CN103117549A - 一种提高交流发电机过负荷能力的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高压电网调节技术领域，特别涉及一种提高交流发电机过负荷能力的方法及装置，其是通过提高发电机的功率因素cosφ，限制发电机输出无功功率，从而超发有功功率，并在电网的母线上设置静电电容补偿装置，补偿无功功率的方法。本发明可以花很少的投入，进行很小的改造，采用一种科学的运行方法，达到使交流发电机超发有功功率20－25％的效果，为经济发展提供大量的电力，也可以利用该发明增加电网的调峰作用，增加电力系统的安全可靠性。

Description

一种提高交流发电机过负荷能力的方法及装置

技术领域

 本发明涉及高压电网调节技术领域，特别涉及一种提高交流发电机过负荷能力的方法及装置。

背景技术

交流发电机在设计制造时，就有一系列额定值，如电压U，电流I，视在功率S、有功功率P及功率因素cosφ等等，为了确保发电机的安全运行，在使用及运行时，其出厂规定的额定值是不能超过的，特别是电压、电流及视在功率等主要参数。为此人们普遍认为发电机的有功功率P也不能超过额定值运行，因此，自交流发电机问世以来，基本上所有的发电厂都严格按照出厂规定的额定出力控制发电机输出有功功率，不敢超发。

交流发电机的功能是将自然界的一次能源（水能、热能、原子能、风能等）通过发电动力装置（水轮机、锅炉及汽轮机等）带动发电机转动，通过发电机将一次能源转化成电能，为地区经济和人民生活服务。从全国乃至全世界来看，能源紧缺已经在全球造成危机，人们一方面加紧开发现有常规能源，一方面寻找开发太阳能、风能等新型替代能源。另一方面千方百计开展节能降耗活动以缓解能源紧缺局面。中国北方电力主要依靠火电，西部地区主要依靠水电。火电不仅大量消耗煤炭及石油等一次能源，而且由于大量排放二氧化碳及二氧化硫，对环境造成了污染，严重制约了经济社会可持续发展。

水电属于可再生绿色能源，不消耗一次能源，也没有三废排放，是属于优先发展的绿色环保能源，但是由于地方经济发展迅猛，目前开发的水电装机容量远远满足不了地方经济发展的用电需求。国内具备开发条件的水力资源电源点已经寥寥无几，电力资源的匮乏已经严重制约着我国经济的可持续发展。

中小型水电多数是径流式水电站，没有调节能力，而径流式水电站的主要矛盾就是存在着丰枯季节径流差异大的矛盾，一般情况丰枯径流差异都在15倍以上。几乎所有的径流式水电站在丰水期都存在不同程度的弃水，而由于电力紧缺，丰水季节水电站大量弃水的同时电网还在对一些负荷停电限电。面对越来越严重的能源危机，我们考虑如何在现在已经建成的水电站找到一种经济有效发电机超发电力的办法，从而在丰水期充分利用弃水多发电力，为地方经济发展做贡献。

每台发电机在出厂时，所规定的一系列额定值，如电压U，电流I，视在功率S、有功功率P及功率因素cosφ等等，这是设计和制造决定的。为了确保发电机的安全运行，在使用及运行时，其出厂规定的电压、电流及容量等主要额定值参数是不能超过的。为此人们普遍认为发电机的有功功率P也不能超过额定值运行。在实际使用当中，由于电力是一种不能储存的商品，即其生产、销售及使用是一瞬间同时完成的，电力必须紧随负荷的变化而随时调节发电量，假如出现发电量跟不上负荷的增加而没有及时增加发电量的情况，就会出现电网频率非正常下降甚至电网崩溃的事故，所以提高发电机的过负荷能力对电网的安全运行将有着重大的作用。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明提供了一种提高交流发电机过负荷能力的方法及装置，其是在保持发电机的电压U，电流I，视在功率S等主要参数不超过额定值运行的前提下，通过提高发电机的功率因素cosφ，限制发电机输出无功功率，将发电机发无功功率的容量腾出来，超发有功功率达20－25％。

所述技术方案如下：

一种提高发电机过负荷能力的方法，是通过提高发电机的功率因素cosφ，限制发电机输出无功功率，从而超发有功功率，并在电网的母线上设置静电电容补偿装置，补偿无功功率的方法。

