發電機無功功率與電力系統穩定性研究

孔琳琳

（國家能源聊城發電有限公司，山東 聊城 252000）

0 引 言

發電機是我國電力系統的重要組成部分，在極大程度上影響了電力系統運行的穩定性，進而對人們的生活產生了較大影響。針對發電機無功功率與電力系統穩定性進行研究，能夠為我國電力系統的發展提供相應的數據支持，進而提升我國電力系統的整體運行質量。

1 發電機發展前景

近些年，我國經濟處于飛速發展階段，出現電力供應不足的情況。伴隨著科技的不斷發展，各種先進的電力電子技術和計算機技術被應用于發電機研發工作，極大地提升了發電機行業的發展水平。在稀土永磁材料和磁性復合材料等新材料的支持下，我國發電機制造不斷改進與完善，其應用效率不斷提升。

我國對發電機的需求較高。從發電機的銷售情況來看，從2013-2017年，發電機行業銷售收入分別為7 400.11億元、7 948.08億元、8 107.99億元、8 786.74億元以及8 884.25億元。可以看出，我國發電機行業具有較大的發展空間。

從全球角度分析，現階段全球各個國家在發展過程中對資源的大量使用與浪費加重了全球性能源危機。在這種環境影響下，各個國家在進行發電機研究的過程中更加注重節能環保，提高了發電機在實際應用中的效率，降低了對資源的浪費[1]。

2 發電機無功功率與電力系統穩定運行研究的重要意義

從發電機的研究目標出發，最重要的是利用先進的發電機技術緩解現階段我國發展過程中電力不足和電能質量不高的窘境。發電機無功功率對電能質量和電力系統的穩定性有著極大影響，因此研究發電機無功功率與電力系統穩定運行有重要意義。

2.1 提升電力穩定性

穩定性是保證電力得到充分應用的必要保障。對發電機無功功率與電力系統穩定運行進行研究，能夠為我國電力系統的改進與完善提供相應的數據支持，提升電力系統運行的穩定性。

2.2 保證社會發展的穩定性

從現階段我國發展的實際情況看，人們生活的方方面面和社會的發展都需要穩定的電力支持。一旦電力供應出現問題，則會影響人們的正常生活和社會的整體發展。

2.3 提高電力系統運行的經濟效益

從現有數據中可知，調節發電機無功出力情況對電力系統進行調整所耗費的資源整體偏低。相比于其他提升電力系統穩定性的手段而言，它在應用過程中更加經濟，更符合現階段我國電力系統發展的實際需求。

3 發電機無功功率概述

發電機無功功率是影響發電運行質量的重要因素，因此將從發電機無功功率的概念、無功補償以及危害性等方面進行闡述與分析。

3.1 無功功率的概念

無功功率指的是發電機在實際運行過程中，為建立交變磁場和感應磁通所需要的電功率。在實際應用過程中，一般情況下不對外做功，只應用于電能與磁能之間的相互轉化。而從發電機的實際應用情況來看，一般情況下只有發電機產生無功功率時，才能夠產生相應的有功功率[2]。

3.2 發電機穩態運行的無功功率

從發電機的實際運行情況來看，功率可表示為：

可推測出，發電機的實際運行中，有功功率P和無功功率Q的表達式分別為：

3.3 同步發電機無功調節

從發電機的實際運行情況來看，發電機在運行過程中主要通過勵磁電流進行無功功率的控制。在發電機有功出力不變的情況下，調節勵磁電流，它的同步發電機的向量圖如圖1所示，而在發電機全相運行時，向量圖如圖2所示。可見，在降低發電機勵磁電流的情況下，它的電磁轉矩下降。由于原動機轉矩恒定，因此發電機的無功功率也下降。

圖1 發電機勵磁電流減少時矢量圖

圖2 發電機進相運行臨界矢量圖

3.4 無功功率補償

3.4.1 無功功率補償的意義

發電機在實際運轉過程中的無功功率會影響電力系統的整體運行，而這種影響能夠通過無功功率補償降低。無功功率補償在穩定電力系統的端電壓的同時，能夠提升電力系統穩定性和運送電能的高效性，使電力系統運行更加滿足人們的實際需求。

3.4.2 無功功率補償的原理

電力系統十分復雜。一般電路中的元件包含感性負載和容性負載，兩者之間的相位差為180°。感性負載能夠吸收容性負載所釋放的能量，容性負載也能夠吸收感性負載所釋放的能量，兩者以兩者之間的負荷作為媒介進行能量的相互轉化，進而使發電機在運行過程中所消耗的無功功率得到相應的填補。

3.4.3 無功功率補償形式

無功功率補償能夠在較大程度上提升電力系統運行的穩定性。實際中，各個單位在進行無功功率補償的過程中通常使用集中補償、分散性補償和個別補償3種形式。

第一，集中補償。這種補償方式是實際生活中應用最廣泛的一種補償方式。在實際應用過程中，根據電力設備對無功補償的實際需求，將補償所需要用的電容器連接到同一條給電線路中。這種補償方式最突出的優點是能夠使電力系統長期處于一種穩定運行狀態，但是若是電容器均處于低壓狀態，會出現補償過大的情況。

