同步發(fā)電機無功功率的調(diào)節(jié)與電力系統(tǒng)穩(wěn)定度_secret

1、同步發(fā)電機無功功率的調(diào)節(jié)與電力系統(tǒng)的穩(wěn)定度（電廠電氣運行技術(shù)的探討及應(yīng)用）同步發(fā)電機無功功率的調(diào)節(jié)與電力系統(tǒng)的穩(wěn)定度1、引言某造紙有限公司自備電廠2×6MW發(fā)電機組是本公司正常穩(wěn)定生產(chǎn)的主要能源供應(yīng)設(shè)備。2005年8月投入運行，運行狀況良好。進入2008年度，隨著公司用電負(fù)荷的不斷增加，兩個造紙分廠部分設(shè)備的逐漸老化，使其用電設(shè)備的無功損耗進一步加大，10kv系統(tǒng)電壓經(jīng)常在規(guī)范下線運行，有幾次因系統(tǒng)電壓低于規(guī)范要求致使主要生產(chǎn)設(shè)備保護動作掉閘，影響了公司的正常生產(chǎn)。2、原因自備電廠發(fā)電機組輸出的無功功率不能夠及時滿足負(fù)載對無功功率的需求，致使公司10kv電力系統(tǒng)電壓低下，即輸出電能的

2、質(zhì)量已變劣是造成主要生產(chǎn)設(shè)備保護動作掉閘的根本原因。我們知道，電力系統(tǒng)輸出電能質(zhì)量的優(yōu)劣是衡定電力系統(tǒng)穩(wěn)定度的重要條件，而電能質(zhì)量的優(yōu)劣主要體現(xiàn)在能否維持系統(tǒng)電壓的正常水平。3、同步發(fā)電機無功功率的調(diào)節(jié)原理及原因分析實踐可知，在電力系統(tǒng)的總負(fù)載中，既要求供給有功功率，又要求供給無功功率。電力系統(tǒng)的主要動力負(fù)載是功率因數(shù)較低的三相異步電動機，如果發(fā)電機發(fā)出的無功功率不能滿足電力系統(tǒng)（也就是負(fù)載）對無功功率的要求，就會引起整個系統(tǒng)的電壓下降，這時電力系統(tǒng)輸出的電能質(zhì)量逐漸變劣，這不僅對負(fù)載的工作不利，而且直接威脅整個電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。因此，發(fā)電機與電力系統(tǒng)并列運行以后，如何調(diào)節(jié)發(fā)電機輸出的無功功

3、率？尤為重要。首先，我們分析發(fā)電機與電力系統(tǒng)并列后空載運行的狀況?？蛰d運行時，發(fā)電機中沒有電樞反應(yīng)，空載電動勢和系統(tǒng)電壓相等，定子繞組中無電流，這時的勵磁電流為正常勵磁電流；當(dāng)增大勵磁電流時，空載電動勢增大，由于系統(tǒng)電壓不能改變，定子繞組出現(xiàn)電壓差，這個電壓差使定子產(chǎn)生電流，這個電流在相位上要滯后于電壓差 90°，同時也滯后于系統(tǒng)電壓，就是說此時發(fā)電機向電力系統(tǒng)輸出了電感性無功功率，這種狀態(tài)為過勵狀態(tài)（勵磁電流超過正常勵磁的電流）；當(dāng)調(diào)節(jié)勵磁電流使它小于正常勵磁時，空載電動勢小于系統(tǒng)電壓，定子繞組又出現(xiàn)一個電壓差，該電壓差使定子產(chǎn)生電流，而這個電流在相位上比系統(tǒng)電壓越前90°

