新聞主題	同步發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)的任務(wù)與作用

 

發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)可根據(jù)發(fā)電機(jī)負(fù)荷的變化相應(yīng)的調(diào)節(jié)勵磁電流，以維持機(jī)端電壓為給定值；同時控制并列運(yùn)行各發(fā)電機(jī)間無功功率分配，提高發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行的靜態(tài)穩(wěn)定性與暫態(tài)穩(wěn)定性；在發(fā)電機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)故障時，進(jìn)行滅磁，以減小故障損失程度。

 

1．維持機(jī)端或系統(tǒng)中某點(diǎn)電壓水平

 

電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行時，隨著負(fù)荷的波動，需要對勵磁電流進(jìn)行調(diào)節(jié)以維持機(jī)端或系統(tǒng)中某一點(diǎn)的電壓在給定水平（電壓控制）。勵磁自動控制系統(tǒng)擔(dān)負(fù)了維持電壓水平的任務(wù)，這是勵磁系統(tǒng)最基本的任務(wù)。為了闡明它的基本概念，可用最簡單的單機(jī)系統(tǒng)來分析。

 

圖1所示為同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行原理圖，其中Ufd、Ifd為發(fā)電機(jī)勵磁電壓、電流。圖2所示為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下的等值電路，其中Eq為發(fā)電機(jī)空載電動勢，Xd為直軸同步電抗，UG、IG為發(fā)電機(jī)端電壓、電流。

 

圖1 同步發(fā)電機(jī)原理圖

圖2 同步發(fā)電機(jī)等值電路圖

 

圖3所示為對應(yīng)相量圖。圖中δG為?q、?G間的角，即功率角；IQ為發(fā)電機(jī)電流無功分量。由圖3可知，由于一般δG很小，cosδG≈1，因此得發(fā)電機(jī)電動勢與端電壓關(guān)系為

Eq ≈ UG+IQXd............................................（6-2）

可見當(dāng)發(fā)電機(jī)勵磁電流保持不變時引起機(jī)端電壓降低的主要原因是發(fā)電機(jī)的感性無功電流。當(dāng)勵磁電流一定時，無功電流輸出增加，發(fā)電機(jī)端電壓下降；無功減少則端電壓上升。發(fā)電機(jī)的外特性UG＝f（IQ）必然是下降的，如圖4所示。要維持發(fā)電機(jī)端電壓不變，需要隨電壓的變化改變勵磁電流。

 

設(shè)發(fā)電機(jī)的勵磁電流為Ifd1，此時發(fā)電機(jī)無功電流為IGQ1，機(jī)端電壓為額定電壓UN，如圖4中的1點(diǎn)；當(dāng)無功電流增大到IGQ2時，若勵磁電流仍為Ifd1，則機(jī)端電壓降到UG1，如圖4中的2點(diǎn)；為保持機(jī)端電壓為額定值運(yùn)行，應(yīng)增大勵磁電流到Ifd2，如圖4中的3點(diǎn)，即將外特性曲線上移。同樣，無功電流減小時為保持機(jī)端額定電壓運(yùn)行，勵磁電流應(yīng)減小，即外特性曲線下移。

 

這種機(jī)端電壓維持額定電壓的勵磁電流調(diào)節(jié)，可以手動進(jìn)行，也可以自動進(jìn)行。自動進(jìn)行勵磁電流調(diào)節(jié)的裝置是AER（AVR）。勵磁功率單元提供同步發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行、系統(tǒng)故障情況下的勵磁電流，AER根據(jù)輸入信號和給定的調(diào)節(jié)準(zhǔn)則控制勵磁功率單元的輸出。如果AER足夠靈敏，調(diào)節(jié)結(jié)束時總有ΔU→0，從而使發(fā)電機(jī)UG正常運(yùn)行時維持給定電壓水平。

 

圖3 同步發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行相量圖

圖4 同步發(fā)電機(jī)無功電壓外特性曲線圖

 

2．控制無功功率分配

 

