ORC异步发电机发电阶段功率因数偏低的原因分析及对策

李海明

（南京天加热能技术有限公司，江苏 南京 210046）

0 引 言

某ORC低温余热发电项目利用石灰窑回转窑尾部烟气余热经换热器加热热水，高温热水引至ORC发电机组后，经透平装置带动发电机发电。项目共投入两台ORC发电机组，每台发电机组发电功率280 kW，配套外围用电设备约50 kW。发电机组与外围用电设备引至现场低压配电柜，再由现场低压配电柜进线柜采用电缆方式引至并网柜，发电系统图如图1所示[1]。

图1 发电系统图

1 运行状况

该发电系统运行后，发电机组运转正常，发电机正常发电。但是，在异步发电机启动过程中，从电机阶段转入发电阶段后，系统的功率因数由0.85下降至0.56。根据规范的要求，发电系统的功率因数应不小于0.9[2]，可见本项目发电机组运行时的状态不满足要求。发电机组停止运行，需要原因，解决发电系统功率因数过低的问题，实现发电机组的长时间稳定运行。

2 原因分析

功率因数主要反映有功功率出力在设备容量中所占比重，与设备的有功功率、无功功率和视在功率有关[3-5]。

有功功率P、无功功率Q和视在功率S的关系如下：

功率因数cosφ表示为：

有功功率P、无功功率Q与功率因数cosφ之间的关系为：

综上，功率因数如果要从cosφ=0.85补偿到cosφ=0.92，其补偿量B的计算方式为：

式中cosφ为补偿前功率因数，cosθ为补偿后功率因数，B为所需无功补偿量。

异步发电机所需的励磁电源完全引自电网，这就需要对系统进行无功补偿才能提高功率因数。针对发电机在启动阶段功率因数无变化而在发电阶段功率因数下降的问题进行了如下分析。

（1）异步发电机在启动阶段还未进入发电阶段时，可认为异步发电机是一台电动机，异步发电机此时既向电网系统吸收无功功率，也在吸收有功功率。

假定发电机额定功率为280 kW，需用系数K=1，功率因数cosφ=0.85，通过计算公式可知在发电机启动阶段的无功补偿量，结果如表1所示。

每台ORC发电机组自带补偿容量为55 kVar，因此低压配电室现有无功补偿是满足要求的，对电网功率因数几乎无影响，与项目中异步发电机启动阶段时的状态一致。

（2）异步发电机进入发电阶段后有功功率P仍然为280 kW，但此时方向与之前相反，发电机是向电网系统吸收无功而向电网发出有功的。假定配电系统中有一台280 kW的ORC发电机组，且系统电源输出功率不变，需用系数K=1，功率因数cosφ=0.85，同样通过计算可知在发电阶段的无功补偿量，结果如表2所示。

根据表2的计算结果可知，异步发电机在发电阶段所需的无功补偿大于其在启动阶段的无功补偿量。由于发电机组自身的无功补偿量远小于所需的无功补偿量，所以导致异步发电机在转入发电阶段后电网功率因数大幅度下降。因此，本项目中异步发电机转入发电阶段后功率因数下降的原因是无功补偿不足。

表1 发电机启动阶段的无功补偿量

表2 发电机进入发电阶段的无功补偿量

3 处理对策

根据上述分析结果，项目想要提高异步发电机在发电阶段下的电网功率因数，需要增加无功补偿。现假定配电系统视在功率始终保持不变，在两台ORC机组和外围运行设备50 kW设备投入运行后，通过计算，系统所需的无功补偿量B≈348 kVA。

在对电气系统整改的过程中，电气系统中增加了两台无功补偿柜，共内置20组电容，无功补偿总量为600 kVA。整改完毕系统再次运行后，采取手动方式一组一组电容投入，在将无功补偿柜内12组电容依次投入使用后，功率因数由0.56上升至0.92，满足JGJ 16-2008《民用建筑电气设计规范》第3.6.2条的要求，发电机组可以持续运行，问题得到妥善解决。

4 结 论

（1）异步发电机在启动阶段和发电阶段无功补偿量不同，不能按照启动阶段的补偿量进行计算，需要详细了解分析整个低压系统配电情况。

（2）异步发电机在发电阶段电网功率因数下降的原因在于系统内的无功补偿不足，可通过增加系统无功补偿的方式解决问题，使电网功率因数回归正常。