4、;，此時發(fā)電機向電力系統(tǒng)輸出了電容性無功功率，這種狀態(tài)為欠勵狀態(tài)。由此可見，當(dāng)發(fā)電機空載時，如果不改變原動機（汽輪機或水輪機）的功率而只調(diào)節(jié)勵磁電流，發(fā)電機的功率角并不改變，所以不能改變發(fā)電機輸出的有功功率，只改變輸出的無功功率。其次，我們分析發(fā)電機與電力系統(tǒng)并列后帶有負(fù)載時運行的狀況。我們知道，發(fā)電機的輸出功率（Pem）由它的功角特性決定，即： Pem=3E0Usin/Xd （E0為空載電動勢，U為電力系統(tǒng)電壓，為功率角，Xd為發(fā)電機電樞反應(yīng)電抗）功率極限值（Pmax）是： Pmax=3E0U/Xd當(dāng)發(fā)電機與電力系統(tǒng)并列運行時，電力系統(tǒng)電壓（U）、發(fā)電機電樞反應(yīng)電抗（Xd）都是常數(shù)，改變勵磁

5、電流的大小，將使空載電動勢（E0）發(fā)生變化。因此，當(dāng)增加勵磁電流使空載電動勢（E0）增大時，功率極限值（Pmax）就要增大，當(dāng)減小勵磁電流使空載電動勢（E0）減小時，功率極限值（Pmax）也要減小。圖1所示就是不同勵磁電流時發(fā)PemP0abcde123Pmax2Pmax1Pmax3電機的功角特性曲線，曲線1代表正常勵磁情況，曲線2代表過勵情況，曲線3代表欠勵情況，可以看出，它們雖然都是正弦曲線，但是具有不同的最大值。我們假設(shè)，在正常勵磁情況下，發(fā)電機的功率因數(shù)cos=1，即發(fā)電機的定子電流?a與端（電力系統(tǒng)）電壓同相位，不輸出無功功率。從發(fā)電機的簡化相量圖（圖2（a）可知，定子繞組的同步電抗壓

6、降=j?aXd，比?a越前90°，E0U；這是發(fā)電機在功角特性（見圖1）曲線1的a點運行，對應(yīng)的功率角為1，輸出的有功功率為P=3UIaCOS=3UIa，輸出的無功功率為零。當(dāng)增大勵磁電流時，空載電動勢由E0增大到E0（見圖2（b），此時功角特性是（見圖1）曲線2，在剛剛增大勵磁電流時，由于貫性功率角1還來不及改變，工作點由（圖1）曲線1上的a點移到曲線2上的b點，由于原動機（汽輪機或水輪機）的輸入功率并沒有0?a10?a203?a(a)正常勵磁狀態(tài)，無功輸出為零。 (b)過勵狀態(tài)，輸出感性無功功率。 (c)欠勵狀態(tài)，輸出容性無功功率。改變，因此發(fā)電機的電磁功率大于輸入功率，即電磁反

7、轉(zhuǎn)矩比托動轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)子開始減速，功率角減小。當(dāng)功率和轉(zhuǎn)矩達到平衡時，工作點回到c點（見圖1曲線2），功率角是2。從相量圖（圖2（b）可以看出，空載電動勢E0E0，功率角21，電壓差與相位差不再是90°，因此由所產(chǎn)生的定子電流?a（?a比滯后90°）不再和同相位，而是比滯后角，即發(fā)電機的功率因數(shù)COS1。由于原動機輸出的有功功率沒有改變，但同時還輸出了感性的無功功率，這種狀態(tài)為發(fā)電機的過勵狀態(tài)。如果減小勵磁電流，則發(fā)電機的空載電動勢減小，功角特性見圖1中的曲線3，新工作點為e點，此時E0E0，功率角31，從相量圖（圖2（c）可以看出，電流?a比端電壓越前一個角，說明發(fā)電機在輸

8、出有功功率（由于原動機功率不變，發(fā)電機輸出的有功功率并不改變）的同時，還輸出了容性的無功功率，這種狀態(tài)為欠勵狀態(tài)。綜上分析可知，不改變原動機的功率而只調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流時，輸出的有功功率不能改變，而無功功率則可以受到調(diào)節(jié)。在過勵狀態(tài)下，勵磁電流愈大，發(fā)電機輸出的感性無功功率愈大；在欠勵狀態(tài)下，勵磁電流愈小，發(fā)電機輸出的容性無功功率愈大。所以，調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流就可以調(diào)節(jié)發(fā)電機的無功功率。結(jié)合發(fā)電機功角特性曲線上可進一步看出，勵磁電流增加以后，發(fā)電機的功率極限值也跟著增大，致使發(fā)電機的靜態(tài)穩(wěn)定度也隨著提高，從而使電力系統(tǒng)的穩(wěn)定度有所提高，即維持電力系統(tǒng)正常電壓的能力將有所提高。由于同步發(fā)電機