當(dāng)發(fā)電機(jī)與無窮大容量母線并聯(lián)運(yùn)行時，根據(jù)無窮大系統(tǒng)定義，系統(tǒng)阻抗為零，發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)相聯(lián)的母線電壓恒定。

發(fā)電機(jī)輸出功率由原動機(jī)輸入功率決定，與勵磁電流大小無關(guān)。當(dāng)原動機(jī)輸入功率不變時，發(fā)電機(jī)輸出有功功率為常數(shù)；另一方面，對隱極發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)輸出有功功率可由功角特性得到，則發(fā)電機(jī)有功功率為

 

......................（6-4）

 

當(dāng)UG保持不變時，即有

IGcosφ＝K1（常數(shù)）............................................（6-5）

Eqsinδ＝K2（常數(shù)）............................................（6-6）

式中  Xd——常數(shù)；

K1、K2——常數(shù)。

由圖5可見，機(jī)端電壓恒定不變，改變勵磁，僅改變Eq電動勢，Eq端點(diǎn)將始終在A線上；Eq變化，將使δ跟隨變化。例如增大勵磁，Eq增大，δ角減小，IG滯后于電壓的角度φ將增大，由于IG端點(diǎn)應(yīng)始終在B線上，所以發(fā)電機(jī)對應(yīng)無功功率輸出增加；相反，減小勵磁將使發(fā)電機(jī)輸出無功功率減?。划?dāng)減小勵磁使發(fā)電機(jī)電動勢低于母線電壓后，發(fā)電機(jī)將從系統(tǒng)中吸收無功功率，這種運(yùn)行方式即為“進(jìn)相運(yùn)行”。由此可知，當(dāng)發(fā)電機(jī)與大系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行時，通過改變發(fā)電機(jī)勵磁，可控制發(fā)電機(jī)的無功功率輸出，使機(jī)組間的無功功率合理分配。

 

圖5 同步發(fā)電機(jī)與無窮大系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行相量圖

 

3．提高同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行穩(wěn)定性

 

（1）提高靜態(tài)穩(wěn)定性

 

同步發(fā)電機(jī)并列于電力系統(tǒng)運(yùn)行，系統(tǒng)中經(jīng)常存在小的干擾。靜態(tài)穩(wěn)定討論的是發(fā)電機(jī)在小干擾作用下，能否具備恢復(fù)至原運(yùn)行點(diǎn)的能力。設(shè)發(fā)電機(jī)經(jīng)升壓變壓器與系統(tǒng)相聯(lián)，系統(tǒng)電壓為US恒定不變。

如圖6所示，當(dāng)發(fā)電機(jī)輸入功率為P0時，與發(fā)電機(jī)功角特性相交于a點(diǎn)，輸出電磁功率PG3對應(yīng)功角為δ0。不同的勵磁對應(yīng)不同的Eq值，Eq1<Eq2<Eq3。

 

圖6 同步發(fā)電機(jī)功角特性曲線圖

 

由電力系統(tǒng)知識可知a點(diǎn)為穩(wěn)定工作點(diǎn)，在該點(diǎn)上系統(tǒng)負(fù)荷有小干擾，能夠恢復(fù)至a點(diǎn)運(yùn)行；而b點(diǎn)為不穩(wěn)定工作點(diǎn)。無自動勵磁調(diào)節(jié)時，勵磁電流不變，保持Eq恒定。功角特性最高點(diǎn)對應(yīng)發(fā)電機(jī)輸出最大電磁功率Pm，δ＝90°為靜態(tài)穩(wěn)定極限。Pm與P0之間的差值與發(fā)電機(jī)額定有功容量的比值為穩(wěn)定裕度。

當(dāng)有自動勵磁調(diào)節(jié)器時，發(fā)電機(jī)功率變化時，為維持端電壓，必須調(diào)節(jié)Eq值。即具有AER的發(fā)電機(jī)的有功功率變化時，式（6-4）示出的功角特性中Eq與δ都是變化量。

分析表明，對具有AER的隱極式同步發(fā)電機(jī)，功角特性也可表示為

 

