有功調(diào)節(jié)時(shí)對無功的影響分析

1、發(fā)電機(jī)無功功率隨有功功率變化情況的分析一.問題的提出電機(jī)學(xué)一書中詳細(xì)闡述了調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)有功功率和無功功率時(shí)兩者 之間的相互影響，最終得出一個(gè)眾所周知的結(jié)論，即調(diào)節(jié)無功時(shí)，有功 不變，調(diào)節(jié)有功時(shí)，無功反方向變化。但是在實(shí)際生產(chǎn)過程中，絕大多 數(shù)機(jī)組，在沒有人為干預(yù)的情況下，調(diào)節(jié)有功時(shí)，無功功率基本不會(huì)出 現(xiàn)電機(jī)學(xué)理論中所描述的那種規(guī)律發(fā)生反方向變化的，當(dāng)然不排除 輕微反方向變化以及無功不變的現(xiàn)象出現(xiàn)， 但是大多數(shù)情況下兩者是同 方向變化的，即增加有功，無功也增加，減少有功，無功也減少。這種 現(xiàn)象引起了不少疑問，在此便詳細(xì)分析一下實(shí)際生產(chǎn)過程中， 機(jī)組的無 功功率到底是如何隨著有功功率變化的， 為什

2、么會(huì)出現(xiàn)與理論書中結(jié)論 相反的情況。二.無功變化的理論分析（一）純電機(jī)角度的分析：第一種方法利用電樞反應(yīng)的原理進(jìn)行分析，如果忽略勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的 話，在電機(jī)學(xué)的同步電機(jī)電樞反應(yīng)章節(jié)中有提到，增加無功，有功 不變，增加有功，無功變小。這是因?yàn)?，?lì)磁如果是恒定不變的，那么 在增加有功的時(shí)候， 勵(lì)磁用于交軸電樞反應(yīng)的部分就多了， 因?yàn)橛泄?率是靠電機(jī)的交軸電樞反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的， 那么用于直軸電樞反應(yīng)的部分就 少了，而無功功率正是由直軸電樞反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的， 這樣加有功的時(shí)候無 功就會(huì)降低， 當(dāng)然電壓也就會(huì)適當(dāng)降低。 等于是固定不變就那么多的勵(lì) 磁電流， 要么用作交軸反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)有功， 要么就用作直軸反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)無

3、 功，在加有功時(shí)，交軸電樞反應(yīng)用的勵(lì)磁多了，那么勵(lì)磁分給直軸電樞 反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)無功的部分就少了。所以由于電樞反應(yīng)，增加有功功率會(huì)產(chǎn) 生去磁作用，最終導(dǎo)致發(fā)電機(jī)欠磁，無功功率降低，電壓降低。第二種方法利用發(fā)電機(jī)功角變化來進(jìn)行分析， 前提同樣是勵(lì)磁保持恒 定，發(fā)電機(jī)能否送出無功以及送出無功的多少與電壓差A(yù)U有關(guān)，這個(gè)電壓差A(yù)U是指發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢 E0和端電壓UN的同相部分的電壓差， 注意是同相部分的電壓差，具體可參照電機(jī)學(xué)中的同步發(fā)電機(jī)遲相 運(yùn)行時(shí)的相量圖，相量圖是以發(fā)電機(jī)端電壓 UN 為一個(gè)參考相量，即 NU為一個(gè)垂直向上的箭頭，其保持固定不動(dòng)。電動(dòng)勢E0在UN箭頭的 逆時(shí)針側(cè)，且為一個(gè)長度大于