9、的額定功率因數(shù)一般為0.8或0.85（滯后），即在一般情況下，發(fā)電機都是在過勵狀態(tài)下運行，輸出的是電感性無功功率。而作為電力系統(tǒng)的主要負(fù)載大部分是感性負(fù)載，在運行中會消耗大量電感性無功功率，致使系統(tǒng)電壓降低。為此，各電廠電氣運行人員應(yīng)密切監(jiān)視電力系統(tǒng)的運行狀況，按照發(fā)電機運行規(guī)程及時調(diào)節(jié)運行中發(fā)電機的輸出（電感性）無功功率，滿足系統(tǒng)負(fù)載對無功功率的需求，以便維持電力系統(tǒng)電壓正常運行。4、采取的措施 通過以上探討可知，為提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定度，需采取以下措施：a) 自備電廠電氣運行人員要密切監(jiān)視公司10kv系統(tǒng)電壓的運行狀況，運用以上調(diào)節(jié)原理及時調(diào)整發(fā)電機輸出的（電感性）無功功率，進而滿足系統(tǒng)負(fù)載

10、對無功功率的需求。b) 自備電廠2×6MW發(fā)電機組運行中的功率因數(shù)應(yīng)調(diào)整在0.80.9之間，必要（系統(tǒng)電壓低下）時可以調(diào)在0.8以下運行，但須時刻監(jiān)視勵磁電流的大小，不允許超過勵磁裝置及發(fā)電機轉(zhuǎn)子的電流規(guī)范要求。c) 造紙分廠在啟動100kw以上電機時，要預(yù)先通知自備電廠當(dāng)值值長或電氣班長，自備電廠電氣人員接到通知后，在調(diào)節(jié)運行中發(fā)電機輸出有功功率的同時，還必須及時調(diào)節(jié)運行中發(fā)電機輸出的（電感性）無功功率，滿足負(fù)載對感性無功的需求，確保公司10kv系統(tǒng)電壓正常穩(wěn)定運行。d) 對造紙分廠部分老化設(shè)備要逐步進行改造或更換。對一些無功損耗大或功率因數(shù)較低的設(shè)備電源線路上加裝無功補償裝置，提

11、高其功率因數(shù)。5、結(jié)束語通過實施，公司10kv電力系統(tǒng)電壓始終保持在10.110.5kv之間，公司所有生產(chǎn)用電設(shè)備都能夠正常運行。因系統(tǒng)電壓低下而保護動作掉閘的現(xiàn)象已不再發(fā)生，公司的生產(chǎn)狀況很好?？傊?，在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)發(fā)電機勵磁的作用不僅是為了調(diào)節(jié)無功功率，而且還是提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定度的有效手段之一。同步發(fā)電機無功功率的調(diào)節(jié)是所有電廠保障和提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定度的重要運行方式，也是電廠電氣運行人員保證電力生產(chǎn)安全、經(jīng)濟運行的必修課題。發(fā)電機無功功率的手、自動調(diào)節(jié)  2009-08-26 05:33:26|  分類： 默認(rèn)分類 |  標(biāo)

12、簽： |字號大中小 訂閱 一、問題的提出          電機學(xué)一書中詳細(xì)闡述了調(diào)節(jié)發(fā)電機有功功率和無功功率時兩者之間的相互影響，最終得出一個眾所周知的結(jié)論，即調(diào)節(jié)無功時，有功不變，調(diào)節(jié)有功時，無功反方向變化。但是，在實際生產(chǎn)過程中，絕大多數(shù)機組，在沒有人為干預(yù)的情況下，調(diào)節(jié)有功時，無功功率基本不會出現(xiàn)電機學(xué)理論中所描述的那種規(guī)律發(fā)生反方向變化的，當(dāng)然不排除輕微反方向變化以及無功不變的現(xiàn)象出現(xiàn)，但是大多數(shù)情況下兩者是同方向變化的，即增加有功，無功也增加，減少有功，無功也減少。這種現(xiàn)象引起了不少

