新聞主題	勵(lì)磁調(diào)節(jié)對(duì)發(fā)電機(jī)穩(wěn)定性的影響

 

摘要：同步發(fā)電機(jī)中的核心部分是由發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)構(gòu)成的，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)主要的作用是，在運(yùn)作過程中為同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電源提供一套全面性、優(yōu)質(zhì)性的系統(tǒng)服務(wù)。通常情況下，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)是由兩大核心部分構(gòu)成。其中的一部分是勵(lì)磁功率輸出部分，其主要的核心作用是，供應(yīng)直流電流給同步發(fā)電機(jī)的磁場繞組，從而建立直流磁場；發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的另一部分的主要作用是，為了確保電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，在正常運(yùn)作或者是運(yùn)作過程中發(fā)生故障的情況下，能夠及時(shí)地對(duì)勵(lì)磁電流給予適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。根據(jù)上述綜合性的分析可知，同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)于電力系統(tǒng)的正常運(yùn)作具有舉足輕重的作用。

一、穩(wěn)定性的定義和分類

 

      電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性劃分為靜態(tài)、動(dòng)態(tài)及暫態(tài)穩(wěn)定性三種方式，其含義如下：

1、靜態(tài)穩(wěn)定性（SteadyStateStability）

      此定義是指當(dāng)電力系統(tǒng)的負(fù)載（或電壓）發(fā)生微小擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)本身保持穩(wěn)定傳輸?shù)哪芰?。這一穩(wěn)定性定義主要涉及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子功角過大而使發(fā)電機(jī)同步能力減少的情況。

2、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性（DynamicStability）

      主要指系統(tǒng)遭受大擾動(dòng)之后，同步發(fā)電機(jī)保持和恢復(fù)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的能力。失去動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的主要形式為發(fā)電機(jī)之間的功角及其他量產(chǎn)生隨時(shí)間而增長的振蕩，或者由于系統(tǒng)非線性的影響而保持等幅振蕩。這一振蕩也可能是自發(fā)性的，其過程較長。

3、暫態(tài)穩(wěn)定性（TransientStability）

      當(dāng)系統(tǒng)受到大擾動(dòng)時(shí)，例如各種短路、接地、斷線故障以及切斷故障線路后系統(tǒng)保持穩(wěn)定的能力，發(fā)生暫態(tài)不穩(wěn)定的過程時(shí)間較短，主要發(fā)生在事故后發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子第一搖擺周期內(nèi)。

 

二、 勵(lì)磁控制原理

 

      勵(lì)磁控制系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定的影響與同步發(fā)電機(jī)的特性密切相關(guān)，同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)外形和勵(lì)磁控制原理分別如圖1和圖2所示：

圖1  康明斯斯坦福發(fā)電機(jī)實(shí)物外形

圖2  勵(lì)磁系統(tǒng)控制原理圖

 

       在這個(gè)系統(tǒng)中，勵(lì)磁控制器檢測發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓UF，并將UF與參考電壓UC相比較得電壓差( UC- UF)，通過綜合放大得出控制電壓UK，Uk= K( UC- UF)。由該式不難看出，當(dāng)發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓UF上升，電壓差就會(huì)降低，這樣，經(jīng)過綜合放大后的控制電壓UK也會(huì)降低，于是，勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流以及發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電壓都會(huì)隨之下降，這樣，發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓UF也隨之下降，這樣發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓上升的擾動(dòng)就被抵消了。因此，勵(lì)磁系統(tǒng)具有提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行、維持電壓水平以及提高同步電機(jī)功率極限和電力系統(tǒng)傳輸功率等功能。除此之外，在這個(gè)系統(tǒng)中還可以根據(jù)實(shí)際需要附加阻尼、模糊神經(jīng)等輔助控制功能。

 

