发电厂厂用电系统中无功功率运行现状浅析
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上海明华电力技术工程有限公司、上海上电漕泾发电有限公司、上海外高桥发电有限公司的研究人员张翼、张健等，在2018年第4期《电气技术》杂志上撰文指出，一直以来，由于发电厂的电源属性，其自身厂用电系统的无功功率消耗未引起重视。
本文针对发电厂厂用电系统的无功功率运行现状进行评估，并通过开展厂用电系统无功功率小号水平现场测试的方法，收集真实准确数据。通过实际数据分析得到发电厂无功消耗水平的高幅值且变化平稳等特点，本文得到的相关结论为未来针对发电厂厂用电系统进行准确实用地无功补偿提供了数据依据。
发电厂厂用电系统中配置大量的异步电动机、变压器等感性负荷，其运行过程中对无功功率需求强烈[1]。发电厂厂用电系统无功功率消耗水平高，引起机组额外的无功功率输出，从而影响机组对外系统无功输出的同时，也造成了厂用电系统电压运行区间下降，厂用电系统损耗增加、影响设备运行稳定性等后果，在大容量辅机起动等冲击性负荷投入时，厂用电系统电压剧烈波动[2]，甚至可能触发厂用辅机的低电压保护，从而导致严重后果。
一直以来，由于发电厂的电源属性，其自身厂用电系统的无功功率消耗未引起重视，电力系统的电压/无功控制通常分为分区域/分级控制，实现无功功率分层分区就地平衡[3-5]，作为电源点的发电厂如能减少或针对性补偿厂内无功消耗，不仅能减少内部无功流动带来的损耗，稳定厂用电系统电压，而且能够提升输出无功裕度。
因此，有必要针对发电厂厂用电系统的无功功率运行现状进行评估，这有利于今后有针对性地进行补偿和干预，从而达到有效改善电压质量、降低供电损耗与厂用电率，充分发挥发电设备的生产能力、延长使用寿命的目的。
1 影响厂用电系统无功水平的因素分析（略）
发电厂厂用电系统无功消耗主要分布在厂用辅机与厂用变压器两类负载中。发电厂，尤其是燃煤发电厂的高压厂用辅机主要以大容量三相异步电动机为主，在机组运行过程中，燃烧制粉、循环水、风烟系统等主要辅机系统消耗大量有功功率的同时，对感性无功功率的需求也较为突出[6]。
厂用变压器的无功功率消耗主要来自于变压器的变压过程中，通过无功功率建立和维持磁场从而进行能量转换。另一方面，厂用电系统电压也对无功功率水平产生影响。
1.1 厂内辅机无功消耗
1.2 变压器无功消耗
1.3 厂用电系统电压
2 无功功率对厂用电系统影响（略）
无功功率主要影响厂用电系统功率因数、电压与厂用电率。
2.1 无功功率对厂用电系统功率因数的影响
由于厂用辅机工况变化，厂用电系统功率因数也将随之波动，辅机无功功率相对固定，但在辅机有功负荷较轻时，系统功率因数处于较低水平。
厂用辅机低负荷、空载运转会造成电动机自然功率因数偏低，因此在厂用辅机选型时，应合理选择电动机容量，使之与机械负载相匹配，提高电动机的负载率是改善其自然功率因数以及全厂功率因数的主要方法之一。
2.2 无功功率对厂用电系统电压的影响
发电厂厂用电系统电压受到机组无功功率输出、系统网压、厂用电系统辅机工况、无功消耗等因素影响，其中，机组无功功率输出起到支撑电压的作用，而厂用电系统消耗无功功率将抵消一部分机组的无功功率输出。
此外，目前绝大多数入网机组均配置了自动电压控制（AVC）系统，AVC根据系统网压、潮流等参数自动调节机组自动电压调节器（AVR）的无功功率出力以达到稳定系统电压的目的，机组输出以及厂用电系统消耗无功功率的变化同时影响机端电压水平，而厂用电系统电压随发电机机端电压的变化而产生相应变化。
当机端电压或厂用电系统电压过高或过低时，AVC系统将单向闭锁甚至反向调节机组无功输出，无法持续满足网侧电压调节需求。因此，厂用电系统电压不仅受到厂内部无功输出与消耗的影响，还取决于外部无功平衡与电压波动。
2.3 无功功率对厂用电率的影响
厂用电系统中厂用辅机和变压器数量众多，厂用电系统的无功功率消耗将引起一定的有功损耗增加，而有功损耗的升高将直接增加厂用电率。
2.4 无功功率对厂内设备利用率的影响