功率因素cosφ的调整范围是从0.8到1。

功率因素cosφ的调整范围是从0.96－0.99。

一种提高发电机过负荷能力的装置，包括发电机及其输出电网，所述电网的母线上设置有静电电容补偿装置，所述静电电容补偿装置用于补偿发电机限制发出的无功功率。

静电电容补偿装置包括高压电缆上设置的电流互感器，所述的电流互感器通过高压电抗器连接高压电容器，所述的电流互感器与电网母线之间设置高压开关，所述高压电抗器和高压电容器之前还连接有电容器专用熔断器。

本发明的技术方案中，发电机的“额定容量”指的是发电机的视在功率S，其单位为KVA(MVA)，视在功率是发电机所发有功功率P和无功功率Q的向量合成，功率计算公式为：

视在功率：S=√3U.I　　　

有功功率：P=√3U.I.cosφ=S .cosφ

无功功率：Q=√3U.I.sinφ

式中：U－发电机额定电压（kv）

      I－发电机额定电流（a）

      cosφ－发电机功率因素

φ－电流I和电压U之间的夹角。

以上公式中，发电机电压U是一个基本上不变的额定数值，而发电机的额定电流则是一个有功分量和无功分量的向量和，其绝对数值一般情况也不能超过额定值。φ是电流I和电压U之间的夹角，是唯一可以改变的。通常发电机的额定功率因素为：cosφ=0.8，其有功功率P=√3U.I.cosφ=0.8S，即有功功率P为视在功率S的0.8倍。由于发电机的功率因素cosφ是一个变量，功率因素的数值取决于励磁电流的大小，当有功功率不变时，增加励磁电流，发电机定子电流增加（主要是发电机的无功分量增加），功率因素就降低；反之，减少励磁电流，发电机定子电流减小（主要是发电机的无功分量减小），功率因素就增加，当调整功率因素由额定值cosφ1＝0.8增加到最大值cosφ2=1时（φ＝0），此时：Sinφ2=0， 

无功功率Q2=√3.U.I.sinφ2=0，有功功率P2=√3.U.I.cosφ2=S，

即理论上此时发电机发出的功率全部为有功功率，有功功率P等于视在功率S，无功功率Q等于0，有功功率由额定值增加为：

cosφ2/cosφ1＝1/0.8=1.25 

即当发电机在额定电压、额定电流运行的前提下，提高功率因素由0.8到1时，只要原动机有余量，理论上发电机发出的有功功率就可以比额定值增加1.25倍。

发电机有运行极限，主要取决于定子绕组温升约束，励磁绕组温升约束以及原动机功率约束。提高发电机的功率因素超发有功功率，需要控制发电机定子和转子不超过额定电流运行，确保发电机绕组温度不超过允许值；需要控制发电机的功率因素滞后小于1，不得进相超前运行，以确保发电机安全稳定运行。

在不超出以上运行极限的前提下超发有功功率，发电机定子和转子线圈都没有过负荷，真正过负荷的是发电机的主轴，但一般发电机的主轴的过负荷裕度是比较大的。操作上，在增加有功功率的同时，必须降低无功功率，提高功率因素，控制定子和转子电流不超过额定值运行。为了保持发电机并网运行的稳定性，发电机功率因素一般可以控制在0.96－0.99范围内运行，此时发电机可以长期稳定地超负荷20－24％。

电力系统除了为用电户提供有功功率外，在用电户生产过程及输变电过程中，还需要大量的无功功率，电网规定无功功率由并网的所有发电机共同承担（也可以由用电户或电网采用其他方式补偿）。本发明由于是采用提高功率因素来增加发电机输出有功功率的方法，其方法正确有效，但却减少了发电机无功功率的输出，达不到电网对并网发电机对上网功率因素的要求（电网要求发电厂上网电能的功率因素一般不得大于0.8）。本发明采用另外装设静电电容补偿装置对发电机减少的无功功率进行补偿的方式，使发电机超负荷所发的电能满足电网的要求。静电电容补偿装置可以根据各发电厂机组的参数及需要超负荷的倍数而设计。

该方法特别适用于径流式水电站，由于径流式水电站在丰水期满负荷运行还大量弃水，浪费了大量宝贵的能源，采用该方法可以在不对发电厂机电设备作大的改动的前提下，利用丰水期的弃水多发有功功率，为电网提供绿色能源。

本发明可以花很少的投入，进行很小的改造，采用一种科学的运行方法，达到使交流发电机超发有功功率20－25％的效果，为经济发展提供大量的电力，也可以利用该发明增加电网的调峰作用，增加电力系统的安全可靠性。