式中E′q——發(fā)電機(jī)直軸暫態(tài)電動勢（AER可保持E′q恒定）；

X′d——發(fā)電機(jī)直軸暫態(tài)電抗；

Xq——發(fā)電機(jī)交軸同步電抗。

雖然E′q＜Eq，但由于X′d遠(yuǎn)小于Xd，故功角特性要比式（6-4）的功角特性高，作出功角特性如圖6中虛線所示，功率極限出現(xiàn)在δ＞90°的區(qū)域。

當(dāng)發(fā)電機(jī)不裝設(shè)AER時，功角δ極限為90°；當(dāng)發(fā)電機(jī)裝設(shè)AER后，功角δ極限δlim＞90°，發(fā)電機(jī)可以穩(wěn)定運(yùn)行在90°＜δ＜δlim的區(qū)域，該區(qū)域是人工穩(wěn)定區(qū)，靜穩(wěn)定水平提高。有無自動勵磁調(diào)節(jié)器的比較見圖6。

 

（2）對暫態(tài)穩(wěn)定的作用

 

發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)并列運(yùn)行受到大干擾后是否能夠保持同步運(yùn)行狀態(tài)，稱為暫態(tài)穩(wěn)定分析，包括發(fā)生各種類型的能夠影響系統(tǒng)穩(wěn)定的短路故障、繼電保護(hù)切除故障的時間。這里討論發(fā)電機(jī)的勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)在電網(wǎng)發(fā)生故障后，對電壓下降所作出的強(qiáng)行勵磁的作用。系統(tǒng)正常運(yùn)行時，發(fā)電機(jī)功角特性曲線為圖7中的曲線I，即

 

圖7 發(fā)電機(jī)暫態(tài)穩(wěn)定功角特性曲線圖.

 

在雙回線路中一回線路發(fā)生故障后，系統(tǒng)母線電壓急劇降低，發(fā)電機(jī)功角特性曲線下降為功角特性曲線II，運(yùn)行點(diǎn)從a點(diǎn)變?yōu)閎點(diǎn)。由于短暫時間內(nèi)發(fā)電機(jī)調(diào)速裝置不可能迅速反應(yīng)，可假設(shè)發(fā)電機(jī)輸入機(jī)械功率不變，此時，發(fā)電機(jī)輸入機(jī)械功率大于輸出電磁功率，發(fā)電機(jī)有正的角加速度，且角速度高于系統(tǒng)同步速，發(fā)電機(jī)功角從b點(diǎn)增大向c點(diǎn)變化。由于線路繼電保護(hù)動作，斷開故障線路，系統(tǒng)母線電壓恢復(fù)，但線路單回路阻抗較大，發(fā)電機(jī)功角特性曲線上升為曲線II，雖然此時發(fā)電機(jī)輸入機(jī)械功率小于輸出電磁功率，角加速度變負(fù)，但由于發(fā)電機(jī)角速度高于系統(tǒng)同步速，發(fā)電機(jī)功角從e點(diǎn)增大向f點(diǎn)變化。若發(fā)電機(jī)功角e增大而越過f點(diǎn)，發(fā)電機(jī)又將進(jìn)入加速過程，從而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)之間失去同步，我們稱之為暫態(tài)不穩(wěn)定。若發(fā)電機(jī)功角δ在越過f點(diǎn)之前角速度減小到低于系統(tǒng)同步速，發(fā)電機(jī)功角δ從增大變?yōu)闇p小，向發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)之間穩(wěn)定方向變化，經(jīng)多次阻尼振蕩，最終穩(wěn)定在新的同步運(yùn)行點(diǎn)，該過程我們認(rèn)為是暫態(tài)穩(wěn)定的。在線路發(fā)生故障后，形成abce圍成的區(qū)域是發(fā)電機(jī)加速，動能、勢能增加的區(qū)域，稱為加速面積；而def圍成的區(qū)域是發(fā)電機(jī)減速，剩余動能轉(zhuǎn)化為勢能的區(qū)域，稱為減速面積。根據(jù)發(fā)電機(jī)與電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的面積定則判據(jù)，當(dāng)加速面積大于減速面積時，系統(tǒng)是暫態(tài)不穩(wěn)定的；反之，加速面積小于減速面積時，系統(tǒng)是暫態(tài)穩(wěn)定的。

