火力发电厂的有功功率与无功功率
火力发电厂的有功功率与无功功率
一、前言
火力发电厂是将燃料的化学能转化为电能及热能的一个庞大而又复杂的生产工厂，其源源不断地向电网输送着电能，在电力系统中起着不可或缺的重要作用。发电厂向外输送的电能一部分被转化为其他机械能、光能或热能，这部分能量被称为有功功率。另外一部分电能为建立交变磁场和感应磁通而需要的电功率，比如电容把电能存起来，把它转换成电场能；电感线圈把电能以磁场的形式存起来。电厂把电能送给它们了，它们存起来而不是做功，这样的功率就称为无功功率。下面就详细了解一下有功功率与无功功率。
二、有功功率
有功功率是将电能转换为其他形式能量(机械能、光能、热能)的电功率，称为有功功率。是指单位时间内实际发出或消耗的交流电能量，是周期内的平均功率。单相电路中等于电压有效值、电流有效值和功率因数的乘积。多相电路中等于相数乘以每相的有功功率。以字母P表示，单位主要有瓦(W)、千瓦(kW)、兆瓦(MW) 。交流电的瞬时功率不是一个恒定值，瞬时功率在一个周期内的平均值叫做有功功率，因此，有功功率也称平均功率。
三、无功功率
无功功率是指在具有电抗的交流电路中，电场或磁场在一周期的一部分时间内从电源吸收能量，另一部分时间则释放能量，在整个周期内平均功率是零，但能量在电源和电抗元件（电容、电感）之间不停地交换。交换率的最大值即为“无功功率”。单相交流电路中，其值等于电压有效值、电流有效值和电压与电流间相位角的正弦三者之积。单位为Var、kVar。无功功率决不是无用功率，它的用处很大。电动机需要建立和维持旋转磁场，使转子转动，从而带动机械运动，电动机的转子磁场就是靠从电源取得无功功率建立的。变压器也同样需要无功功率，才能使变压器的一次线圈产生磁场，在二次线圈感应出电压。因此，没有无功功率，电动机就不会转动，变压器也不能变压，交流接触器不会吸合。
无功是无功类设备（电感、电抗）与电网进行能量交换的速率。应强调的是交换的速率，而不是交换过程中的损耗，即在交换过程中由于漏磁、介质损耗等能量的损失并不属于无功，这些是因无功过程中引起的有功损耗。再明白点说明无功的定义及与有功的分别；电网中存在电能，当电流通过负荷时，会产生机械运动、光、热能等其它能量的表现，这实际上电能转换成机械能、光成与热能等，这种转换速率我们称为有功，转换的结果就是电
能的消耗，其主要特征是当电能通过负荷转换成其它型式的能量后，并不能立刻变回电能（一个周期内）。而有些特殊的设备（如电抗器、电容器），当电流流过它们时，在半个周期内，电能会转变成磁能或场能等形式，但在后半个周期内，这些能量会转变回电能并反送回电网，因此从整个周期来看，设备没有从电网中吸收任何电能，只是不断的作能量交换（是交换而不是转变），为计算交换的速率，因此定义无功这个概念，这类设备就是无功负荷。
四、无功功率损耗：变压器中的无功损耗和电力线路上的无功损耗
变压器中的无功功率损耗分两部分，即励磁支路和绕组支路中损耗。其中，励磁支路损耗的百分数基本上等于空载电流的百分数，约为1%~2%；绕组漏抗中损耗在变压器满载时，基本上等于短路电压的百分数，约为10%。因此，对一台变压器或一级变压的网络而言，变压器中的无功功率损耗并不大，满载时约为它额定容量的百分之十几。相对多电压级网络，变压器中的无功功率损耗就相当可观，典型计算的结果表明系统中变压器的无功功率损耗占相当大比例，较有功功率损耗大得多。
电力线路上的无功功率损耗也分两部分，即并联电纳和串联电抗中的无功功率损耗，并联
电纳中的这种损耗又称充电功率，与线路电压的平方成正比，呈容性。串联电抗中的这种损耗与负荷电流的平方成正比，呈感性。因此，线路作为电力系统的一个元件究竟消耗容性或感性无功功率就不能肯定。当线路输送有功功率达到某个值的时候，此时线路消耗和产生的无功正好平衡，此时输送的功率就称为自然功率。它主要用来分析输电线路的输电能力、电压和无功调节等问题。当线路输送自然功率时，由于线路对地电容产生的无功与线路电抗消耗的无功相等，因此送端和受端的功率因数一致；在超高压输电时，当输送功率低于自然功率时，由于充电功率大于线路消耗无功，必然导致线路末端电压升高；相反，当线路输送功率大于自然功率，由于无功不足，需要额外的无功补偿，在没有无功补偿的情况下，线路电压末端就会下降。所以，线路在输送自然功率的时候，最合理。
