發電廠廠用電系統中無功功率運行現狀淺析

張 翼 張 健 呂兆俊 鄒建春

（1. 上海明華電力技術工程有限公司，上海 200090；2. 上海上電漕涇發電有限公司，上海 201507；3. 上海外高橋發電有限公司，上海 200137）

發電廠廠用電系統中配置大量的異步電動機、變壓器等感性負荷，其運行過程中對無功功率需求強烈[1]。發電廠廠用電系統無功功率消耗水平高，引起機組額外的無功功率輸出，從而影響機組對外系統無功輸出的同時，也造成了廠用電系統電壓運行區間下降，廠用電系統損耗增加、影響設備運行穩定性等后果，在大容量輔機起動等沖擊性負荷投入時，廠用電系統電壓劇烈波動[2]，甚至可能觸發廠用輔機的低電壓保護，從而導致嚴重后果。

一直以來，由于發電廠的電源屬性，其自身廠用電系統的無功功率消耗未引起重視，電力系統的電壓/無功控制通常分為分區域/分級控制，實現無功功率分層分區就地平衡[3-5]，作為電源點的發電廠如能減少或針對性補償廠內無功消耗，不僅能減少內部無功流動帶來的損耗，穩定廠用電系統電壓，而且能夠提升輸出無功裕度。因此，有必要針對發電廠廠用電系統的無功功率運行現狀進行評估，這有利于今后有針對性地進行補償和干預，從而達到有效改善電壓質量、降低供電損耗與廠用電率，充分發揮發電設備的生產能力、延長使用壽命的目的。

1 影響廠用電系統無功水平的因素分析

發電廠廠用電系統無功消耗主要分布在廠用輔機與廠用變壓器兩類負載中。發電廠，尤其是燃煤發電廠的高壓廠用輔機主要以大容量三相異步電動機為主，在機組運行過程中，燃燒制粉、循環水、風煙系統等主要輔機系統消耗大量有功功率的同時，對感性無功功率的需求也較為突出[6]。廠用變壓器的無功功率消耗主要來自于變壓器的變壓過程中，通過無功功率建立和維持磁場從而進行能量轉換。另一方面，廠用電系統電壓也對無功功率水平產生影響。

1.1 廠內輔機無功消耗

廠內大功率電動輔機基本以異步電動機為主，其無功消耗由空載無功功率與帶載情況下的無功功率增加量組成，而異步電機定子與轉子之間的氣隙大小是決定其消耗無功功率水平的主要因素，氣隙越大，電動機磁阻越高，磁阻變大，電動機運行時需要的勵磁電流也將升高，其無功功率消耗亦將隨之上升。廠用變壓器的無功消耗以空載無功功率為主，與其負載率的大小無關。

在電動機正常運行時的功率因數隨負載情況變化而變化，一般可通過查表法及公式計算。查表法可通過電動機制造廠商提供的表格進行對應查詢，而一般工程上通過式（1）計算得到電動機運行時的自然功率因數[7]。

式中，cosφN為電機額定功率因數；β 為電機負載率；P為電動機工作瞬時功率（kW）；PN為電動機額定功率（kW）。

在無外部補償的情況下，電動機自然功率因數決定了其無功功率消耗。

1.2 變壓器無功消耗

廠內變壓器亦是無功消耗的重要來源。由于變壓器勵磁感抗XO與漏抗XK遠大于激磁電阻Ro與繞組電阻RK，功率損耗與電流平方以及阻抗大小成正比，因此在運行中的變壓器無功損耗要遠大于有功損耗，出口功率因數較低，無功功率基本消耗于電磁感應[8]。

變壓器無功功率損耗為

式中，ΔQ 為變壓器運行中實際無功消耗（kvar）；Qo為變壓器空載勵磁無功功率（kvar）；QK為變壓器實際激磁無功功率（kvar）；I0%為變壓器空載電流（%）；SN為變壓器額定容量（kVA）；Po為變壓器空載損失（kW）；I為變壓器運行負載電流；XK為變壓器漏抗。

1.3 廠用電系統電壓

廠用電系統電壓受外部網壓、機端電壓以及廠內輔機工況變化影響，大容量輔機起動將引起廠用電電壓向下波動[9]，同時，廠用電母線電壓也將影響設備的無功消耗水平。廠用電系統電壓范圍一般限制為-5%～5%之間，當供電電壓超出規定范圍時，也會對無功水平造成很大的影響。