下面來分析發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)強(qiáng)行勵磁的作用。線路故障使發(fā)電機(jī)端電壓過低，于是強(qiáng)行勵磁動作，升高勵磁電壓，增加轉(zhuǎn)子勵磁電流，使發(fā)電機(jī)電動勢提高，即發(fā)電機(jī)功角特性曲線不再是曲線III，而變?yōu)榍€IV，使減速面積增加了一大塊，提高了系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性。

 

4．改善電力系統(tǒng)運(yùn)行條件

 

（1）改善電動機(jī)自啟動條件。在發(fā)電機(jī)外部系統(tǒng)發(fā)生故障時，由于短路電流較大，使發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓降低，而現(xiàn)代大型發(fā)電機(jī)廠用電均取自于發(fā)電機(jī)端，廠用電壓降低將使電動機(jī)減速，電動機(jī)將出力不足，從而使發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)不穩(wěn)定。當(dāng)故障切除后，機(jī)端電壓得以恢復(fù)，電動機(jī)則進(jìn)入自啟動過程，更希望廠用電電壓能夠在電動機(jī)自啟動過程中有較高的電壓水平，這種過程應(yīng)該能夠盡快完成。發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)裝設(shè)了勵磁調(diào)節(jié)器后，能夠快速響應(yīng)機(jī)端電壓的變化，見圖8，從而可保持機(jī)端電壓的穩(wěn)定，即改善了電動機(jī)自啟動條件。

 

圖8 發(fā)電機(jī)勵磁調(diào)節(jié)控制圖

 

（2）改善其他發(fā)電機(jī)失磁后異步運(yùn)行條件。一個現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，有很多發(fā)電機(jī)并在電網(wǎng)中同步運(yùn)行，保持系統(tǒng)的無功功率平衡也是各臺發(fā)電機(jī)的任務(wù)。若電網(wǎng)中的某臺發(fā)電機(jī)由于失磁而進(jìn)入異步運(yùn)行，此時這臺發(fā)電機(jī)不但不能繼續(xù)向系統(tǒng)提供無功功率，反而會從系統(tǒng)中吸收無功功率，來維持其異步運(yùn)行，因此系統(tǒng)需要有大量無功功率支援，才能達(dá)到保持系統(tǒng)的無功功率平衡和維護(hù)各母線電壓的要求。設(shè)系統(tǒng)正常運(yùn)行時發(fā)電機(jī)G1發(fā)出Q1無功功率；發(fā)電機(jī)G2發(fā)出Q2無功功率，系統(tǒng)無功功率是平衡的，滿足電壓變換和負(fù)荷對無功的需求。若發(fā)電機(jī)G2發(fā)生失磁，需要從系統(tǒng)吸收Q′2無功功率，見圖9。

發(fā)電機(jī)G1所發(fā)無功功率應(yīng)為Q′1＝Q1＋ΔQ＝Q1＋Q2＋Q′2。所需增大的無功功率是較大的，因此要求發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)應(yīng)該有較大的無功功率提供能力。

（3）提高繼電保護(hù)正確性。當(dāng)電力系統(tǒng)中發(fā)生故障時，繼電保護(hù)裝置對電流的突然增大作出響應(yīng)，動作于跳閘。短路電流越大，繼電保護(hù)裝置對故障的靈敏性越高。當(dāng)短路發(fā)生時，發(fā)電機(jī)端電壓降低，勵磁調(diào)節(jié)裝置自動作出增加發(fā)電機(jī)勵磁的反應(yīng)，提高了機(jī)端電壓，從而增大了短路電流，見圖10。只要斷路器的開斷容量允許和電氣設(shè)備動熱穩(wěn)定允許，勵磁調(diào)節(jié)裝置對短路電流的增加對提高繼電保護(hù)正確性是有利的。

 

圖9 發(fā)電機(jī)無功功率變化示意圖

圖10 發(fā)電機(jī)勵磁調(diào)節(jié)對短路電流的影響曲線圖

 

 

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