新聞主題	同步發(fā)電機勵磁控制系統的任務(wù)與作用

 

發(fā)電機勵磁控制系統可根據發(fā)電機負荷的變化相應的調節勵磁電流，以維持機端電壓為給定值；同時(shí)控制并列運行各發(fā)電機間無(wú)功功率分配，提高發(fā)電機并列運行的靜態(tài)穩定性與暫態(tài)穩定性；在發(fā)電機內部出現故障時(shí)，進(jìn)行滅磁，以減小故障損失程度。

 

1．維持機端或系統中某點(diǎn)電壓水平

 

電力系統在正常運行時(shí)，隨著(zhù)負荷的波動(dòng)，需要對勵磁電流進(jìn)行調節以維持機端或系統中某一點(diǎn)的電壓在給定水平（電壓控制）。勵磁自動(dòng)控制系統擔負了維持電壓水平的任務(wù)，這是勵磁系統最基本的任務(wù)。為了闡明它的基本概念，可用最簡(jiǎn)單的單機系統來(lái)分析。

 

圖1所示為同步發(fā)電機運行原理圖，其中Ufd、Ifd為發(fā)電機勵磁電壓、電流。圖2所示為穩態(tài)運行情況下的等值電路，其中Eq為發(fā)電機空載電動(dòng)勢，Xd為直軸同步電抗，UG、IG為發(fā)電機端電壓、電流。

 

圖1 同步發(fā)電機原理圖

圖2 同步發(fā)電機等值電路圖

 

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

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

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

 

設發(fā)電機的勵磁電流為Ifd1，此時(shí)發(fā)電機無(wú)功電流為IGQ1，機端電壓為額定電壓UN，如圖4中的1點(diǎn)；當無(wú)功電流增大到IGQ2時(shí)，若勵磁電流仍為Ifd1，則機端電壓降到UG1，如圖4中的2點(diǎn)；為保持機端電壓為額定值運行，應增大勵磁電流到Ifd2，如圖4中的3點(diǎn)，即將外特性曲線(xiàn)上移。同樣，無(wú)功電流減小時(shí)為保持機端額定電壓運行，勵磁電流應減小，即外特性曲線(xiàn)下移。

 

這種機端電壓維持額定電壓的勵磁電流調節，可以手動(dòng)進(jìn)行，也可以自動(dòng)進(jìn)行。自動(dòng)進(jìn)行勵磁電流調節的裝置是AER（AVR）。勵磁功率單元提供同步發(fā)電機正常運行、系統故障情況下的勵磁電流，AER根據輸入信號和給定的調節準則控制勵磁功率單元的輸出。如果AER足夠靈敏，調節結束時(shí)總有ΔU→0，從而使發(fā)電機UG正常運行時(shí)維持給定電壓水平。

 

圖3 同步發(fā)電機穩態(tài)運行相量圖

圖4 同步發(fā)電機無(wú)功電壓外特性曲線(xiàn)圖

 

2．控制無(wú)功功率分配

 

當發(fā)電機與無(wú)窮大容量母線(xiàn)并聯(lián)運行時(shí)，根據無(wú)窮大系統定義，系統阻抗為零，發(fā)電機與系統相聯(lián)的母線(xiàn)電壓恒定。

發(fā)電機輸出功率由原動(dòng)機輸入功率決定，與勵磁電流大小無(wú)關(guān)。當原動(dòng)機輸入功率不變時(shí)，發(fā)電機輸出有功功率為常數；另一方面，對隱極發(fā)電機，發(fā)電機輸出有功功率可由功角特性得到，則發(fā)電機有功功率為

 

......................（6-4）

 

當UG保持不變時(shí)，即有

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

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

式中  Xd——常數；

K1、K2——常數。

由圖5可見(jiàn)，機端電壓恒定不變，改變勵磁，僅改變Eq電動(dòng)勢，Eq端點(diǎn)將始終在A(yíng)線(xiàn)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)應始終在B線(xiàn)上，所以發(fā)電機對應無(wú)功功率輸出增加；相反，減小勵磁將使發(fā)電機輸出無(wú)功功率減??；當減小勵磁使發(fā)電機電動(dòng)勢低于母線(xiàn)電壓后，發(fā)電機將從系統中吸收無(wú)功功率，這種運行方式即為“進(jìn)相運行”。由此可知，當發(fā)電機與大系統并聯(lián)運行時(shí)，通過(guò)改變發(fā)電機勵磁，可控制發(fā)電機的無(wú)功功率輸出，使機組間的無(wú)功功率合理分配。

 

圖5 同步發(fā)電機與無(wú)窮大系統并聯(lián)運行相量圖

 

3．提高同步發(fā)電機并聯(lián)運行穩定性

 