五、发电机无功功率随有功功率的变化分析
《电机学》一书中详细阐述了调节发电机有功功率和无功功率时两者之间的相互影响，最终得出一个众所周知的结论，即调节无功时，有功不变，调节有功时，无功反方向变化。但是在实际生产过程中，绝大多数机组，在没有人为干预的情况下，调节有功时，无功功率基本不会出现《电机学》理论中所描述的那种规律发生反方向变化的，当然不排除轻微
反方向变化以及无功不变的现象出现，但是大多数情况下两者是同方向变化的，即增加有功，无功也增加，减少有功，无功也减少。
利用发电机功角变化来进行分析，前提是励磁保持恒定，发电机能否送出无功以及送出无功的多少与电压差ΔU有关，这个电压差ΔU是指发电机的电动势E0和端电压UN的同相部分的电压差，参照《电机学》中的同步发电机迟相运行时的相量图，相量图是以发电机端电压UN为一个参考相量，即NU为一个垂直向上的箭头，其保持固定不动。电动势E0在UN箭头的逆时针侧，且为一个长度大于UN的箭头，两者之间形成一个夹角δ即发电机功角。所谓同相部分的电压差，就是指把E0箭头向参考量UN或者说是垂直轴上的一个投影，这个投影的长度比UN箭头要长，E0箭头在垂直轴上的投影长度减去UN箭头的长度即为两者同相部分的电压差ΔU，只有这个电压差才会产生无功电流，并且是电压差ΔU越大，发电机输出的无功功率就越大，如果电压差ΔU变小，则发电机输出的无功功率就减小。又根据发电机功角特性可知，当发电机送出有功功率时，电动势E0就与端电压UN错开一个δ角即发电机功角，当有功越大时，δ角越大，此时可以想象E0又往逆时针的方向转了一个更大的角度，那么它在垂直轴上的投影高度就更短了，所以用它减去UN所得到的无功电压差ΔU就变小了，因而无功自动减小，当然电压也就会适当降低。反之，当有功减小时，功角δ也随
之减小，无功会自动增加，电压也会适当升高。
    总之，因发电机常带感性负载，无功功率、机端电压随负载电流的增大而减少，这是因为当感性负载增加时，由于电枢磁场对转子磁场呈去磁作用，同时漏抗压降随之增大，所以无功功率、端电压随之下降。而发电机带容性负载时，电枢磁场对转子磁场呈助磁作用，会发生相反现象。前提只要励磁电流是恒定不变的，也就是忽略励磁调节器的作用，有功增加时，发电机无功出力就会自动减小，在外界无功用户不变的情况下，则会出现无功缺额，发电机电压会出现下降现象，直到外界用户在电压下降时所耗无功自动减小重新与发电机无功出力达到平衡，电压则会下降到一个新的平衡点稳定运行。反之有功减少时，无功出力会自动增加，在外界无功用户不变的情况下，则会出现无功过剩，发电机电压会出现升高现象，直到外界用户在电压升高时所耗无功自动增加重新与发电机无功出力达到平衡，电压则会升高到一个新的平衡点稳定运行。
考虑自动励磁调节器作用时，励磁调节器（在此只考虑调节器在自动通道恒电压方式下）是以发电机端电压作为被调量的，也就是说励磁调节器的作用就是要维持机端电压不变，所以由上面分析可知，在机组稳定运行，励磁不变的时候，如果增加有功功率则会使发电
有功功率和无功功率机的端电压适当降低，那么此时考虑到励磁调节器的存在，当发电机端电压降低，则会使励磁调节器自动增加励磁来维持机端电压。所以正是由于该调节作用，使得发电机在有功增加时，无功会基本维持不增不减。当然由于纯电机角度的分析因素的作用一般也会呈现略微减少的趋势，但是有时也会略微升高。总之调节器的特性参数不同及外部变工况，所以不是一个固定的规律。但基本上是可以维持有功增加时无功不变的，至少不可能会出现纯电机角度分析结论那种明显规律的反向变化。
六、结束语
电压、频率、有功功率、无功功率是电力系统最重要的电气量，它们之间存在着复杂的关系，关系到电力系统的稳定性及经济性。正确、合理地分配有功与无功负荷能够使系统运行的更加安全、稳定、经济。在日常生产过程中，我们运行人员要时刻关注有功功率、无功功率、功率因数、机端电压、定子电流等参数的变化，做好参数对比与分析，及时发现异常并妥善处理。

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