13、疑問，在此便詳細(xì)分析一下實際生產(chǎn)過程中，機組的無功功率到底是如何隨著有功功率變化的，為什么會出現(xiàn)與理論書中結(jié)論相反的情況。二、無功變化的理論分析         （一）純電機角度的分析      1.   利用電樞反應(yīng)的原理進行分析：如果忽略勵磁調(diào)節(jié)器的話，在電機學(xué)的同步電機電樞反應(yīng)章節(jié)中有提到，增加無功，有功不變，增加有功，無功變小。這是因為，勵磁如果是恒定不變的，那么在增加有功的時候，勵磁用于交軸電樞反應(yīng)的部分就多了，因為有功功率是靠電機的交軸電樞反應(yīng)來實現(xiàn)的，

14、那么用于直軸電樞反應(yīng)的部分就少了，而無功功率正是由直軸電樞反應(yīng)來實現(xiàn)的，這樣加有功的時候無功就會降低，當(dāng)然電壓也就會適當(dāng)降低。等于是固定不變就那么多的勵磁電流，要么用作交軸反應(yīng)來實現(xiàn)有功，要么就用作直軸反應(yīng)來實現(xiàn)無功，在加有功時，交軸電樞反應(yīng)用的勵磁多了，那么勵磁分給直軸電樞反應(yīng)來實現(xiàn)無功的部分就少了。所以由于電樞反應(yīng)，增加有功功率會產(chǎn)生去磁作用，最終導(dǎo)致發(fā)電機欠磁，無功功率降低，電壓降低。      2.   利用發(fā)電機功角變化來進行分析：前提同樣是勵磁保持恒定，發(fā)電機能否送出無功以及送出無功的多少與電壓差U有關(guān)，這個電壓差U是指發(fā)

15、電機的電動勢E0和端電壓UN的同相部分的電壓差，注意是同相部分的電壓差，具體可參照電機學(xué)中的同步發(fā)電機遲相運行時的相量圖，相量圖是以發(fā)電機端電壓UN為一個參考相量，即NU為一個垂直向上的箭頭，其保持固定不動。電動勢E0在UN箭頭的逆時針側(cè)，且為一個長度大于UN的箭頭，兩者之間形成一個夾角即發(fā)電機功角。所謂同相部分的電壓差，就是指把E0箭頭向參考量UN或者說是垂直軸上的一個投影，這個投影的長度比UN箭頭要長，E0箭頭在垂直軸上的投影長度減去UN箭頭的長度即為兩者同相部分的電壓差U，只有這個電壓差才會產(chǎn)生無功電流，并且是電壓差U越大，發(fā)電機輸出的無功功率就越大，如果電壓差U變小，則發(fā)電機輸出的無功

16、功率就減小。又根據(jù)發(fā)電機功角特性可知，當(dāng)發(fā)電機送出有功功率時，電動勢E0就與端電壓UN錯開一個角即發(fā)電機功角，當(dāng)有功越大時，角越大，此時可以想象E0又往逆時針的方向轉(zhuǎn)了一個更大的角度，那么它在垂直軸上的投影高度就更短了，所以用它減去UN所得到的無功電壓差U就變小了，因而無功自動減小，當(dāng)然電壓也就會適當(dāng)降低。反之，當(dāng)有功減小時，功角也隨之減小，無功會自動增加，電壓也會適當(dāng)升高。     總之，無論從純電機的任何一個方面去推論，前提只要勵磁電流是恒定不變的，也就是忽略勵磁調(diào)節(jié)器的作用，有功增加時，發(fā)電機無功出力就會自動減小，在外界無功用戶不變的情況下，則會出現(xiàn)無功缺額

