暖墙韦雯斐，韦 琪
（云南保山电力股份有限公司， 云南 保山 678000）
摘 要：千佛洞电站充分利用丰水期水资源，在额定容量的前提下，发电机限制发无功功率，超发有功功率达20%-25%。无功功率不足部分通过装设高压电容无功功率补偿装置进行补偿。实际应用表明该项措施充分利用了水资源，提高了发电机的能效，取得了良好的社会效益和经济效益。 关键词：水电站；补偿无功；超发有功
中图分类号：TV734.2文献标识码：A 文章编号：1673-8241(2012)12-0025-05
第12期（总第94期）2012年12月
No. 12（TOTAL No. 94）
Dec., 2012
中国水能及电气化
China Water Power & Electrification
收稿日期：2012-09-18
采摘网作者简介：韦雯斐 (1977-) , 女, 工程师, 主要从事电气化建设、管理工作。E-mail: weiqi0616@126
1 千佛洞电站概况
云南省保山市千佛洞电站是2007年投产的新电站，装机容量2×1250kW ，电站坝址控制
径流面积1084km 2，坝址海拔高程1515.3m ，多年平均径流量47619万m 3，多年平均流量 15.1m 3。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1.2m 3/s ，
Study of Extra-generated Active Power of Qianfodong Hydropower Station
WEI Wen-fei, WEI Qi
(Yunnan Baoshan Power Co., Ltd., Baoshan, 678000, China )
Abstract: Qianfodong hydropower station takes full advantage of water resources during wet period,
thereby the power generators are limited to generate inactive power under the premise of the rated capacity, and the extra-generated active power is up to 20-25 %. The insufficient part of inactive power can be compensated through installation of high-voltage capacitor reactive power compensation device. The actual application shows that the measures make full use of the water resources, improve the energy efficiency of the generator, and achieve good social and economic benefits.
Key words: hydropower station; reactive compensation; extra-generated active power
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9.8m 3/s ，设计水头32.5m ，装机容量2×1250kW ，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。千佛洞电站主要机电设备参数见表1。
表1 千佛洞电站主要机电设备参数2 超发有功功率方案
保山电网为地方电网，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，但需要增加投资。在对电站水工及机电设备做了分析论证后，千佛洞电站提出了维持原有水轮发电机组不变，在丰水期实施
水轮机（两台）
型号HLA551－WJ －88
设计水头HP=31.7m
设计流量Qr=4.9m 3/s （单台机）
设计出力Pr=1600 KW 额定转速nr=500r/min
发电机（两台）
型号SFWE-K1250-12/1430
额定容量1562.5kV A 额定功率1250kW 额定电压 6.3kV 额定电流143.2A 额定励磁电压134V 额定励磁电流165A 绝缘等级F/F
变压器
型号S7-3200/35额定容量3200kV A
额定电压38.5±2×2.5/6.3kV
接线组别
Y ,d11
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2010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2011年丰水期来临前装设高压电容无功功率补偿装置，于2011年丰水期正式投入运行。2010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 超发有功功率的可行性分析
（1）理论上的依据分析
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=UI
有功功率：P=UIcosφ=S·cosφ 无功功率：Q=UIsinφ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
研究与探讨
Research & Discussion
在不超出以上运行极限的前提下超发有功功率，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。
发电机有功功率超发5%～20%是有可能的，超发有功功率的关键在于原动机，只有原动机具有超负荷潜力，才谈得上发电机的超发。一般水轮机在设计制造时都留有一定的裕量，且多数老旧水轮机转轮效率都很低，都可以更换高效率转轮提高输出功率，具体情况要根据各个电站的情况具体分析解决。
4 方案实施及经济效益
千佛洞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2010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2011年丰水期来临前装设高压电容无功功率补偿装置，并于2011年丰水期正式投入运行。2010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，千佛洞电站两台发电机5个月长时间稳定地超负荷20%～25%，比前三年同期平
一般情况也不能超过额定值太多。φ是电流I 和电压U 之间的夹角，是唯一可以改变的因素。通常发电机的额定功率因素为：cosφ=0.8，其有功功率P=
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UIcosφ=0.8S ，即有功功率为视
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，此时：Sinφ2=0，无功功率Q=
UI.sinφ2=0，有功功率P=
UIcosφ2=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
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。
（2）相关运行规程上依据
《DL/T751-2001水轮发电机运行规程》中规定：允许用提高功率因素的方法把发电机的有功功率提高到额定视在功率运行，但应满足电网稳定的要求。发电机提高功率因素运行是规程允许的。
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，不超前进相运行，确保发电机安全稳定运行。
研究与探讨
Research & Discussion
均实际发电量超发达239余万kW·h 。千佛洞电站正常满载运行及超载运行参数见表2。
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7500kV ar·h 。千佛洞电站2010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kV ar·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。
5 无功功率补偿设计
2010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，电站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。
（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。
千佛洞电站高压室较小，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20m 2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。
项目额定值一号发电机
二号发电机
正常运行值超载运行值正常运行值超载运行值电压(kv) 6.3 6.2－6.6 6.2－6.55 6.2－6.6 6.2－6.55电流(a)143.2140－145140－145140－145140－145功率因素0.80.78－0.850.96－0.980.78－0.850.96－0.98励磁电压(v)134130－135130－135130－135130－135励磁电流(a)165155－170160－170155－170160－170有功功率(kw)12501200－12701400－16001200－12701400－1600无功功率(kvra)
937.5890－970360－480
900－970360－480
发电机定子线圈T1-T6点最高温度(℃)T1—89.989.990.090.0T2—87.487.587.487.6T3—88.788.788.988.9T4—89.089.188.688.8T5—89.289.289.389.4T6
—
87.487.6
88.6
88.8
表2 千佛洞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。赵时碧
2.发电机定子线圈（F 级绝缘）最高允许温度为155℃。
研究与探讨
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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=3100k W （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=S2sinφ1=2325kVar（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=942kV ar，此时需要高压电容补偿容量为：
Qb=Q2=Qf=2325=942=1383kV ar
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1800kV ar。
（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。
无人机控制系统（5）无功补偿装置投资经济效益
预计投资23万元，投入运行两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2011年1月份结束。2011年，保山地区前期雨水较调匀，5～6月份陆续下了几场雨，后期天旱，雨水较往年偏少20％左右。千佛洞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。2011年千佛洞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，同时对电网也做出了较大的贡献。
7 结语
水电资源是可再生清洁能源，面对越来越紧张的能源形势，如能够采取有效措施对已经开发的小水电资源都进行挖潜改造，对于目前深入开展“节能减排”，倡导低碳生活，减缓能源危机将有着重大的社会意义和经济意义。这项技术在目前水利部实施的老旧水电站“增效扩容”改造项目设计中可以借鉴，也可以推广至大中型电站。
参考文献：
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胡虔生, 胡敏强. 电机学[M]. 北京: 中国电力出版社, 2005.
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赵鑫. 论小水电站运行中发电机并网运行的几种状态[J]. 商情, 2009(3): 17-18.
DL/T751-2001 水轮发电机运行规程[S].
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