本发明对电厂现有的机电设备基本不动，对水工设施如过水量不够，可对局部设施适当进行改造，发电机采用提高功率因素限制输出无功功率，超发有功功率，不足的无功功率另外增加电容补偿装置对发电机补偿无功功率的方法，花极小的投入，就可以获得大量的廉价的电力，其经济效益及社会效益都极其显著。

水电是一种环保的可再生的清洁能源，其生产属于零排放，无污染的方式。在全球环境污染日益严重，化石能源日趋紧缺的今天，水电越来越显得异常宝贵，其产量越多，就可以减少化石能源的消耗，减少二氧化碳及二氧化硫的排放，减少森林的砍伐，对减轻环境的污染有着重要的作用。本发明是利用丰水期废弃的水能超发电力，向社会提供廉价的环保的清洁能源，其对社会的贡献是不容低估的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种提高发电机过负荷能力的装置的电路原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实例一：

本发明的一种提高发电机过负荷能力的方法及装置在XX电站的应用一。

XX电站两台发电机单机容量为1250KW,电站总发电容量为2500KW。根据以上理论分析，发电机在电压、电流及视在功率都运行在额定值时，依靠改变功率因素由额定值cosφ1＝0.8增加到最大值cosφ2=1时，此时发电机有功功率可以增加1.25倍，即3125KW。

1、XX电站概况

XX电站，装机容量2×1250kW, 电站坝址控制径流面积 1084 km2，坝址海拔高程1515.3m，多年平均径流量47619万m3，多年平均流量 15.1 m3。全年有明显的丰、枯季差别，12月至次年5月为枯水季节，最枯流量为 1.2 m3/s，6-11月为丰水季节，雨季的径流量占全年的70%，每年有4-5个月电站都大量弃水，电站设计引用流量9.8m3/s，设计水头32.5m，多年平均发电量1248.3万kw·h，设计年利用小时4993.2小时，所发6.3kV电能升压为38.5kV后就近并入保山电网。

XX电站主要机电设备参数见表1.

表 1 ：XX电站主要机电设备参数

2. 超发有功功率方案

其运行电网为地方电网，电源全部为水电，电网新增加的电源主要供给近年来投产的高耗能企业。由于高耗能企业在丰水期生产，大量消耗丰水期电能，电力公司在枯水期根据电网发电能力，对高耗能企业限电停产，电网丰、枯季节都没有剩余电能，水电站所发电力基本上都可以平衡上网。    通过更换较大容量的水轮发电机组可以达到充分利用丰水期水力资源，挖掘水电站发电潜力的目的，但需要增加较多的投资。在对电站水工及机电设备做了分析论证后，我们提出了维持原有水轮发电机组不变，在丰水期实施减少无功功率发电量，增加有功功率发电量，无功功率不足部分采用母线上装设高压电容器进行无功功率补偿的改造工程计划。该计划能在对现有水工及机电设备不作大改造的前提下，充分利用丰水期浪费的水能资源，多发有功电能。

计划分两部分实施，首先于2009年丰水期有功功率超负荷发电20-25%，然后在对超负荷发电做经济分析后，于2010年丰水期来临前装设高压电容无功功率补偿装置，于2010年丰水期正式投入运行。2009年7-12月中的5个多月时间内，两台发电机有功功率分别从额定值1250kW逐步增加到1500多kW，总功率稳定地控制在3000-3100kw范围内，功率因素控制在0.96-0.98范围内，定子温度控制在90℃内，发电机有功功率比额定值超发20-25%，整个丰水期比往年同期超发电力239余万kw.h，为电网提供了大量电力，缓解了电网缺电的矛盾，取得了良好的社会和经济效益。

3. 方案实施及经济效益

XX电站水轮机在设计和选型时留有一定的裕量，刚好满足超负荷20－25％的需要。进水闸门、引水渠道及钢管道等水工设施除局部地方需要做小范围改造外，在确保安全运行的前提下，基本具有超负荷25%的过水能力，认定超负荷计划可以实施。

计划分两部分实施，首先于2009年丰水期有功功率超负荷发电20－25％；第二步在对超负荷发电做经济分析后，于2010年丰水期来临前装设高压电容无功功率补偿装置，并于2010年丰水期正式投入运行。2009年丰水期有功功率超负荷发电于7月20日开始实施，至12月10日止，历经140余天，两台发电机有功功率从额定值逐步增加，最后稳定地控制在3000-3100kw范围内，功率因素控制在0.96-0.98范围内，定子电流控制在145A，转子电流控制在 170A内，发电机定子温度最高点仅为90℃，即，发电机电压、定子及转子电流都控制在额定值附近基本上不超过额定值的情况下，XX电站两台发电机5个月长时间稳定地超负荷20-25%。比前两年同期平均实际发电量超发达239余万kw.h。XX电站正常满载运行及超载运行参数见表2.