17、，發(fā)電機電壓會出現(xiàn)下降現(xiàn)象，直到外界用戶在電壓下降時所耗無功自動減小重新與發(fā)電機無功出力達到平衡，電壓則會下降到一個新的平衡點穩(wěn)定運行。反之有功減少時，無功出力會自動增加，在外界無功用戶不變的情況下，則會出現(xiàn)無功過剩，發(fā)電機電壓會出現(xiàn)升高現(xiàn)象，直到外界用戶在電壓升高時所耗無功自動增加重新與發(fā)電機無功出力達到平衡，電壓則會升高到一個新的平衡點穩(wěn)定運行。     （二）考慮勵磁調(diào)節(jié)器的影響分析  1.   從機組本身的因素分析調(diào)節(jié)器的影響： 從純電機的角度分析完，可以得出一個結(jié)論，當(dāng)發(fā)電機勵磁恒定時，增加發(fā)電

18、機有功，則會使無功功率自動減少，最終發(fā)電機電壓會適當(dāng)降低，或者從另外一個新的角度來分析，當(dāng)發(fā)電機有功增大時，發(fā)電機定子電流也增大，那么發(fā)電機定子繞組的阻抗壓降就會增大，最終還是引起了發(fā)電機機端電壓降低。      自動勵磁調(diào)節(jié)器（在此只考慮調(diào)節(jié)器在自動通道恒電壓方式下）是以發(fā)電機端電壓作為被調(diào)量的，也就是說勵磁調(diào)節(jié)器的作用就是要維持機端電壓不變，所以由上面分析可知，在機組穩(wěn)定運行，勵磁不變的時候，如果增加有功功率則會使發(fā)電機的端電壓適當(dāng)降低，那么此時考慮到勵磁調(diào)節(jié)器的存在，當(dāng)發(fā)電機端電壓降低，則會使勵磁調(diào)節(jié)器自動增加勵磁來維持機端電壓。所以正是

19、由于該調(diào)節(jié)作用，使得發(fā)電機在有功增加時，無功會基本維持不增不減。當(dāng)然由于純電機角度的分析因素的作用一般也會呈現(xiàn)略微減少的趨勢，但是有時也會略微升高?？傊{(diào)節(jié)器的特性參數(shù)不同及外部變工況，所以不是一個固定的規(guī)律。但基本上是可以維持有功增加時無功不變的，至少不可能會出現(xiàn)純電機角度分析結(jié)論那種明顯規(guī)律的反向變化。 由于發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)器的存在，當(dāng)發(fā)電機有功增加時，無功不會出現(xiàn)純電機角度所分析的那樣明顯減少。當(dāng)然勵磁調(diào)節(jié)器特性是不完全一樣的，但即使勵磁調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)作用不足以抵消增加有功所帶來的去磁作用，也絕對能夠抵消絕大部分去磁作用了，所以最多會有一個輕微的無功減少趨勢。當(dāng)然如果勵磁調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)作

20、用大于增加有功所帶來的去磁作用，那么不僅此時可以完全彌補有功增加所帶來的去磁影響，甚至無功還會有增加的趨勢。可見，由于調(diào)節(jié)器本身特性的差異，可能會出現(xiàn)不同的結(jié)果。不過無論結(jié)果怎樣，從根本上講，由于調(diào)節(jié)器本身是用來維持機端電壓的，所以調(diào)節(jié)器在發(fā)電機增加有功時會自動增加勵磁，那還是因為發(fā)電機端電壓在受到有功增加的去磁影響后而降低了，這時調(diào)節(jié)器增加勵磁只是為了恢復(fù)正常的電壓，也就是說僅僅是為了彌補增加有功出現(xiàn)的勵磁缺額，所以發(fā)電機此時增加的勵磁基本上全部都用在了有功功率的增加上，最終使發(fā)電機在有功功率增加后也不出現(xiàn)欠磁，從而維持端電壓不變。 發(fā)電機在有功增加時會使端電壓降低，由于勵磁調(diào)節(jié)器

