同步发电机无功功率的调节与电力系统稳定度-

同步发电机无功功率的调节与电力系统的稳定度1、引言某造纸有限公司自备电厂26MW发电机组是我司正常稳定生产的重要能源供应设备。8月投入运营，运营状况良好。进入，随着公司用电负荷的不断增长，两个造纸分厂部分设备的逐渐老化，使其用电设备的无功损耗进一步加大，10kv系统电压常常在规范下线运营，有几次因系统电压低于规范规定致使重要生产设备保护动作掉闸，影响了公司的正常生产。2、因素自备电厂发电机组输出的无功功率不可以及时满足负载对无功功率的需求，致使公司10kv电力系统电压低下，即输出电能的质量已变劣是导致重要生产设备保护动作掉闸的主线因素。我们懂得，电力系统输出电能质量的优劣是衡定电力系统稳定度的重要条件，而电能质量的优劣重要体目前能否维持系统电压的正常水平。3、同步发电机无功功率的调节原理及因素分析实践可知，在电力系统的总负载中，既规定供应有功功率，又规定供应无功功率。电力系统的重要动力负载是功率因数较低的三相异步电动机，如果发电机发出的无功功率不能满足电力系统（也就是负载）对无功功率的规定，就会引起整个系统的电压下降，这时电力系统输出的电能质量逐渐变劣，这不仅对负载的工作不利，并且直接威胁整个电力系统的稳定运营。因此，发电机与电力系统并列运营后来，如何调节发电机输出的无功功率？尤为重要。一方面，我们分析发电机与电力系统并列后空载运营的状况。空载运营时，发电机中没有电枢反映，空载电动势和系统电压相等，定子绕组中无电流，这时的励磁电流为正常励磁电流；当增大励磁电流时，空载电动势增大，由于系统电压不能变化，定子绕组浮现电压差，这个电压差使定子产生电流，这个电流在相位上要滞后于电压差 90，同步也滞后于系统电压，就是说此时发电机向电力系统输出了电感性无功功率，这种状态为过励状态（励磁电流超过正常励磁的电流）；当调节励磁电流使它不不小于正常励磁时，空载电动势不不小于系统电压，定子绕组又浮现一种电压差，该电压差使定子产生电流，而这个电流在相位上比系统电压越前90，此时发电机向电力系统输出了电容性无功功率，这种状态为欠励状态。由此可见，当发电机空载时，如果不变化原动机（汽轮机或水轮机）的功率而只调节励磁电流，发电机的功率角并不变化，因此不能变化发电机输出的有功功率，只变化输出的无功功率。另一方面，我们分析发电机与电力系统并列后带有负载时运营的状况。我们懂得，发电机的输出功率（Pem）由它的功角特性决定，即： Pem=3E0Usin/Xd （E0为空载电动势，U为电力系统电压，为功率角，Xd为发电机电枢反映电抗）功率极限值（Pmax）是： Pmax=3E0U/Xd当发电机与电力系统并列运营时，电力系统电压（U）、发电机电枢反映电抗（Xd）都是常数，变化励磁电流的大小，将使空载电动势（E0）发生变化。因此，当增长励磁电流使空载电动势（E0）增大时，功率极限值（Pmax）就要增大，当减小励磁电流使空载电动势（E0）减小时，功率极限值（Pmax）也要减小。图1所示就是不同励磁电流时发PemP0abcde123Pmax2Pmax1Pmax3电机的功角特性曲线，曲线1代表正常励磁状况，曲线2代表过励状况，曲线3代表欠励状况，可以看出，它们虽然都是正弦曲线，但是具有不同的最大值。我们假设，在正常励磁状况下，发电机的功率因数cos=1，即发电机的定子电流İa与端（电力系统）电压同相位，不输出无功功率。从发电机的简化相量图（图2（a）可知，定子绕组的同步电抗压降=jİaXd，比İa越前90，E0U；这是发电机在功角特性（见图1）曲线1的a点运营，相应的功率角为1，输出的有功功率为P=3UIaCOS=3UIa，输出的无功功率为零。