第二，分散性補償。這種方式與集中補償方式的不同在于，在實際應用過程中是各個電容器分別裝在用電支路的母線上。這種補償方式在實際應用過程中靈活且便于控制，其中電容器能夠按照實際需求自由地斷開[3]。

第三，個別補償。個別補償在實際應用過程中需要調查個別電器無功功率的需求量，并按照調查結果，將一個或者幾個電容器與電路中的電氣設備并聯，進而通過控制電氣設備實現功率補償，同時控制電容器的投入或斷開，以保證無功電流的均衡性。

3.5 無功功率調節不當的負面影響

電力系統在運行過程中會產生無功功率，影響電力系統中的電流和電壓等數據。無功功率調節不當會造成電力系統在運行過程中呈現不穩定狀態，影響電力系統的供電質量，甚至會帶來較為嚴重的安全隱患。從現階段的實際情況出發，無功功率會造成4方面的危害。

3.5.1 增大供電系統運行調整的難度

系統在運行過程中無功功率的變化，會影響供電系統中的多種設備。相關人員為保證整體電力系統供應的穩定性，需要調整電力系統中的多種設備，以保證電力系統供電的穩定性。

3.5.2 增大設備和線路中的損耗

發電機實際運行過程中，無功功率的增加會造成整體電路中的電流增大，進而造成設備和線路中電能的損耗程度增大，帶來較嚴重的電力浪費。

3.5.3 影響發電機和其他設備的正常運行

從電力系統和發電機的實際運行情況來看，無功功率的變化會造成電壓的變化，而電壓在產生劇烈變化的情況下會影響設備運行的穩定性。

3.5.4 影響電力系統運行的穩定性

無功功率在產生巨大變化的情況下，電力系統中的電流和電壓等會產生較大變化。這種情況會造成大型設備中三相無功功率負荷嚴重不對稱而影響設備運行的穩定性，從而帶來較為嚴重的安全隱患。

4 無功功率對電力系統穩定運行的影響

4.1 無功功率對發電機的影響

從發電機的實際運行情況來看，無功功率對發電機的影響主要表現在兩個方面。

一方面，功率因數影響。功率因數與無功功率有著較大的關聯。功率因數變高時，功率會呈現降低趨勢。這種情況會造成勵磁電流下降，而勵磁電流下降會造成發電機轉子與定子之間的磁吸力減小，進而打破發電機運行的穩定狀態[4]。功率因數降低時，無功功率會呈現上升趨勢。為保證整個電力系統運行的質量，勵磁電流隨之增加。這種情況會造成轉子繞組發熱情況，影響電力系統的運行穩定性。

另一方面，在有功功率滿負荷的情況下，發電機中的功率因素會增高，易造成無功功率過低問題。理論上講，無功功率越低，發電機的經濟效益越高，越能夠滿足人們的實際需求。但是，從實際角度出發，無功功率較低會破壞發電機的穩定性，使發電機在實際運行中產生擾動而失去同步運行狀態，極易發生危險。功率因數處于較低情況時，無功功率會增高，勵磁電流會為滿足整體運行的穩定性而增高，此時轉子繞組的溫度會增高。轉子繞組長時間處于高溫狀態會加速設備老化，甚至觸發發電機跳閘，嚴重影響電力系統運行的穩定性。

4.2 無功功率與系統電壓的關系

系統電壓的穩定在火電廠運行過程中有著極其重要的作用。例如，火電廠在運行過程中，電壓過低會使電動機所驅動的風機、給水泵等設備轉速降低，造成鍋爐和汽輪機的出力降低而影響供電質量。

從電力系統實際運行情況來看，線路和變壓器中的電壓損耗與其工作狀態有著極大關系。在高壓系統中，無功功率是決定其電壓的重要因素。無功功率和電壓的控制與有功功率和頻率的控制存在區別，主要表現在兩個方面。一方面，電力系統處于穩態中，系統中各個點的頻率相同，各個點之間的電壓不同。另一方面，在進行電壓調節的過程中，除了對電力系統的發電機進行調節外，也可以在電力系統中增加相應的無功補償設備和帶負荷的調整結構變壓器來調節電壓，從而在最大程度上保證電力系統運行的穩定性。

5 降低無功功率對電力系統穩定運行影響的措施

無功功率在電力系統穩定運行中有著極其重要的作用。為保證電力系統的穩定正常運行，需要相關人員重視無功功率的控制工作，降低無功功率對電壓等的影響。從現階段的實際情況來看，利用無功功率控制電壓來保證電力系統運行穩定，需要滿足以下4個方面的要求。第一，保證電力系統在實際運行過程中能夠輸送較為穩定的電壓，進而保證無功功率的穩定性。第二，保證電力系統運行過程中各方面數據的平穩變化，降低電壓閃爍情況，提升系統整體運行的穩定性。第三，電力系統運行過程中，需要保證其運輸過程中電壓和電流等的穩定，進而降低電力系統運輸電力過程中所造成的能量浪費情況。第四，電力系統在實際運行過程中需要加大運維人員對電力系統設備維護的重視程度，制定合理的維護要求和維護周期，及時發現設備隱患，以保證設備高效使用。

6 結 論

通過研究可以得出結論，發電機無功功率在電力系統穩定運行中有著極其重要的作用，因此我國在電力系統運行的過程中需要根據實際情況做好發電機無功出力的合理安排，從而保證電力系統運行的穩定性與安全性。