4、UN的箭頭，兩者之間形成一個(gè)夾角 3即 發(fā)電機(jī)功角。所謂同相部分的電壓差，就是指把 E0 箭頭向參考量 UN 或者說是垂直軸上的一個(gè)投影，這個(gè)投影的長度比 UN 箭頭要長， E0 箭頭在垂直軸上的投影長度減去 UN 箭頭的長度即為兩者同相部分的電 壓差A(yù)U,只有這個(gè)電壓差才會(huì)產(chǎn)生無功電流，并且是電壓差A(yù)U越大,發(fā)電機(jī)輸出的無功功率就越大，如果電壓差A(yù)U變小，則發(fā)電機(jī)輸出的無功功率就減小。 又根據(jù)發(fā)電機(jī)功角特性可知，當(dāng)發(fā)電機(jī)送出有功功率 時(shí)，電動(dòng)勢E0就與端電壓UN錯(cuò)開一個(gè)3角即發(fā)電機(jī)功角，當(dāng)有功越 大時(shí)，3角越大，此時(shí)可以想象 E0又往逆時(shí)針的方向轉(zhuǎn)了一個(gè)更大的 角度，那么它在垂直軸上的投影高

5、度就更短了，所以用它減去 UN 所得 到的無功電壓差 AU就變小了，因而無功自動(dòng)減小，當(dāng)然電壓也就會(huì)適當(dāng)降低。反之，當(dāng)有功減小時(shí)，功角3也隨之減小，無功會(huì)自動(dòng)增加，電壓也會(huì)適當(dāng)升高?？傊?，無論從純電機(jī)的任何一個(gè)方面去推論， 前提只要?jiǎng)?lì)磁電流是恒 定不變的，也就是忽略勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的作用，有功增加時(shí)，發(fā)電機(jī)無功出 力就會(huì)自動(dòng)減小，在外界無功用戶不變的情況下，則會(huì)出現(xiàn)無功缺額， 發(fā)電機(jī)電壓會(huì)出現(xiàn)下降現(xiàn)象， 直到外界用戶在電壓下降時(shí)所耗無功自動(dòng) 減小重新與發(fā)電機(jī)無功出力達(dá)到平衡， 電壓則會(huì)下降到一個(gè)新的平衡點(diǎn) 穩(wěn)定運(yùn)行。反之有功減少時(shí)，無功出力會(huì)自動(dòng)增加，在外界無功用戶不 變的情況下，則會(huì)出現(xiàn)無功過剩，

6、發(fā)電機(jī)電壓會(huì)出現(xiàn)升高現(xiàn)象，直到外 界用戶在電壓升高時(shí)所耗無功自動(dòng)增加重新與發(fā)電機(jī)無功出力達(dá)到平 衡，電壓則會(huì)升高到一個(gè)新的平衡點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行。（二）考慮勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的影響：1.從機(jī)組本身的因素分析調(diào)節(jié)器的影響： 從純電機(jī)的角度分析完，可以得出一個(gè)結(jié)論，當(dāng)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁恒定時(shí)， 增加發(fā)電機(jī)有功， 則會(huì)使無功功率自動(dòng)減少， 最終發(fā)電機(jī)電壓會(huì)適當(dāng)降 低，或者從另外一個(gè)新的角度來分析，當(dāng)發(fā)電機(jī)有功增大時(shí)，發(fā)電機(jī)定 子電流也增大，那么發(fā)電機(jī)定子繞組的阻抗壓降就會(huì)增大， 最終還是引 起了發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓降低。自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器 （在此只考慮調(diào)節(jié)器在自動(dòng)通道恒電壓方式下） 是以 發(fā)電機(jī)端電壓作為被調(diào)量的， 也就是說勵(lì)磁調(diào)節(jié)

7、器的作用就是要維持機(jī) 端電壓不變， 所以由上面分析可知， 在機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行， 勵(lì)磁不變的時(shí)候， 如果增加有功功率則會(huì)使發(fā)電機(jī)的端電壓適當(dāng)降低， 那么此時(shí)考慮到勵(lì) 磁調(diào)節(jié)器的存在，當(dāng)發(fā)電機(jī)端電壓降低，則會(huì)使勵(lì)磁調(diào)節(jié)器自動(dòng)增加勵(lì) 磁來維持機(jī)端電壓。所以正是由于該調(diào)節(jié)作用，使得發(fā)電機(jī)在有功增加 時(shí)，無功會(huì)基本維持不增不減。當(dāng)然由于純電機(jī)角度的分析因素的作用 一般也會(huì)呈現(xiàn)略微減少的趨勢，但是有時(shí)也會(huì)略微升高?？傊{(diào)節(jié)器的 特性參數(shù)不同及外部變工況，所以不是一個(gè)固定的規(guī)律。但基本上是可 以維持有功增加時(shí)無功不變的，至少不可能會(huì)出現(xiàn)純電機(jī)角度分析結(jié)論 那種明顯規(guī)律的反向變化。由于發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的存在，當(dāng)發(fā)