表2 ：XX电站正常满载运行及超载运行参数

注：1.每台发电机定子线圈有T1-T6共6个测温点。

    2.发电机定子线圈（F级绝缘）最高允许温度为155℃。

电力公司规定按月抄表结算电费时，月平均功率因素值按照≯ 0.8考核，即每发10000kw.h有功电能，同时需要发无功电能不低于7500kvar.h。XX电站2009年丰水期超负荷试验期间共发有功电能1029.17 万kw.h（含7月份的12天） ，按照功率因素cosφ=0.8考核，应发无功电能771.87 万kvar.h，实发无功电能 281.6万kvar.h，无功电能不足490.27万kvar.h，按照上网合同规定功率因素不达0.8时，无功功率不足每kvar.h扣减电费0.02元计算，实际共扣减无功不足电费9.81万元，超发电量239万kw.h按照丰水期上网电价0.157元/ kw.h计算，增加电费收入37.52万元，减除无功不足扣减的电费9.81万元后，实际增加经济收益27.71万元。

4、 无功功率补偿设计

2009年虽超发有功功率达到239万kw.h ，但无功功率大大不足，平均上网功率因素为0.981，远远达不到电力公司规定的功率因素≤0.8的要求。虽然给电力公司缴纳了功率因素调整电费9.81万元，但无功功率不足对电网运行带来了不利因素，电网不允许长期欠无功运行，必须予以解决。因此，我们采用在母线上装设高压电容无功功率补偿装置的方式予以解决。

如附图1所示，图1下方设置两组6.3KV发电机，其输出电流汇入母线1，图中虚线部分即为新设置的静电电容补偿装置，包括高压电缆上设置的电流互感器2，所述的电流互感器2通过高压电抗器3连接高压电容器4，所述的电流互感器2与电网母线1之间设置高压开关5，所述高压电抗器3和高压电容器4之前还连接有电容器专用熔断器6。

发电机发出的电压是6.3KV的电能，两台发电机的电能通过6.3KV断路器并入6.3KV母线后再送入变压器升压成38.5KV电压并入地方的35KV电力系统.静电电容补偿装置补偿的无功功率是直接并入38.5KV系统内（系统额定电压是35KV,但是考虑线路及变压器本身都有电压损耗，所以将变压器高压侧的电压从额定值35KV升高10％，就出现38.5的电压）。

（1）补偿地点的选择

补偿地点可以选发电机6.3kV母线或主变压器高压侧35kV母线。经分析，在6.3kV母线侧补偿可以采用电容补偿成套开关柜，采用户内布置方式，优点是占地面积小，安装维护简单，但须占用户内面积，需考虑升压变压器容量必须满足补偿后的视在功率，如不满足须对变压器进行增容改造或更换容量适宜的变压器，投资偏大。35kV母线侧补偿一般采用户外设备分散布置方式，缺点是占地面积大，安装维护麻烦，但不必考虑扩大升压变压器的容量。

XX电站高压室较小，没有空间摆放6.3kV电容补偿成套开关柜，安装 6.3kV户内电容补偿成套开关柜还需另外建盖约20m2的一间高压室。且需要将升压变压器的容量更换为4000KVA，投资将大大增加。如采用在35KV侧采用户外装置补偿，则可以节约以上投资。经综合分析比较，决定采用户外35kV母线补偿方式。

（2）电容器电压的选择

由于电容器的补偿容量与其运行电压平方成正比，当系统电压高于电容器额定电压时，电容器补偿容量高于其额定容量，此时电容器介质损耗过大，极易击穿损坏。而当系统电压低于电容器额定电压时，电容器补偿容量低于其额定容量，但此时电容器能保证安全运行。考虑到系统电压日昼变化较大的因素，而并网运行的水电站母线电压会随着系统电压的变化而变化，电容器额定电压的选择宜按照系统可能出现的最高电压选择，保山35KV电网的最高电压在40－41KV之间，最终选择补偿电容器的额定电压为41kV。

（3）补偿电容器容量的选择（满足电站向系统输送最大有功功率时，cosφ≯ 0.8）     设机组超发有功功率至 P2=3100kW（约为额定有功功率2500KW的1.24倍），在功率因素为0.8时，对应的视在功率S2=3100/0.8＝3875kVA，需要向系统输送无功功率Q2= S2.sinφ1＝2325 kvar（在cosφ＝0.8时，sinφ1＝0.6）。

