8、cosφ=0.95和以上推算出的最大经济效益分配功率因素cosφ=0.97 为三个运行方案进行比较，运行技术数据详见下表。

三种运行方案的技术数据汇总表

方案一按额定参数运行，运行稳定，不欠发无功，但有功发电不超发，丰水期弃水多，总的电费收入最少。

方案三按最大经济效益进行有功和无功的分配，很好地利用了发电机组能超发的特性，满足有功电价高、扣罚无功电价低的实际，所实现的发电收入最高，但功率因数超过0.95，运行稳定性相对较差，因电压波动可能发生进相运行。

方案二和方案三技术参数相近，优点基本相同，发电收入比方案三仅少一点，同时符合发电规程对功率因素的要求，不影响系统的稳定性。

根据“确保安全，提高效益”的原则，方案二既能保证运行安全，又接近最大效益，因此选择方案二作为沙屯电站丰水期的运行方案，即丰水期沙屯电站每台机组带有功负荷594kW、无功负荷195kvar，cosφ控制在0.95左右。

7运行注意事项及效果

采取方案二方式运行后，对电网电压波动较敏感的机组，通过合理调节励磁系统的调差系数，使其在电网波动时无功增减不明显，不易发生进相运行，同时运行当中控制发电机定子线电流、定子温度在额定范围内，电站按此运行以来，未发现异常情况，达到了预期目的。

采取方案二运行后，沙屯电站每年比按额定功率因素cosφ=0.8运行将增加收入约11万元。

8结语

因为小水电站容量较小，在电网中欠发无功对电网的电压稳定影响微乎其微，加上丰水期水电站机端电压比较高，因此也没必要多发无功。电网公司对小水电上网无功的考核主要是考虑经济利益。在丰水期，小水电站在有功和无功出力发生冲突的情况下，优先发有功，这对电站减少弃水，充分利用水电清洁能源，增加电站效益，具有重要意义，值得此类小水电站借鉴。

Discussion on Xiashatun Hydropower Station unit power rational

distribution during wet season under cosφassessment

XU Wansheng

(GuangxiGuishuiPowerCo.,Ltd.DaxinPowerGenerationBranchCompany,Daxin532300,China)

Abstract:Since power factor assessment is implemented for power generation online electricity, small hydropower station generally suffers from fund deduction condition due to reactive electricity quantities during wet season, and economic benefits of power station is affected. In the paper, when there is no reactive power compensation in power station, active and reactive power maximum economic benefit distribution of the unit during wet season is calculated according to the principles of ‘ensuring safety and improving benefits’ as well as current calculation policy of generation price. The optimal operation plan is obtained. Active and reactive power rational distribution operation values of the power station during wet season are determined, thereby reaching the purpose of improving economic benefits.

Key words:hydropower station; power factor assessment; economic operation during wet season; active and reactive power distribution

DOI:10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2015.11.014

中图分类号：TV734

文献标识码：A

文章编号：1673-8241(2015)11-0043-04