8、電機(jī)有功增加時(shí)，無功不會(huì)出現(xiàn) 純電機(jī)角度所分析的那樣明顯減少。當(dāng)然勵(lì)磁調(diào)節(jié)器特性是不完全一樣 的，但即使勵(lì)磁調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)作用不足以抵消增加有功所帶來的去磁作 用，也絕對能夠抵消絕大部分去磁作用了，所以最多會(huì)有一個(gè)輕微的無 功減少趨勢。當(dāng)然如果勵(lì)磁調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)作用大于增加有功所帶來的去磁 作用，那么不僅此時(shí)可以完全彌補(bǔ)有功增加所帶來的去磁影響，甚至無 功還會(huì)有增加的趨勢?？梢?，由于調(diào)節(jié)器本身特性的差異，可能會(huì)出現(xiàn) 不同的結(jié)果。不過無論結(jié)果怎樣，從根本上講，由于調(diào)節(jié)器本身是用來 維持機(jī)端電壓的，所以調(diào)節(jié)器在發(fā)電機(jī)增加有功時(shí)會(huì)自動(dòng)增加勵(lì)磁，那 還是因?yàn)榘l(fā)電機(jī)端電壓在受到有功增加的去磁影響后而降低了，這時(shí)

9、調(diào)節(jié)器增加勵(lì)磁只是為了恢復(fù)正常的電壓， 也就是說僅僅是為了彌補(bǔ)增加 有功出現(xiàn)的勵(lì)磁缺額，所以發(fā)電機(jī)此時(shí)增加的勵(lì)磁基本上全部都用在了 有功功率的增加上，最終使發(fā)電機(jī)在有功功率增加后也不出現(xiàn)欠磁，從 而維持端電壓不變。發(fā)電機(jī)在有功增加時(shí)會(huì)使端電壓降低，由于勵(lì)磁調(diào)節(jié)器會(huì)自動(dòng)增磁維持發(fā)電機(jī)端電壓， 正是因?yàn)榇藭r(shí)調(diào)節(jié)器自動(dòng)增磁， 則不會(huì)出現(xiàn)有功增加， 無功明顯減少的現(xiàn)象。當(dāng)然，這時(shí)也會(huì)有一個(gè)新的問題，就是眾所周知 增加勵(lì)磁時(shí)發(fā)電機(jī)無功功率會(huì)自動(dòng)增加， 那么在增加有功時(shí)， 勵(lì)磁也是 在自動(dòng)并且大量增加的， 那么無功此時(shí)會(huì)大量增加嗎？這里可以解釋一 下，電機(jī)學(xué)的發(fā)電機(jī)無功功率調(diào)節(jié)章節(jié)中分析調(diào)節(jié)勵(lì)磁改變無功的

10、 前提是發(fā)電機(jī)輸出有功不變， 也就是說增加勵(lì)磁無功增加的前提是發(fā)電 機(jī)其它條件基本不變的， 至少發(fā)電機(jī)有功是不變的，那么增加的勵(lì)磁便 全部用在了升高電壓增大無功上， 所以才會(huì)有了增加勵(lì)磁， 無功增加的 結(jié)論。但是在增加有功的情況下大量增加勵(lì)磁，發(fā)電機(jī)仍然只是為了維 持著機(jī)端電壓不降低，發(fā)電機(jī)的端電壓只要不變， 則說明無功功率的供 需是基本平衡的， 那么此時(shí)認(rèn)為外界無功用戶是基本不變的， 發(fā)電機(jī)此 時(shí)的無功出力也不會(huì)有什么大的變化。 最終這種情況下增加的勵(lì)磁主要 還是用在了增加的有功上，對無功影響不大，所以這里在增加勵(lì)磁時(shí)， 無功是不會(huì)明顯增加的。總之，在忽略了調(diào)節(jié)器特性差別后，我們假設(shè) 外界條