由于当提高发电机功率因素为0.97运行时，发电机尚可以发无功功率Qf ＝942 kvar，此时需要高压电容补偿容量为：Qb= Q2－Qf=2325－942=1383 kvar。

设计补偿电容器容量应≥1383kvar，考虑电容器多数时间运行在额定电压以下，实际补偿容量要小于额定容量，所以设计容量选择装设1800 kvar。

（4）接线方式的选择

根据35KV电网属于中性点非直接接地系统，补偿电容器接线选择中性点不接地的星形接线。

（5）无功补偿装置投资经济效益

预计投资23万元，投入运行当年内就可以收回投资，且电网要求上网电力功率因素一般不得高于0.8，所以投资装设无功功率补偿装置是必要的，经济上也是划算的。

（6）无功功率补偿装置运行情况

电站装设高压电容无功功率补偿装置改造工程于2010年1月份结束。2010年丰水期，XX电站充分利用来水超发电能，新装设的电容补偿装置也根据电网的需要适时投入电网，安全补偿无功功率，没有事故发生，上网电力的功率因素随时保持在0.8左右，完全达到了电力公司所要求的标准。2010年XX电站比往年超发有功电力195万kw.h，增加电费收入30.6万元，实际投入的20余万元无功补偿装置投资当年收回，2010年至2012三年丰水期总共超负荷发电达694.33万kw.h，新增利润108.98万元，同时对电网也做出了较大的贡献。

实施例二：

本发明的一种提高发电机过负荷能力的方法及装置在XX电站的应用二（对电网进行调峰）。

该发明除了在水电站利用丰水期（每年7至11月份）的弃水多发有功功率外，在平水期（每年6月份和12月份）或枯水期（每年1－5月份）电站因为河道来水量减少机组出力不能发到额定值时，还可以利用水电站的调节库容（水电站一般或大或小都有一定的调节库容）对电网进行调峰。XX电站进水口前具有近10万m3的调节库容，电站在平水期或枯水期可以根据电网调度的要求，在电网负荷高峰时多发电力，在电网内起到调峰作用，2010年以前，XX电站在需要对电网负荷高峰时期调峰时，至多只能按照额定值向系统输送2500kw有功功率。2010－2012年XX电站在该发明项目实施成功后，则可以在电网负荷高峰时期调峰时，向系统输送3100kw有功功率，为电网做出较大的贡献。2011年3－5月份，由于严重干旱，XX电站正常来水仅仅能发300－500kw，我们采用每天集中在8：00－10：00时，14：00－17：00时及20：00－23：00时几个高峰时段发电，发电时全部超发至3100kw，其它时段停机休息，对电网调峰起到较大作用，同时也提高了电站的发电效率。

在本发明的基础上又采用该种运行方法对电网进行调峰不仅仅适用于水电站，无论是火电还是核电，适用于任何原动机的交流发电机，只要原动机有裕度，发电机都可以采用提高功率因素多发有功功率，提高机组的调峰能力，缓解电网高峰时段的供电压力。

Claims (5)

1.一种提高发电机过负荷能力的方法，是通过提高发电机的功率因素cosφ，限制发电机输出无功功率，从而超发有功功率，并在电网的母线上设置静电电容补偿装置，补偿无功功率的方法。

2.根据权利要求1所述的一种提高发电机过负荷能力的方法，其特征在于，所述的功率因素cosφ的调整范围是从0.8到1。

3.据权利要求1所述的一种提高发电机过负荷能力的方法，其特征在于，所述静电电容补偿装置包括高压电缆上设置的电流互感器，所述的电流互感器通过高压电抗器连接高压电容器，所述的电流互感器与电网母线之间设置高压开关，所述高压电抗器和高压电容器之前还连接有电容器专用熔断器。

4.一种提高发电机过负荷能力的装置，包括发电机及其输出电网，所述电网的母线上设置有静电电容补偿装置，所述静电电容补偿装置用于补偿发电机限制发出的无功功率。

5.据权利要求4述的一种提高发电机过负荷能力的方法，其特征在于，所述静电电容补偿装置包括高压电缆上设置的电流互感器，所述的电流互感器通过高压电抗器连接高压电容器，所述的电流互感器与电网母线之间设置高压开关，所述高压电抗器和高压电容器之前还连接有电容器专用熔断器。