      勵(lì)磁控制的主要部分是勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，其作用在于感受發(fā)電機(jī)電壓的變化，并發(fā)出控制命令對(duì)勵(lì)磁功率單元加以控制，勵(lì)磁功率單元也只有在接收到勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的控制命令后才會(huì)改變其輸出的勵(lì)磁電壓。因此，一方面，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器應(yīng)能反映發(fā)電機(jī)電壓高低以維持發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓在給定水平，能合理分配發(fā)電機(jī)組的無功功率，并且應(yīng)具備強(qiáng)行勵(lì)磁功能以迅速反應(yīng)系統(tǒng)故障，以提高暫態(tài)穩(wěn)定和改善系統(tǒng)運(yùn)行條件；另一方面，勵(lì)磁功率單元要有足夠的可靠性，并具有足夠的調(diào)節(jié)容量，同時(shí)具有足夠的勵(lì)磁電壓頂值和電壓上升速度。

 

      勵(lì)磁系統(tǒng)的模型，根據(jù)不同的分類可以分為許多種。我國常用的勵(lì)磁系統(tǒng)模型主要有直流勵(lì)磁系統(tǒng)、交流勵(lì)磁系統(tǒng)以及及靜止勵(lì)磁系統(tǒng)(包括自并勵(lì)和自復(fù)勵(lì)。在電力系統(tǒng)的實(shí)際分析中，通常采用簡化的實(shí)用模型。同時(shí)，通用的勵(lì)磁系統(tǒng)之中附加了快速勵(lì)磁控制方式，其作用在于能夠在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)快速捕捉發(fā)電機(jī)端電壓等的變化信號(hào)，并對(duì)之加以控制，以此來控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差的搖擺，提高暫態(tài)及靜態(tài)穩(wěn)定性。為了快速控制發(fā)電機(jī)端電壓，必須提高整個(gè)勵(lì)磁系統(tǒng)的反應(yīng)速度。因此，有必要提高勵(lì)磁系統(tǒng)(包括自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器AVR)的適應(yīng)性能和勵(lì)磁系統(tǒng)的峰值電壓。

 

三、 勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

 

      在小干擾作用下標(biāo)志發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定性水平的主要指標(biāo)是發(fā)電機(jī)的電磁功率極限與轉(zhuǎn)子運(yùn)行角度的極限，當(dāng)發(fā)電機(jī)的電磁功率超過最大極限時(shí)，微動(dòng)態(tài)定將破壞。對(duì)于大擾動(dòng)作用下的的暫態(tài)穩(wěn)定水平，是在一定輸出功率條件下，在同一故障點(diǎn)及同一故障形式下比較短路最大故障允許切除時(shí)間。即當(dāng)輸電線路在某一輸送功率下，在K點(diǎn)發(fā)生某一形式短路，其故障切除時(shí)間系統(tǒng)穩(wěn)定，則稱該系統(tǒng)在K點(diǎn)發(fā)生這類故障時(shí)的最大允許切除時(shí)間，顯然，切除時(shí)間值越大，標(biāo)志系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定水平越高。

1、勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性的影響

      當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)作過程中，沒有任何的勵(lì)磁調(diào)節(jié)時(shí)，發(fā)電機(jī)的內(nèi)電勢Eq的值為常數(shù)，其靜態(tài)穩(wěn)定功率的極限值在此時(shí)等于，所對(duì)應(yīng)的功角度數(shù)為90°。

      電力系統(tǒng)必須具有在遭受微小擾動(dòng)后快速恢復(fù)到原來的正常運(yùn)行狀態(tài)的能力，這就是電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，發(fā)電機(jī)端的電壓就會(huì)下降，這樣，定子電流也相應(yīng)增加，于是，勵(lì)磁電流也會(huì)隨之增加。在這種情況下，如果接入勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓下降，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器將使勵(lì)磁電流增加，其增加量和速度決定與勵(lì)磁系統(tǒng)增益和時(shí)間常數(shù)。如果勵(lì)磁電流增加分量與的衰減分量相抵消，則系統(tǒng)可以達(dá)到一個(gè)新的靜穩(wěn)定極限。發(fā)電機(jī)功率特性和調(diào)節(jié)特性如圖3、圖4所示。