11、件不變的情況下，可以得出的結(jié)論為，調(diào)節(jié)有功功率時(shí)，勵(lì)磁調(diào) 節(jié)器只能夠基本維持無功不變。也不排除輕微增加或者輕微減少的情 況，但可以肯定不會(huì)明顯增加或者明顯減少。 當(dāng)然實(shí)際情況中要考慮到 大量外部因素，無功可能會(huì)因外界其它因素而明顯變化，下面便具體分 析。2.從機(jī)組以外的因素分析調(diào)節(jié)器的影響：最終（1）外界系統(tǒng)運(yùn)行方式的變化：比如投切線路的電容效應(yīng)和投切電 抗器等元件都會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)的無功電源及無功用戶情況發(fā)生變化， 機(jī)組無功功率也會(huì)發(fā)生不確定的變化。（2）外界機(jī)組出力的變化：同一電網(wǎng)的其它機(jī)組加減出力的同時(shí)也 會(huì)影響其無功出力，以及機(jī)組的啟停，均會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)無功的不平衡，系 統(tǒng)電壓變動(dòng)，最終也會(huì)使

12、機(jī)組無功功率發(fā)生不確定的變化。（3）考慮系統(tǒng)功率傳輸機(jī)理：傳輸有功功率需要無功功率的支撐， 所以調(diào)節(jié)有功時(shí)， 比如增大有功， 此時(shí)要在恒定電壓下輸走更多的有功， 那么需要支撐的無功也就更多， 如果無功支撐不足， 則會(huì)引起電壓下降， 最終也會(huì)導(dǎo)致勵(lì)磁調(diào)節(jié)器自動(dòng)增加勵(lì)磁， 具體我們可以對輸電系統(tǒng)中的 兩大元件即輸電線路和變壓器進(jìn)行展開分析。 根據(jù)輸電線路自然功率的 概念可知，輸電線路既因?yàn)槠潆娙菪?yīng)能夠發(fā)出無功， 也因?yàn)槠浯嬖诖?聯(lián)阻抗在輸電過程中電流流過線路的串聯(lián)阻抗又要消耗無功， 所以有功 越大，線路的電流越大，消耗的無功就越大，特別是輸電功率高于自然 功率時(shí)，線路自身的電容效應(yīng)所產(chǎn)生的無功已

13、不足以供線路自身所耗無 功了，線路則要從系統(tǒng)吸收無功了。 根據(jù)變壓器自身無功損耗公式可知， 變壓器傳輸有功的過程中，會(huì)消耗大量無功，傳輸?shù)挠泄υ酱?，消耗?無功就越大， 當(dāng)變壓器傳輸有功功率達(dá)到滿載時(shí)， 其自身消耗的無功可 達(dá)變壓器額定容量的 10%15%。由上述分析可見，當(dāng)系統(tǒng)中無功出力 與無功用戶平衡，電壓不變的時(shí)候，此時(shí)若機(jī)組增加有功，則會(huì)直接導(dǎo) 致輸電系統(tǒng)傳輸?shù)挠泄β试龃螅?電流增大， 那么系統(tǒng)自身在傳輸有功 時(shí)消耗的無功也自然增大，所以無功出力與無功用戶不再平衡，無功出 力已經(jīng)不能滿足無功用戶的需要， 也就是說出現(xiàn)了無功缺額從而引起電 壓下降，最終勵(lì)磁調(diào)節(jié)器會(huì)自動(dòng)增加勵(lì)磁來提高機(jī)組