由式E=4.44fNφm可知，磁通與電壓成正比，勵磁電流隨磁通上升而增大，無功功率也將隨之而提升，當供電電壓高于額定值的10%時，受磁路飽和的影響，廠內輔機與變壓器的無功功率消耗將增長很快。有關資料統計，當供電電壓為額定值的110%時，相同負載無功功率消耗將增加35%左右。當供電電壓低于額定值時，無功功率也相應減少，而使它們的功率因數有所提高[10]。

2 無功功率對廠用電系統影響

無功功率主要影響廠用電系統功率因數、電壓與廠用電率。

2.1 無功功率對廠用電系統功率因數的影響

由于廠用輔機工況變化，廠用電系統功率因數也將隨之波動，輔機無功功率相對固定，但在輔機有功負荷較輕時，系統功率因數處于較低水平。

廠用輔機低負荷、空載運轉會造成電動機自然功率因數偏低，因此在廠用輔機選型時，應合理選擇電動機容量，使之與機械負載相匹配，提高電動機的負載率是改善其自然功率因數以及全廠功率因數的主要方法之一。

2.2 無功功率對廠用電系統電壓的影響

發電廠廠用電系統電壓受到機組無功功率輸出、系統網壓、廠用電系統輔機工況、無功消耗等因素影響，其中，機組無功功率輸出起到支撐電壓的作用，而廠用電系統消耗無功功率將抵消一部分機組的無功功率輸出。此外，目前絕大多數入網機組均配置了自動電壓控制（AVC）系統，AVC根據系統網壓、潮流等參數自動調節機組自動電壓調節器（AVR）的無功功率出力以達到穩定系統電壓的目的，機組輸出以及廠用電系統消耗無功功率的變化同時影響機端電壓水平，而廠用電系統電壓隨發電機機端電壓的變化而產生相應變化。當機端電壓或廠用電系統電壓過高或過低時，AVC系統將單向閉鎖甚至反向調節機組無功輸出，無法持續滿足網側電壓調節需求。因此，廠用電系統電壓不僅受到廠內部無功輸出與消耗的影響，還取決于外部無功平衡與電壓波動。

2.3 無功功率對廠用電率的影響

由電廠廠用電率計算式（4）可知，發電廠廠用電率指的是統計期內，機組運行內廠用電系統中設備消耗的有功消耗量總和與整個發電量的百分比率，即

式中，e為廠用電率（%）；Wf為總發電量（kW·h）；Wsw為上網電量（kW·h）；Wxh為廠用電有功消耗量（kW·h）。

由于無功功率潮流在電源、配電線路、負載之間流動，所以無功功率在網內各元件的阻抗回路中將產生相應的有功損耗。作為廠用負荷中的重要組成部分，廠用輔機及變壓器由無功功率而產生的損耗不容忽視。

電動機的綜合功率損耗主要由有功功率損耗與無功功率損耗兩部分組成。綜合功率損耗參照標準GB 12497—2006中電動機綜合功率計算主要通過式（5）得到

式中，ΣPc為電動機綜合功率損耗（kW）；ΣP為電動機有功損耗（kW）；KQ為無功經濟當量（kW/kvar）。

工程上以無功經濟當量KQ表征1kvar無功功率所引起的有功功率損耗，KQQ即為電動機無功消耗引起的有功損耗。按照標準GB 12497—2006中的規定，在未經過無功補償的廠用電系統中，一臺廠用輔機所消耗的無功功率由發電機或高備變提供，從發電機出口經過廠變進入廠用電母線，KQ取0.05～0.07，由高備變供電時，KQ應取0.08～0.1。

同時，由無功經濟當量系數可以看出，隨著傳輸線路、變壓環節的的增加，傳輸無功功率將引起更多的有功損耗。

綜上所述，廠用電系統中廠用輔機和變壓器數量眾多，廠用電系統的無功功率消耗將引起一定的有功損耗增加，而有功損耗的升高將直接增加廠用電率。

2.4 無功功率對廠內設備利用率的影響

廠用電系統中變壓器運行容量SN為

結合圖1容易得出，在負載有功功率一定的前提下，若能夠增加負載側的就地無功功率補償以減少變壓器無功功率傳輸量，即相應增加了變壓器容量儲備ΔS，則減少的無功功率傳輸容量可增加相應有功功率的利用率。類似地，廠用電系統中動力電纜、開關等設備有功功率利用率也變相地得到增加。