21、會自動增磁維持發(fā)電機端電壓，正是因為此時調(diào)節(jié)器自動增磁，則不會出現(xiàn)有功增加，無功明顯減少的現(xiàn)象。當(dāng)然，這時也會有一個新的問題，就是眾所周知增加勵磁時發(fā)電機無功功率會自動增加，那么在增加有功時，勵磁也是在自動并且大量增加的，那么無功此時會大量增加嗎？這里可以解釋一下，電機學(xué)的發(fā)電機無功功率調(diào)節(jié)章節(jié)中分析調(diào)節(jié)勵磁改變無功的前提是發(fā)電機輸出有功不變，也就是說增加勵磁無功增加的前提是發(fā)電機其它條件基本不變的，至少發(fā)電機有功是不變的，那么增加的勵磁便全部用在了升高電壓增大無功上，所以才會有了增加勵磁，無功增加的結(jié)論。但是在增加有功的情況下大量增加勵磁，發(fā)電機仍然只是為了維持著機端電壓不降低，發(fā)電機的端電

22、壓只要不變，則說明無功功率的供需是基本平衡的，那么此時認(rèn)為外界無功用戶是基本不變的，發(fā)電機此時的無功出力也不會有什么大的變化。最終這種情況下增加的勵磁主要還是用在了增加的有功上，對無功影響不大，所以這里在增加勵磁時，無功是不會明顯增加的?？傊诤雎粤苏{(diào)節(jié)器特性差別后，我們假設(shè)外界條件不變的情況下，可以得出的結(jié)論為，調(diào)節(jié)有功功率時，勵磁調(diào)節(jié)器只能夠基本維持無功不變。也不排除輕微增加或者輕微減少的情況，但可以肯定不會明顯增加或者明顯減少。當(dāng)然實際情況中要考慮到大量外部因素，無功可能會因外界其它因素而明顯變化，下面便具體分析。      2. &#

23、160; 從機組以外的因素分析調(diào)節(jié)器的影響：（1）外界系統(tǒng)運行方式的變化：比如投切線路的電容效應(yīng)和投切電抗器等元件都會使整個系統(tǒng)的無功電源及無功用戶情況發(fā)生變化，最終機組無功功率也會發(fā)生不確定的變化。（2）外界機組出力的變化：同一電網(wǎng)的其它機組加減出力的同時也會影響其無功出力，以及機組的啟停，均會導(dǎo)致電網(wǎng)無功的不平衡，系統(tǒng)電壓變動，最終也會使機組無功功率發(fā)生不確定的變化。（3）考慮系統(tǒng)功率傳輸機理：傳輸有功功率需要無功功率的支撐，所以調(diào)節(jié)有功時，比如增大有功，此時要在恒定電壓下輸走更多的有功，那么需要支撐的無功也就更多，如果無功支撐不足，則會引起電壓下降，最終也會導(dǎo)致勵磁調(diào)節(jié)器自動增加勵磁，具

24、體我們可以對輸電系統(tǒng)中的兩大元件即輸電線路和變壓器進行展開分析。根據(jù)輸電線路自然功率的概念可知，輸電線路既因為其電容效應(yīng)能夠發(fā)出無功，也因為其存在串聯(lián)阻抗在輸電過程中電流流過線路的串聯(lián)阻抗又要消耗無功，所以有功越大，線路的電流越大，消耗的無功就越大，特別是輸電功率高于自然功率時，線路自身的電容效應(yīng)所產(chǎn)生的無功已不足以供線路自身所耗無功了，線路則要從系統(tǒng)吸收無功了。根據(jù)變壓器自身無功損耗公式可知，變壓器傳輸有功的過程中，會消耗大量無功，傳輸?shù)挠泄υ酱?，消耗的無功就越大，當(dāng)變壓器傳輸有功功率達到滿載時，其自身消耗的無功可達變壓器額定容量的10%15%。由上述分析可見，當(dāng)系統(tǒng)中無功出力與無功用戶平衡，電壓不變的時候，此時若機組增加有功，則會直接導(dǎo)致輸電系統(tǒng)傳輸?shù)挠泄β试龃?，電流增大，那么系統(tǒng)自身在傳輸有功時消耗的無功也自然增大，所以無功出力與無功用戶不再平衡，無功出力已經(jīng)不能滿足無功用戶的需要，也就是說出現(xiàn)了無功缺額從而引起電壓下降，最終勵磁調(diào)節(jié)器會自動增加勵磁來提高機組無功出力使其重新與無功用戶達到平衡，維持機端電壓。此外在電力系統(tǒng)分析中，考慮了系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性，也要在有功增加時適