14、無功出力使其重新與無功用戶達(dá)到平衡，維持機(jī)端電壓。此外在電力系統(tǒng)分析中，考慮了 系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性， 也要在有功增加時(shí)適當(dāng)提高無功，但這主要是從電網(wǎng) 穩(wěn)定方面分析的，對于機(jī)組本身，影響甚小，不展開分析。總之，這個(gè) 因素導(dǎo)致的無功變化基本是可以確定方向的， 即機(jī)組無功功率基本隨著 有功功率的增加而增加，反之同理。（4）廠用電負(fù)荷的變化：由于大多廠用負(fù)荷為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，自身所 消耗的無功是很大的，所以當(dāng)廠用電負(fù)荷變化時(shí)， 所耗無功會(huì)發(fā)生很大 變化。廠用負(fù)荷無功的變化幾乎不會(huì)影響到系統(tǒng)電壓， 也就是說系統(tǒng)電 壓是維持恒定的， 由于主變阻抗的存在， 發(fā)電機(jī)機(jī)端的電壓是會(huì)直接受 到影響的，比如增加有功，廠用負(fù)

15、荷就要增大，廠用電所耗無功功率增 大，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓降低，最終仍是勵(lì)磁調(diào)節(jié)器自動(dòng)增加勵(lì)磁以維持機(jī) 端電壓， 那么機(jī)組無功出力就會(huì)增加， 等于是廠用負(fù)荷無功的變化最終 是直接體現(xiàn)到發(fā)電機(jī)無功出力上了。 這個(gè)因素導(dǎo)致的無功變化也基本是 可以確定方向的， 即機(jī)組無功功率基本隨著有功功率的增加而增加，反 之同理。（ 5）此外還有一些不可預(yù)知的原因引起的電壓變化， 也均會(huì)使勵(lì)磁調(diào) 節(jié)器自動(dòng)調(diào)整勵(lì)磁最終改變無功出力。（三）人為干預(yù)的影響：由于電網(wǎng)負(fù)荷是在不斷變化的， 機(jī)組正常運(yùn)行中， 大多數(shù)情況， 會(huì)出 現(xiàn)機(jī)組無功先發(fā)生了變化，中調(diào)隨后便會(huì)下令調(diào)節(jié)有功出力， 這是因?yàn)?電網(wǎng)負(fù)荷發(fā)生了變化。比如用戶減少了，

16、 首先反應(yīng)的則是無功功率的減 少，隨后中調(diào)才會(huì)根據(jù)實(shí)際負(fù)荷情況下令人為減少有功出力， 等于是在 人為的干預(yù)下，會(huì)出現(xiàn)無功有功同方向的變化，但這個(gè)變化規(guī)律與上述 幾種情況有著本質(zhì)的區(qū)別。首先它是人為調(diào)控引起的， 是由于電網(wǎng)負(fù)荷 變化，引起無功自動(dòng)變化，調(diào)度又根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷的變化情況下令人為變 化有功，從趨勢上也可以注意到，一般無功是先于有功變化的。正因如 此，它不是因?yàn)橛泄β首兓鸬臒o功自動(dòng)變化，但是在實(shí)際研究機(jī) 組有功無功之間的變化規(guī)律時(shí)，這個(gè)因素還是比較明顯的。 雖然理論意 義幾乎沒有， 但畢竟最終的結(jié)果是無功有功之間發(fā)生同向變化了， 所以 對解釋為什么有時(shí)候有功增加，無功也增加了的現(xiàn)象還

17、是有幫助的。三.無功變化的實(shí)測趨勢分析由于影響因素涉及面太廣， 至于無功功率隨有功功率的變化究竟是怎 樣的變化規(guī)律，沒有一個(gè)適用各種情況的明確結(jié)論，在這種情況下，最 直接有效的手段就是實(shí)測數(shù)據(jù)分析。從目前掌握的實(shí)際情況來看， 規(guī)律 本身的確就是在變化的。機(jī)組負(fù)荷在 100MW 以下時(shí)，由于此時(shí)不參與電網(wǎng)調(diào)峰及帶廠用負(fù) 荷，這些因素可以排除， 此外考慮到傳輸有功時(shí)變壓器和輸電線路所耗 無功的因素， 由于此時(shí)機(jī)組有功出力小， 那么傳輸有功時(shí)變壓器和輸電 線路所耗無功的因素在這里影響不大， 所以也起不了明顯的作用。 最終 起主導(dǎo)作用的是電機(jī)本身的特性和機(jī)組本身因素勵(lì)磁調(diào)節(jié)器作用的相 互影響，而且電機(jī)

