小水电无功电量不足原因分析及改善措施

苏英

（大理供电有限公司调度所，云南 大理671000）

1 前言

小水电的并网在一定程度上缓解了大电网电力不足的局面，但是这些并网的小水电机组发出的基本全是有功功率，发电机运行在“欠励磁”状态。发电机从电网中吸取感性无功功率以维持机组运行，使并网线路功率因数降低，加大了电网的有功损耗。因而造成发电上网的不合理性，线路一直运行在较低的功率因数下，加大了并网线路的电力损失。

2 并网小水电无功出力不足的原因分析

通过对小水电站的实地考察，分析了造成小水电机组欠发无功和线路损耗加大在设备和管理两方面的原因。

2.1 设备因素

2.1.1 线路参数不合适，致使发电机发出无功减少。由于小水电大多处于偏远地区，通过10kV配电线路或分支线入网，存在线路较长、电压等级不高、导线截面偏小等问题。同步发电机的空载电动势可简化表示为:

式中，E0为发电机的空载电势(V或kV)，I为发电机输出电流(A)；UN为电网额定电压(V或kV)；ZN为输电线路额定阻抗(Ω)。

电网电压可以认为是恒定的，而发电机的空载电势也可以说是一定的，从式中可以看出:如果输电线路越长导线截面越小，亦即阻抗越大，则发电机输出电流就越小;如果发电机的原动力不变，电流中的有功分量IP也基本不变，减小的主要是无功电流分量IQ，所以发电机向电网输送的无功功率减小。

2.1.2 升压变压器选用不当。小水电在配置主变压器时，由于种种原因，购不到合适的升压变压器，而采用降压变压器;又由于输电线路比较长且降压比较大，而大电网为了确保10kV供电区的各条线路末端电压合格，其10kV线路以10.5kV电压运行;因此当小水电站以降压变压器作升压变压器使用时，升压变压器端电压既要与大电网潮流电压平衡，又必须克服线路阻抗产生的压降，因而并网小水电的升压变压器的高压侧端电压常要高于运行电压10.5kV水平，这时有可能使发电机的机端电压要升高约1.1～1.15倍左右的额定电压才能并网发电。发电机机端电压升高，甚至超过额定电压运行的极限状态，导致发电机的功率因数值也随之升高，功率因数上升，从而也就限制了无功的输出。

2.1.3 发电机的励磁系统容量不足。运行中，随着并网机组所带负荷的增加，机端电压相应升高，当机端电压达到1.05Ue时，定子铁芯已经相当饱和，在电枢反应去磁作用下，所需励磁电流较大，继续增加励磁电流虽然无功出力和机端电压稍有增加，但发热严重，限制了励磁调节，也就限制了无功输出。

2.2 管理因素

2.2.1 根据政策，目前收购的上网电，在计量计费点，按功率因数等于0.8计算，即1kW·h有功配7.5kvar·h无功收购，并按欠3kvar·h扣除1kW·h有功。对于径流式小水电站来说，在丰水期，为了尽量减少弃水，抢发有功，减发无功，宁可扣除部分电费，造成发无功不足的现象。

2.2.2 大部分的小水电发电机只有手动励磁系统，有些虽然有比较先进的自动励磁装置，但值班人员有意关掉该系统，而启用手动励磁装置。只有手动调节甚至是不调节励磁电流，单靠起始时建立的很小的空载电压的电流，使发电机的空载电压、频率和大电网的参数一致时合闸并网。由于大电网相当于小水电来说是一个无限大的电网，发电机端的电压基本不变，于是并网后加大水轮机导水叶的开启角度，使其满载输出有功功率，并没有根据有功输出的大小相应调节无功输出的比例，即没有按功率因数保持在0.8左右并网运行。

2.2.3 值班人员错误地认为向电网发无功，必然影响有功的输出，有意将励磁调至最小，使发电机在“欠励磁”状态下运行，加重电网中的无功负担，造成不应有的有功损耗。但实际上，无功电量的输出只是一种能量交换的模式，它并不消耗水轮机的输入功率，所以原则上说增加励磁电流不会影响发电机的有功输出，有功输出能力只与输入功率大小有关，即与水轮机的导水叶开启角度大小有关，所以应及时调节励磁电流，使其有功无功比例在合理范围内并网运行。

3 改善并网小水电所发无功不足的措施

3.1 做好调度配合管理工作小水电上网发电必须服从电网的统一调度管理，遵守调度规程，执行调度命令，做好运行记录。对于有库容的电站，要充分利用和调节水库库容，利用水库水源的调节能力，调节水轮发电机组发电能量，控制有功出力，多发无功。在枯水季节，自然来水量小，利用库容调节发电能力，在不溢洪弃水的前提下，保持一定的发电能力，降低有功出力，使发电机转子保持在额定励磁电流下运行。这样，发电机可以带满无功负荷运行，为电网多送无功能量。

3.2 整改输电线路或在较近处并网改造陈旧、导线截面较小的输电线路，更换较大截面的导线。在较近处并网可以减少并网线路的阻抗，降低线路压降，以降低发电机的运行电压，保持发电机应有的出力。

3.3 调换或改造现行的升压变压器为解决小水电无功欠发的问题，首先对现行小水电站已使用普通降压变压器作为升压变压器的，在条件允许的情况下，可考虑调换1台符合要求的升压变压器。必要时可与厂家商量，采用非标生产加工，使这台变压器运行时能降低低压侧电压。其次是对现行的变压器进行改造，在铁芯空间允许的情况下，可采用增加变压器绕组匝数，以原绕组的10%为限，匝数增加后，将三档的抽头按原要求进行改接。

3.4 改善发电机的励磁系统，增加无功功率要使发电机在额定有功出力下能发出额定的无功功率，就必须提高发电机的励磁电流。要调节和改善发电机的励磁系统，就应增加励磁系统的容量或者配备自动励磁装置，使之在允许的前提下，使发电机获得足够的励磁电流。并网发电机在有功功率一定的情况下，由于电网电压不变，通过增加励磁电流后，磁通增加。但由于发电机端电压受电网电压限制不能升高，即发电机磁通增加后，电枢绕组就出现一个滞后于电势的电流，并产生去磁的电枢反应，以抵消主磁通的增加，此时发电机即发出感性无功，从而多发无功功率。

3.5 安装并联电容器，进行无功补偿小水电大多为400V的低压发电机组，可以采用整套的低压电容器补偿屏，在小水电站的低压母线上进行无功补偿。补偿容量按功率因数不大于0185为标准。这样就保证小水电送出总的有功功率只是在较高功率因数下的损耗，既体现节能又满足小水电站的功率因数符合标准。

3.6 安排适当的调相机组对靠近负荷中心和处在电网末端的农村小水电站，可考虑设置容量为50%左右的专用调相机组，以便就近向电力用户供应无功，这对电网的节能降损、提高电网末端电压和改善供电质量是极为有利的。对径流式电站，因电站无调节能力，电站要多发有功以减少弃水，为了使电站在非枯水期也能向电网输送足够的无功，以弥补电网的无功不足，也须根据电站及电网的实际情况，相应设置一定容量的备用调相机组。

3.7 为小水电安装带无功补偿控制箱的计量箱安装此计量箱可保证各小水电在其上网期间功率因数不大于0.85时，正确计量上网的电量;当功率因数大于0.85时，该计量箱能中止计量上网电量，即自动中止发电机上网发电。因此，要求小水电站在上网时必须随时输出一定的无功电能，保证小水电顺利上网发电。

[1]孙宏明.小水电无功电量不足的原因和处理方法[J].硅谷，2009-05-23.