当增大励磁电流时，空载电动势由E0增大到E0（见图2（b），此时功角特性是（见图1）曲线2，在刚刚增大励磁电流时，由于贯性功率角1还来不及变化，工作点由（图1）曲线1上的a点移到曲线2上的b点，由于原动机（汽轮机或水轮机）的输入功率并没有0İa10İa203İa(a)正常励磁状态，无功输出为零。 (b)过励状态，输出感性无功功率。 (c)欠励状态，输出容性无功功率。变化，因此发电机的电磁功率不小于输入功率，即电磁反转矩比托动转矩大，转子开始减速，功率角减小。当功率和转矩达到平衡时，工作点回到c点（见图1曲线2），功率角是2。从相量图（图2（b）可以看出，空载电动势E0E0，功率角21，电压差与相位差不再是90，因此由所产生的定子电流İa（İa比滞后90）不再和同相位，而是比滞后角，即发电机的功率因数COS1。由于原动机输出的有功功率没有变化，但同步还输出了感性的无功功率，这种状态为发电机的过励状态。如果减小励磁电流，则发电机的空载电动势减小，功角特性见图1中的曲线3，新工作点为e点，此时E0E0，功率角31，从相量图（图2（c）可以看出，电流İa比端电压越前一种角，阐明发电机在输出有功功率（由于原动机功率不变，发电机输出的有功功率并不变化）的同步，还输出了容性的无功功率，这种状态为欠励状态。综上分析可知，不变化原动机的功率而只调节发电机的励磁电流时，输出的有功功率不能变化，而无功功率则可以受到调节。在过励状态下，励磁电流愈大，发电机输出的感性无功功率愈大；在欠励状态下，励磁电流愈小，发电机输出的容性无功功率愈大。因此，调节发电机的励磁电流就可以调节发电机的无功功率。结合发电机功角特性曲线上可进一步看出，励磁电流增长后来，发电机的功率极限值也跟着增大，致使发电机的静态稳定度也随着提高，从而使电力系统的稳定度有所提高，即维持电力系统正常电压的能力将有所提高。由于同步发电机的额定功率因数一般为0.8或0.85（滞后），即在一般状况下，发电机都是在过励状态下运营，输出的是电感性无功功率。而作为电力系统的重要负载大部分是感性负载，在运营中会消耗大量电感性无功功率，致使系统电压减少。为此，各电厂电气运营人员应密切监视电力系统的运营状况，按照发电机运营规程及时调节运营中发电机的输出（电感性）无功功率，满足系统负载对无功功率的需求，以便维持电力系统电压正常运营。4、采用的措施 通过以上探讨可知，为提高电力系统的稳定度，需采用如下措施：a) 自备电厂电气运营人员要密切监视公司10kv系统电压的运营状况，运用以上调节原理及时调节发电机输出的（电感性）无功功率，进而满足系统负载对无功功率的需求。b) 自备电厂26MW发电机组运营中的功率因数应调节在0.80.9之间，必要（系统电压低下）时可以调在0.8如下运营，但须时刻监视励磁电流的大小，不容许超过励磁装置及发电机转子的电流规范规定。c) 造纸分厂在启动100kw以上电机时，要预先告知自备电厂当值值长或电气班长，自备电厂电气人员接到告知后，在调节运营中发电机输出有功功率的同步，还必须及时调节运营中发电机输出的（电感性）无功功率，满足负载对感性无功的需求，保证公司10kv系统电压正常稳定运营。d) 对造纸分厂部分老化设备要逐渐进行改造或更换。对某些无功损耗大或功率因数较低的设备电源线路上加装无功补偿装置，提高其功率因数。5、结束语通过实行，公司10kv电力系统电压始终保持在10.110.5kv之间，公司所有生产用电设备都可以正常运营。因系统电压低下而保护动作掉闸的现象已不再发生，公司的生产状况较好。总之，在现代电力系统中，调节发电机励磁的作用不仅是为了调节无功功率，并且还是提高电力系统稳定度的有效手段之一。