18、本身的特性和機(jī)組本身因素勵(lì)磁調(diào)節(jié)器作用基本又是 相互作用抵消的， 即電機(jī)本身在加有功的時(shí)候無功要明顯減少，而勵(lì)磁 調(diào)節(jié)器正好自動(dòng)增加勵(lì)磁將有功增加所需的勵(lì)磁全部提供， 這樣增加有 功不再占用無功所需的勵(lì)磁， 那么無功便不會(huì)明顯下降，最多是有一個(gè) 略微下降的趨勢，甚至有時(shí)會(huì)略微上漲， 當(dāng)然即使上漲也僅僅是略微的， 絕不會(huì)明顯上漲， 因?yàn)榍斑呉呀?jīng)進(jìn)行過理論分析， 增加有功時(shí)增加的勵(lì) 磁基本上是正好滿足有功增加所需的勵(lì)磁， 而幾乎沒有多余的勵(lì)磁來用 于增加無功， 所以此時(shí)增加勵(lì)磁不會(huì)使無功明顯增加。 總的來說此時(shí)相 互作用的結(jié)果是基本保持無功可恒定不變，即機(jī)組負(fù)荷在 100MW 以下 時(shí)，有功增加，

19、無功基本不變。當(dāng)負(fù)荷在 150MW 以上機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)， 既參與調(diào)峰又帶廠用電， 并 且傳輸有功時(shí)變壓器和輸電線路所耗無功的因素也因傳輸有功增大， 在 這里也要考慮了。 所以此時(shí)在電機(jī)本身的特性和機(jī)組本身因素勵(lì)磁調(diào)節(jié) 器作用的相互影響的基礎(chǔ)上又要考慮機(jī)組以外因素勵(lì)磁調(diào)節(jié)器在廠用 電負(fù)荷變化時(shí)的作用以及傳輸有功時(shí)變壓器和輸電線路所耗無功的因 素還有人為干預(yù)的影響了， 由于電機(jī)本身的特性和機(jī)組本身因素勵(lì)磁調(diào) 節(jié)器作用的相互影響最終體現(xiàn)出的結(jié)果是增加有功，無功基本不變，那 么此時(shí)機(jī)組以外因素勵(lì)磁調(diào)節(jié)器在廠用電負(fù)荷變化時(shí)的作用以及傳輸 有功時(shí)變壓器和輸電線路所耗無功的因素還有人為干預(yù)的影響便會(huì)體 現(xiàn)出

20、來， 結(jié)果均是無功功率和有功功率為正方向變化趨勢， 即機(jī)組負(fù)荷 在 150MW 以上時(shí)，有功增加，無功也隨之增加。這種情況反應(yīng)了機(jī)組 正常運(yùn)行中絕大多數(shù)的現(xiàn)象，且絕大多數(shù)機(jī)組也都是這樣的。四.問題的總結(jié)根據(jù)理論分析和實(shí)際趨勢分析的結(jié)果可知， 在整個(gè)過程中， 最重要也 是最根本的是電機(jī)本身的特性和機(jī)組本身因素勵(lì)磁調(diào)節(jié)器作用， 也正是 這兩者起著主導(dǎo)作用。如果忽略外界因素，調(diào)節(jié)器本身調(diào)節(jié)作用基本能 抵消純電機(jī)的作用，最終加有功時(shí)，無功不變。實(shí)際情況中，我們還要 考慮到外界因素，也正因?yàn)樽罡镜膬烧咂渥饔脦缀跽檬峭耆窒?的，那么外界因素對最終的變化結(jié)果就有著明顯的作用了， 對于機(jī)組以 外的因素分析調(diào)節(jié)器的影響中， 外界系統(tǒng)運(yùn)行方式的變化以及外界機(jī)組 出力的變化以及不可預(yù)知的原因引起的電壓變化， 這些都是具有不確定 性的，對分析結(jié)論意義不大， 最終需要考慮的外界因素則是機(jī)組以外的 因素分析調(diào)節(jié)器的影響中系統(tǒng)功率傳輸機(jī)理和廠用電負(fù)荷的變化以及