圖1 變壓器能量傳輸示意圖

3 實際測試數據及數據分析

3.1 試驗環境

為了更直觀準確地分析發電企業廠用電系統無功功率消耗以及分布情況，本文選擇上海某百萬機組發電廠作為測試目標電廠，開展廠用電系統無功功率測試。該電廠共有兩臺1000MW燃煤發電機組，廠用輔機眾多，每臺機組連接兩臺高廠變，每臺高廠變分別對應兩條6kV廠用電母線，即每臺機組對應4條母線，其中兩條重載母線、兩條輕載母線。

圖2 上海某電廠全廠廠用電系統6kV母線接線圖

該廠廠用電6kV母線接線圖如圖2所示，其中1A1、1B1、2A1、2B1為重載母線，其余為輕載母線，重載母線連接的主要大型輔機包括：一次風機、吸風機、增壓風機、循泵等；輕載母線連接的大型輔機主要為一次風機、凝泵、漿液循環泵等。全廠功率大于1000kW的輔機見表1。

表1 全廠功率大于1000kW的輔機列表

3.2 測試內容與目標

本測試對象分為典型大容量輔機與廠用電母線的無功與電壓情況，測試主要目標是獲取兩方面數據，一方面是機組典型輔機與廠用母線的有功與無功需求，另一方面是典型輔機與廠用母線的功率因數變化，由于功率因數由無功與有功功率共同決定，因此，需同時對試驗目標的有功及無功功率數據進行記錄。

測試內容主要包括典型大容量輔機起動升負荷過程以及機組正常運行工況下廠用母線的無功消耗監測，被測對象分別為典型輔機與典型廠用電母線。在典型輔機的選擇上，由于大容量輔機運行中無功功率消耗大，對廠用電系統功率因數影響也較為明顯，因此在可選擇的范圍內中，本文選擇了功率較大的增壓風機 2A作為目標輔機，同時，為了在廠用母線測試中便于比較分析，本文選擇一條重載廠用電母線2A1與輕載廠用電母線2A2作為目標母線。

3.3 測試結果與分析

1）典型輔機測試

機組起動后，機組負荷由350MW上升至950MW過程，歷時12min左右。同時針對典型大容量輔機-增壓風機的有功、無功、電流、電壓、功率因數等電氣參數進行在線錄波，錄波結果如圖3至圖10所示。

由上述測試結果可知，增壓風機 2A由起動至高負荷階段初期機端功率因數較低，隨著負荷增加，有功功率與無功功率均有所上升，功率因數也隨之提高，功率因數最大值為 0.85。同時，通過電壓曲線可以看出，在輔機起動工況下，電壓有較大幅度的波動。

圖3 增壓風機2A功率因數

圖4 增壓風機2A無功功率

圖5 增壓風機2A有功功率

圖6 增壓風機2A進線電壓

圖7 母線2A1進線側消耗有功&無功功率

2）廠用電母線測試

母線測試工況：機組負荷保持在700MW左右，以6kV 2A1母線以及2A2母線進線側作為測試點，各連續在線錄波一天以上時間。錄波結果如圖6至圖9所示。

圖8 母線2A1段功率因數

圖9 母線2A2進線側消耗有功&無功功率

圖10 母線2A2段功率因數

由上述測試結果可知，廠用電母線的功率因數主要取決于母線有功功率消耗水平的變化，無功功率變化不大，維持在5Mvar左右，同時，母線功率因數基本在0.85左右。

3）測試數據分析

由測試記錄數據分析可知，大型輔機起動時，無功功率消耗水平增加，但不及有功功率增加量。兩條重載母線無功需求較為平穩，均為5Mvar左右，分析可知，發電廠廠用電系統無功功率消耗水平變動并不大，實際測試數據驗證了作為廠用電系統主要無功消耗源的電動機與變壓器無功消耗水平較為固定這一理論，但電動機與變壓器數量較多，無功消耗總體水平較高。

4 結論

1）通過現場記錄實際生產數據參數分析可知，發電廠廠用電系統無功功率消耗水平較穩定，隨工況變化并不大，驗證了電動機與變壓器無功消耗水平較為固定這一理論。同時，發電廠總體無功消耗水平較高，如能針對性進行電容補償，能夠減輕機組的無功輸出以及廠用電系統中的無功流動損耗。

2）以發電廠輔機與變壓器作為主要無功消耗源，極大程度上影響了發電廠無功水平，而電動機、變壓器的無功消耗水平主要取決于硬件結構，較為固定。可采用類似減少電機備用容量，減少無功消耗等方法來解決問題。

3）無功功率消耗對發電廠廠用電系統功率因數、電壓、廠用電率及設備利用率等方面產生影響。

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