新聞主題	勵磁調節對發(fā)電機穩定性的影響

 

摘要：同步發(fā)電機中的核心部分是由發(fā)電機勵磁系統構成的，發(fā)電機勵磁系統主要的作用是，在運作過(guò)程中為同步發(fā)電機勵磁電源提供一套全面性、優(yōu)質(zhì)性的系統服務(wù)。通常情況下，發(fā)電機勵磁系統是由兩大核心部分構成。其中的一部分是勵磁功率輸出部分，其主要的核心作用是，供應直流電流給同步發(fā)電機的磁場(chǎng)繞組，從而建立直流磁場(chǎng)；發(fā)電機勵磁系統的另一部分的主要作用是，為了確保電力系統的安全穩定運行，在正常運作或者是運作過(guò)程中發(fā)生故障的情況下，能夠及時(shí)地對勵磁電流給予適當的調整。根據上述綜合性的分析可知，同步發(fā)電機勵磁系統對于電力系統的正常運作具有舉足輕重的作用。

一、穩定性的定義和分類(lèi)

 

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

1、靜態(tài)穩定性（SteadyStateStability）

      此定義是指當電力系統的負載（或電壓）發(fā)生微小擾動(dòng)時(shí)，系統本身保持穩定傳輸的能力。這一穩定性定義主要涉及發(fā)電機轉子功角過(guò)大而使發(fā)電機同步能力減少的情況。

2、動(dòng)態(tài)穩定性（DynamicStability）

      主要指系統遭受大擾動(dòng)之后，同步發(fā)電機保持和恢復到穩定運行狀態(tài)的能力。失去動(dòng)態(tài)穩定性的主要形式為發(fā)電機之間的功角及其他量產(chǎn)生隨時(shí)間而增長(cháng)的振蕩，或者由于系統非線(xiàn)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(guò)程較長(cháng)。

3、暫態(tài)穩定性（TransientStability）

      當系統受到大擾動(dòng)時(shí)，例如各種短路、接地、斷線(xiàn)故障以及切斷故障線(xiàn)路后系統保持穩定的能力，發(fā)生暫態(tài)不穩定的過(guò)程時(shí)間較短，主要發(fā)生在事故后發(fā)電機轉子第一搖擺周期內。

 

二、 勵磁控制原理

 

      勵磁控制系統對電力系統穩定的影響與同步發(fā)電機的特性密切相關(guān)，同步發(fā)電機結構外形和勵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)電機實(shí)物外形

圖2  勵磁系統控制原理圖

 

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

 

      勵磁控制的主要部分是勵磁調節器，其作用在于感受發(fā)電機電壓的變化，并發(fā)出控制命令對勵磁功率單元加以控制，勵磁功率單元也只有在接收到勵磁調節器的控制命令后才會(huì )改變其輸出的勵磁電壓。因此，一方面，勵磁調節器應能反映發(fā)電機電壓高低以維持發(fā)電機機端電壓在給定水平，能合理分配發(fā)電機組的無(wú)功功率，并且應具備強行勵磁功能以迅速反應系統故障，以提高暫態(tài)穩定和改善系統運行條件；另一方面，勵磁功率單元要有足夠的可靠性，并具有足夠的調節容量，同時(shí)具有足夠的勵磁電壓頂值和電壓上升速度。

 

      勵磁系統的模型，根據不同的分類(lèi)可以分為許多種。我國常用的勵磁系統模型主要有直流勵磁系統、交流勵磁系統以及及靜止勵磁系統(包括自并勵和自復勵。在電力系統的實(shí)際分析中，通常采用簡(jiǎn)化的實(shí)用模型。同時(shí)，通用的勵磁系統之中附加了快速勵磁控制方式，其作用在于能夠在系統發(fā)生故障時(shí)快速捕捉發(fā)電機端電壓等的變化信號，并對之加以控制，以此來(lái)控制發(fā)電機轉差的搖擺，提高暫態(tài)及靜態(tài)穩定性。為了快速控制發(fā)電機端電壓，必須提高整個(gè)勵磁系統的反應速度。因此，有必要提高勵磁系統(包括自動(dòng)電壓調節器AVR)的適應性能和勵磁系統的峰值電壓。

 

三、 勵磁系統對電力系統穩定性的影響

 