同步发电机无功功率的调节是所有电厂保障和提高电力系统稳定度的重要运营方式，也是电厂电气运营人员保证电力生产安全、经济运营的必修课题。发电机无功功率的手、自动调节-08-26 05:33:26|分类： 默认分类 |标签： |字号大中小订阅 一、问题的提出 电机学一书中具体论述了调节发电机有功功率和无功功率时两者之间的互相影响，最后得出一种众所周知的结论，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，在没有人为干预的状况下，调节有功时，无功功率基本不会浮现电机学理论中所描述的那种规律发生反方向变化的，固然不排除轻微反方向变化以及无功不变的现象浮现，但是大多数状况下两者是同方向变化的，即增长有功，无功也增长，减少有功，无功也减少。这种现象引起了不少疑问，在此便具体分析一下实际生产过程中，机组的无功功率究竟是如何随着有功功率变化的，为什么会浮现与理论书中结论相反的状况。二、无功变化的理论分析 （一）纯电机角度的分析1. 运用电枢反映的原理进行分析：如果忽视励磁调节器的话，在电机学的同步电机电枢反映章节中有提到，增长无功，有功不变，增长有功，无功变小。这是由于，励磁如果是恒定不变的，那么在增长有功的时候，励磁用于交轴电枢反映的部分就多了，由于有功功率是靠电机的交轴电枢反映来实现的，那么用于直轴电枢反映的部分就少了，而无功功率正是由直轴电枢反映来实现的，这样加有功的时候无功就会减少，固然电压也就会合适减少。等于是固定不变就那么多的励磁电流，要么用作交轴反映来实既有功，要么就用作直轴反映来实现无功，在加有功时，交轴电枢反映用的励磁多了，那么励磁分给直轴电枢反映来实现无功的部分就少了。因此由于电枢反映，增长有功功率会产生去磁作用，最后导致发电机欠磁，无功功率减少，电压减少。 2. 运用发电机功角变化来进行分析：前提同样是励磁保持恒定，发电机能否送出无功以及送出无功的多少与电压差U有关，这个电压差U是指发电机的电动势E0和端电压UN的同相部分的电压差，注意是同相部分的电压差，具体可参照电机学中的同步发电机迟相运营时的相量图，相量图是以发电机端电压UN为一种参照相量，即NU为一种垂直向上的箭头，其保持固定不动。电动势E0在UN箭头的逆时针侧，且为一种长度不小于UN的箭头，两者之间形成一种夹角即发电机功角。所谓同相部分的电压差，就是指把E0箭头向参照量UN或者说是垂直轴上的一种投影，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U，只有这个电压差才会产生无功电流，并且是电压差U越大，发电机输出的无功功率就越大，如果电压差U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错开一种角即发电机功角，当有功越大时，角越大，此时可以想象E0又往逆时针的方向转了一种更大的角度，那么它在垂直轴上的投影高度就更短了，因此用它减去UN所得到的无功电压差U就变小了，因而无功自动减小，固然电压也就会合适减少。反之，当有功减小时，功角也随之减小，无功会自动增长，电压也会合适升高。 总之，无论从纯电机的任何一种方面去推论，前提只要励磁电流是恒定不变的，也就是忽视励磁调节器的作用，有功增长时，发电机无功出力就会自动减小，在外界无功顾客不变的状况下，则会浮现无功缺额，发电机电压会浮现下降现象，直到外界顾客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，电压则会下降到一种新的平衡点稳定运营。反之有功减少时，无功出力会自动增长，在外界无功顾客不变的状况下，则会浮现无功过剩，发电机电压会浮现升高现象，直到外界顾客在电压升高时所耗无功自动增长重新与发电机无功出力达到平衡，电压则会升高到一种新的平衡点稳定运营。 （二）考虑励磁调节器的影响分析1. 从机组自身的因素分析调节器的影响：从纯电机的角度分析完，可以得出一种结论，当发电机励磁恒定期，增长发电机有功，则会使无功功率自动减少，最后发电机电压会合适减少，或者从此外一种新的角度来分析，当发电机有功增大时，发电机定子电流也增大，那么发电机定子绕组的阻抗压降就会增大，最后还是引起了发电机机端电压减少。 自动励磁调节器（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，因此由上面分析可知，在机组稳定运营，励磁不变的时候，如果增长有功功率则会使发电机的端电压合适减少，那么此时考虑到励磁调节器的存在，当发电机端电压减少，则会使励磁调节器自动增长励磁来维持机端电压。因此正是由于该调节作用，使得发电机在有功增长时，无功会基本维持不增不减。固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，因此不是一种固定的规律。但基本上是可以维持有功增长时无功不变的，至少不也许会浮现纯电机角度分析结论那种明显规律的反向变化。由于发电机励磁调节器的存在，当发电机有功增长时，无功不会浮现纯电机角度所分析的那样明显减少。固然励磁调节器特性是不完全同样的，但虽然励磁调节器调节作用局限性以抵消增长有功所带来的去磁作用，也绝对可以抵消绝大部分去磁作用了，因此最多会有一种轻微的无功减少趋势。固然如果励磁调节器调节作用不小于增长有功所带来的去磁作用，那么不仅此时可以完全弥补有功增长所带来的去磁影响，甚至无功还会有增长的趋势。可见，由于调节器自身特性的差别，也许会浮现不同的成果。但是无论成果如何，从主线上讲，由于调节器自身是用来维持机端电压的，因此调节器在发电机增长有功时会自动增长励磁，那还是由于发电机端电压在受到有功增长的去磁影响后而减少了，这时调节器增长励磁只是为了恢复正常的电压，也就是说仅仅是为了弥补增长有功浮现的励磁缺额，因此发电机此时增长的励磁基本上所有都用在了有功功率的增长上，最后使发电机在有功功率增长后也不浮现欠磁，从而维持端电压不变。发电机在有功增长时会使端电压减少，由于励磁调节器会自动增磁维持发电机端电压，正是由于此时调节器自动增磁，则不会浮既有功增长，无功明显减少的现象。固然，这时也会有一种新的问题，就是众所周知增长励磁时发电机无功功率会自动增长，那么在增长有功时，励磁也是在自动并且大量增长的，那么无功此时会大量增长吗？这里可以解释一下，电机学的发电机无功功率调节章节中分析调节励磁变化无功的前提是发电机输出有功不变，也就是说增长励磁无功增长的前提是发电机其他条件基本不变的，至少发电机有功是不变的，那么增长的励磁便所有用在了升高电压增大无功上，因此才会有了增长励磁，无功增长的结论。但是在增长有功的状况下大量增长励磁，发电机仍然只是为了维持着机端电压不减少，发电机的端电压只要不变，则阐明无功功率的供需是基本平衡的，那么此时觉得外界无功顾客是基本不变的，发电机此时的无功出力也不会有什么大的变化。最后这种状况下增长的励磁重要还是用在了增长的有功上，对无功影响不大，因此这里在增长励磁时，无功是不会明显增长的。总之，在忽视了调节器特性差别后，我们假设外界条件不变的状况下，可以得出的结论为，调节有功功率时，励磁调节器只可以基本维持无功不变。也不排除轻微增长或者轻微减少的状况，但可以肯定不会明显增长或者明显减少。固然实际状况中要考虑到大量外部因素，无功也许会因外界其他因素而明显变化，下面便具体分析。 2. 