 

圖3  發(fā)電機(jī)的功率特性曲線圖

圖4  發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的調(diào)差單元

 

 

2、勵(lì)磁調(diào)節(jié)對(duì)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的影響

      電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性問題，可以理解為電力系統(tǒng)機(jī)電振蕩的阻尼問題。阻尼問題一直都是勵(lì)磁控制系統(tǒng)的主要組成部分。它不僅影響到勵(lì)磁控制系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，同時(shí)對(duì)于系統(tǒng)的質(zhì)量保障也起到一定的影響。

      電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的影響也就是振蕩阻尼影響。由于微機(jī)自動(dòng)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的應(yīng)用，使勵(lì)磁控制系統(tǒng)中的自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)造成電力系統(tǒng)機(jī)電振蕩阻尼變?nèi)?甚至變負(fù))的最重要的原因之一。在一定的運(yùn)行方式及勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)下，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器用在維持發(fā)電機(jī)電壓不變的同時(shí)，產(chǎn)生負(fù)的阻尼作用。在正常實(shí)用的范圍內(nèi)，勵(lì)磁電壓調(diào)節(jié)器的負(fù)阻尼作用會(huì)隨著開環(huán)增益的增大而提高。因此提高勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置的精度和提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性是矛盾的。當(dāng)調(diào)節(jié)不當(dāng)，或者操作者技術(shù)不過關(guān)，或者時(shí)間把握不佳，也會(huì)影響到阻尼情況。在一定的運(yùn)行方式及勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)下，電壓調(diào)節(jié)作用在維持發(fā)電機(jī)電壓恒定的同時(shí)，產(chǎn)生負(fù)的阻尼作用。在正常實(shí)用的范圍內(nèi)，勵(lì)磁電壓調(diào)節(jié)器的負(fù)阻尼作用會(huì)隨著開環(huán)增益的增大而加強(qiáng)。因此提高電壓調(diào)節(jié)精度的要求和提高動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的要求是不相容的。

      解決電壓調(diào)節(jié)精度和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性之間矛盾的有效措施，是在勵(lì)磁控制系統(tǒng)中增加其它控制信號(hào)，是在勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)中采用其它輔助措施。即使勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置提供一個(gè)正的阻尼，使整個(gè)勵(lì)磁控制系統(tǒng)提供的阻尼是正的。自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)中的微機(jī)勵(lì)磁裝裝置配置附加勵(lì)磁控制PSS后，由于反應(yīng)速度快,有利于PSS發(fā)揮作用提高動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。

3、勵(lì)磁調(diào)節(jié)對(duì)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響

      在分析發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響過程中，本文主要依據(jù)功率變化曲線為例，來分析短路故障下的發(fā)電機(jī)的功率變化特征。此狀態(tài)下幅值公式表示為

X_∑=X_d+X_T+X_e/2

      電力系統(tǒng)必須具有在遭受短路，發(fā)電機(jī)切除等大的擾動(dòng)后過渡或恢復(fù)到新的穩(wěn)定狀態(tài)的能力，這就是電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定。提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定，通常有兩種方法，或是提高從故障開始直至故障結(jié)束時(shí)發(fā)電機(jī)的電磁力矩，或是減小原動(dòng)機(jī)的機(jī)械力矩。其中，增大勵(lì)磁電流是增加電磁力矩的有效措施。由于不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及故障性質(zhì)以及發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)等因素，發(fā)電機(jī)恢復(fù)的速度也不盡相同。為此，勵(lì)磁系統(tǒng)必須具備快速響應(yīng)的能力。因此，勵(lì)磁系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)要縮小，同時(shí)要提高強(qiáng)行勵(lì)磁的倍數(shù)。

 

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