      在小干擾作用下標志發(fā)電機組穩定性水平的主要指標是發(fā)電機的電磁功率極限與轉子運行角度的極限，當發(fā)電機的電磁功率超過(guò)最大極限時(shí)，微動(dòng)態(tài)定將破壞。對于大擾動(dòng)作用下的的暫態(tài)穩定水平，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。即當輸電線(xiàn)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)間系統穩定，則稱(chēng)該系統在K點(diǎn)發(fā)生這類(lèi)故障時(shí)的最大允許切除時(shí)間，顯然，切除時(shí)間值越大，標志系統的暫態(tài)穩定水平越高。

1、勵磁系統對電力系統靜態(tài)穩定性的影響

      當發(fā)動(dòng)機運作過(guò)程中，沒(méi)有任何的勵磁調節時(shí)，發(fā)電機的內電勢Eq的值為常數，其靜態(tài)穩定功率的極限值在此時(shí)等于，所對應的功角度數為90°。

      電力系統必須具有在遭受微小擾動(dòng)后快速恢復到原來(lái)的正常運行狀態(tài)的能力，這就是電力系統的靜態(tài)穩定。當電力系統發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，發(fā)電機端的電壓就會(huì )下降，這樣，定子電流也相應增加，于是，勵磁電流也會(huì )隨之增加。在這種情況下，如果接入勵磁調節器，當發(fā)電機電壓下降，勵磁調節器將使勵磁電流增加，其增加量和速度決定與勵磁系統增益和時(shí)間常數。如果勵磁電流增加分量與的衰減分量相抵消，則系統可以達到一個(gè)新的靜穩定極限。發(fā)電機功率特性和調節特性如圖3、圖4所示。

 

圖3  發(fā)電機的功率特性曲線(xiàn)圖

圖4  發(fā)電機勵磁調節器的調差單元

 

 

2、勵磁調節對電力系統動(dòng)態(tài)穩定性的影響

      電力系統的動(dòng)態(tài)穩定性問(wèn)題，可以理解為電力系統機電振蕩的阻尼問(wèn)題。阻尼問(wèn)題一直都是勵磁控制系統的主要組成部分。它不僅影響到勵磁控制系統的安全穩定性，同時(shí)對于系統的質(zhì)量保障也起到一定的影響。

      電力系統的動(dòng)態(tài)穩定性的影響也就是振蕩阻尼影響。由于微機自動(dòng)勵磁控制系統的應用，使勵磁控制系統中的自動(dòng)電壓調節造成電力系統機電振蕩阻尼變弱(甚至變負)的最重要的原因之一。在一定的運行方式及勵磁系統參數下，勵磁調節器用在維持發(fā)電機電壓不變的同時(shí)，產(chǎn)生負的阻尼作用。在正常實(shí)用的范圍內，勵磁電壓調節器的負阻尼作用會(huì )隨著(zhù)開(kāi)環(huán)增益的增大而提高。因此提高勵磁調節裝置的精度和提高系統動(dòng)態(tài)穩定性是矛盾的。當調節不當，或者操作者技術(shù)不過(guò)關(guān)，或者時(shí)間把握不佳，也會(huì )影響到阻尼情況。在一定的運行方式及勵磁系統參數下，電壓調節作用在維持發(fā)電機電壓恒定的同時(shí)，產(chǎn)生負的阻尼作用。在正常實(shí)用的范圍內，勵磁電壓調節器的負阻尼作用會(huì )隨著(zhù)開(kāi)環(huán)增益的增大而加強。因此提高電壓調節精度的要求和提高動(dòng)態(tài)穩定性的要求是不相容的。

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

3、勵磁調節對電力系統暫態(tài)穩定的影響

      在分析發(fā)電機勵磁系統對暫態(tài)穩定性的影響過(guò)程中，本文主要依據功率變化曲線(xiàn)為例，來(lái)分析短路故障下的發(fā)電機的功率變化特征。此狀態(tài)下幅值公式表示為

X_∑=X_d+X_T+X_e/2

      電力系統必須具有在遭受短路，發(fā)電機切除等大的擾動(dòng)后過(guò)渡或恢復到新的穩定狀態(tài)的能力，這就是電力系統的暫態(tài)穩定。提高電力系統暫態(tài)穩定，通常有兩種方法，或是提高從故障開(kāi)始直至故障結束時(shí)發(fā)電機的電磁力矩，或是減小原動(dòng)機的機械力矩。其中，增大勵磁電流是增加電磁力矩的有效措施。由于不同的系統結構及故障性質(zhì)以及發(fā)電機勵磁系統時(shí)間常數等因素，發(fā)電機恢復的速度也不盡相同。為此，勵磁系統必須具備快速響應的能力。因此，勵磁系統的時(shí)間常數要縮小，同時(shí)要提高強行勵磁的倍數。

 

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