从机组以外的因素分析调节器的影响：（1）外界系统运营方式的变化：例如投切线路的电容效应和投切电抗器等元件都会使整个系统的无功电源及无功顾客状况发生变化，最后机组无功功率也会发生不拟定的变化。（2）外界机组出力的变化：同一电网的其他机组加减出力的同步也会影响其无功出力，以及机组的启停，均会导致电网无功的不平衡，系统电压变动，最后也会使机组无功功率发生不拟定的变化。（3）考虑系统功率传播机理：传播有功功率需要无功功率的支撑，因此调节有功时，例如增大有功，此时要在恒定电压下输走更多的有功，那么需要支撑的无功也就更多，如果无功支撑局限性，则会引起电压下降，最后也会导致励磁调节器自动增长励磁，具体我们可以对输电系统中的两大元件即输电线路和变压器进行展开分析。根据输电线路自然功率的概念可知，输电线路既由于其电容效应可以发出无功，也由于其存在串联阻抗在输电过程中电流流过线路的串联阻抗又要消耗无功，因此有功越大，线路的电流越大，消耗的无功就越大，特别是输电功率高于自然功率时，线路自身的电容效应所产生的无功已局限性以供线路自身所耗无功了，线路则要从系统吸取无功了。根据变压器自身无功损耗公式可知，变压器传播有功的过程中，会消耗大量无功，传播的有功越大，消耗的无功就越大，当变压器传播有功功率达到满载时，其自身消耗的无功可达变压器额定容量的10%15%。由上述分析可见，当系统中无功出力与无功顾客平衡，电压不变的时候，此时若机组增长有功，则会直接导致输电系统传播的有功功率增大，电流增大，那么系统自身在传播有功时消耗的无功也自然增大，因此无功出力与无功顾客不再平衡，无功出力已经不能满足无功顾客的需要，也就是说浮现了无功缺额从而引起电压下降，最后励磁调节器会自动增长励磁来提高机组无功出力使其重新与无功顾客达到平衡，维持机端电压。此外在电力系统分析中，考虑了系统静态稳定性，也要在有功增长时合适提高无功，但这重要是从电网稳定方面分析的，对于机组自身，影响甚小，不展开分析。总之，这个因素导致的无功变化基本是可以拟定方向的，即机组无功功率基本随着有功功率的增长而增长，反之同理。注，本段分析可参照有功增长时主变压器输出无功变化趋势图。（4）厂用电负荷的变化：由于大多厂用负荷为感应电动机，自身所消耗的无功是很大的，因此当厂用电负荷变化时，所耗无功会发生很大变化。厂用负荷无功的变化几乎不会影响到系统电压，也就是说系统电压是维持恒定的，由于主变阻抗的存在，发电机机端的电压是会直接受到影响的，例如增长有功，厂用负荷就要增大，厂用电所耗无功功率增大，发电机机端电压减少，最后仍是励磁调节器自动增长励磁以维持机端电压，那么机组无功出力就会增长，等于是厂用负荷无功的变化最后是直接体现到发电机无功出力上了。这个因素导致的无功变化也基本是可以拟定方向的，即机组无功功率基本随着有功功率的增长而增长，反之同理。注，本段分析可参照启停机过程中以及机组正常运营中带厂用电状况下增减有功时无功变化趋势图。（5）此外尚有某些不可预知的因素引起的电压变化，也均会使励磁调节器自动调节励磁最后变化无功出力。由于个人能力有限，手记也不是很严谨，如有不当还请师傅们多多指点！谢谢。发电机是靠调节励磁电流的大小来调节无功输出大小的。当励磁电流增大后，转子磁场增大使气隙磁场增强，定子线圈内的感应电动势增强，由于负载阻抗不变，定子电流增大，进而使无功功率增大。直到定子电流产生的定子磁场和转子磁场达到新的平衡。电流和电压都会稳定在一种较本来更大的值上，至于是电流增长得多还是电压增长得多，要看负荷的阻抗大小而定，如果负荷阻抗小，则重要是增长电流，如果负荷阻抗大，则电压上升得多。例如单机运营的时候，阻抗非常大，因此电流基本不变，电压变化很大，而并网运营的时候，由于大网的所有负荷都是并联，阻抗很小，电压基本不变，电流变化比较大。