在负载有功功率一定的前提下，若能够增加负载侧的就地无功功率补偿以减少变压器无功功率传输量，即相应增加了变压器容量储备，则减少的无功功率传输容量可增加相应有功功率的利用率。类似地，厂用电系统中动力电缆、开关等设备有功功率利用率也变相地得到增加。
图1 变压器能量传输示意图
3 实际测试数据及数据分析
3.1 试验环境
为了更直观准确地分析发电企业厂用电系统无功功率消耗以及分布情况，本文选择上海某百万机组发电厂作为测试目标电厂，开展厂用电系统无功功率测试。该电厂共有两台1000MW燃煤发电机组，厂用辅机众多，每台机组连接两台高厂变，每台高厂变分别对应两条6kV厂用电母线，即每台机组对应4条母线，其中两条重载母线、两条轻载母线。
该厂厂用电6kV母线接线图如图2所示，其中1A1、1B1、2A1、2B1为重载母线，其余为轻载母线，重载母线连接的主要大型辅机包括：一次风机、吸风机、增压风机、循泵等；轻载母线连接的大型辅机主要为一次风机、凝泵、浆液循环泵等。全厂功率大于1000kW的辅机见表1。
图2 上海某电厂全厂厂用电系统6kV母线接线图
表1 全厂功率大于1000kW的辅机列表
3.2 测试内容与目标
本测试对象分为典型大容量辅机与厂用电母线的无功与电压情况，测试主要目标是获取两方面数据，一方面是机组典型辅机与厂用母线的有功与无功需求，另一方面是典型辅机与厂用母线的功率因数变化，由于功率因数由无功与有功功率共同决定，因此，需同时对试验目标的有功及无功功率数据进行记录。
测试内容主要包括典型大容量辅机起动升负荷过程以及机组正常运行工况下厂用母线的无功消耗监测，被测对象分别为典型辅机与典型厂用电母线。在典型辅机的选择上，由于大容量辅机运行中无功功率消耗大，对厂用电系统功率因数影响也较为明显，因此在可选择的范围内中，本文选择了功率较大的增压风机2A作为目标辅机，同时，为了在厂用母线测试中便于比较分析，本文选择一条重载厂用电母线2A1与轻载厂用电母线2A2作为目标母线。
3.3 测试结果与分析
1）典型辅机测试
机组起动后，机组负荷由350MW上升至950MW过程，历时12min左右。同时针对典型大容量辅机-增压风机的有功、无功、电流、电压、功率因数等电气参数进行在线录波，录波结果如图3至图10所示。
由上述测试结果可知，增压风机2A由起动至高负荷阶段初期机端功率因数较低，随着负荷增加，有功功率与无功功率均有所上升，功率因数也随之提高，功率因数最大值为0.85。同时，通过电压曲线可以看出，在辅机起动工况下，电压有较大幅度的波动。
图3 增压风机2A功率因数
图4 增压风机2A无功功率
图5 增压风机2A有功功率
图6 增压风机2A进线电压
图7 母线2A1进线侧消耗有功&无功功率
2）厂用电母线测试
母线测试工况：机组负荷保持在700MW左右，以6kV 2A1母线以及2A2母线进线侧作为测试点，各连续在线录波一天以上时间。录波结果如图6至图9所示。
图8 母线2A1段功率因数
图9 母线2A2进线侧消耗有功&无功功率
图10 母线2A2段功率因数
由上述测试结果可知，厂用电母线的功率因数主要取决于母线有功功率消耗水平的变化，无功功率变化不大，维持在5Mvar左右，同时，母线功率因数基本在0.85左右。
3）测试数据分析
由测试记录数据分析可知，大型辅机起动时，无功功率消耗水平增加，但不及有功功率增加量。两条重载母线无功需求较为平稳，均为5Mvar左右，分析可知，发电厂厂用电系统无功功率消耗水平变动并不大，实际测试数据验证了作为厂用电系统主要无功消耗源的电动机与变压器无功消耗水平较为固定这一理论，但电动机与变压器数量较多，无功消耗总体水平较高。
4 结论
1）通过现场记录实际生产数据参数分析可知，发电厂厂用电系统无功功率消耗水平较稳定，随工况变化并不大，验证了电动机与变压器无功消耗水平较为固定这一理论。同时，发电厂总体无功消耗水平较高，如能针对性进行电容补偿，能够减轻机组的无功输出以及厂用电系统中的无功流动损耗。
2）以发电厂辅机与变压器作为主要无功消耗源，极大程度上影响了发电厂无功水平，而电动机、变压器的无功消耗水平主要取决于硬件结构，较为固定。可采用类似减少电机备用容量，减少无功消耗等方法来解决问题。
3）无功功率消耗对发电厂厂用电系统功率因数、电压、厂用电率及设备利用率等方面产生影响。