（1）提高靜態(tài)穩定性

 

同步發(fā)電機并列于電力系統運行，系統中經(jīng)常存在小的干擾。靜態(tài)穩定討論的是發(fā)電機在小干擾作用下，能否具備恢復至原運行點(diǎn)的能力。設發(fā)電機經(jīng)升壓變壓器與系統相聯(lián)，系統電壓為US恒定不變。

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

 

圖6 同步發(fā)電機功角特性曲線(xiàn)圖

 

由電力系統知識可知a點(diǎn)為穩定工作點(diǎn)，在該點(diǎn)上系統負荷有小干擾，能夠恢復至a點(diǎn)運行；而b點(diǎn)為不穩定工作點(diǎn)。無(wú)自動(dòng)勵磁調節時(shí)，勵磁電流不變，保持Eq恒定。功角特性最高點(diǎn)對應發(fā)電機輸出最大電磁功率Pm，δ＝90°為靜態(tài)穩定極限。Pm與P0之間的差值與發(fā)電機額定有功容量的比值為穩定裕度。

當有自動(dòng)勵磁調節器時(shí)，發(fā)電機功率變化時(shí)，為維持端電壓，必須調節Eq值。即具有AER的發(fā)電機的有功功率變化時(shí)，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，功角特性也可表示為

 

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

X′d——發(fā)電機直軸暫態(tài)電抗；

Xq——發(fā)電機交軸同步電抗。

雖然E′q＜Eq，但由于X′d遠小于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(xiàn)所示，功率極限出現在δ＞90°的區域。

當發(fā)電機不裝設AER時(shí)，功角δ極限為90°；當發(fā)電機裝設AER后，功角δ極限δlim＞90°，發(fā)電機可以穩定運行在90°＜δ＜δlim的區域，該區域是人工穩定區，靜穩定水平提高。有無(wú)自動(dòng)勵磁調節器的比較見(jiàn)圖6。

 

（2）對暫態(tài)穩定的作用

 

發(fā)電機與系統并列運行受到大干擾后是否能夠保持同步運行狀態(tài)，稱(chēng)為暫態(tài)穩定分析，包括發(fā)生各種類(lèi)型的能夠影響系統穩定的短路故障、繼電保護切除故障的時(shí)間。這里討論發(fā)電機的勵磁調節系統在電網(wǎng)發(fā)生故障后，對電壓下降所作出的強行勵磁的作用。系統正常運行時(shí)，發(fā)電機功角特性曲線(xiàn)為圖7中的曲線(xiàn)I，即

 

圖7 發(fā)電機暫態(tài)穩定功角特性曲線(xiàn)圖.

 

在雙回線(xiàn)路中一回線(xiàn)路發(fā)生故障后，系統母線(xiàn)電壓急劇降低，發(fā)電機功角特性曲線(xiàn)下降為功角特性曲線(xiàn)II，運行點(diǎn)從a點(diǎn)變?yōu)閎點(diǎn)。由于短暫時(shí)間內發(fā)電機調速裝置不可能迅速反應，可假設發(fā)電機輸入機械功率不變，此時(shí)，發(fā)電機輸入機械功率大于輸出電磁功率，發(fā)電機有正的角加速度，且角速度高于系統同步速，發(fā)電機功角從b點(diǎn)增大向c點(diǎn)變化。由于線(xiàn)路繼電保護動(dòng)作，斷開(kāi)故障線(xiàn)路，系統母線(xiàn)電壓恢復，但線(xiàn)路單回路阻抗較大，發(fā)電機功角特性曲線(xiàn)上升為曲線(xiàn)II，雖然此時(shí)發(fā)電機輸入機械功率小于輸出電磁功率，角加速度變負，但由于發(fā)電機角速度高于系統同步速，發(fā)電機功角從e點(diǎn)增大向f點(diǎn)變化。若發(fā)電機功角e增大而越過(guò)f點(diǎn)，發(fā)電機又將進(jìn)入加速過(guò)程，從而導致發(fā)電機與系統之間失去同步，我們稱(chēng)之為暫態(tài)不穩定。若發(fā)電機功角δ在越過(guò)f點(diǎn)之前角速度減小到低于系統同步速，發(fā)電機功角δ從增大變?yōu)闇p小，向發(fā)電機與系統之間穩定方向變化，經(jīng)多次阻尼振蕩，最終穩定在新的同步運行點(diǎn)，該過(guò)程我們認為是暫態(tài)穩定的。在線(xiàn)路發(fā)生故障后，形成abce圍成的區域是發(fā)電機加速，動(dòng)能、勢能增加的區域，稱(chēng)為加速面積；而def圍成的區域是發(fā)電機減速，剩余動(dòng)能轉化為勢能的區域，稱(chēng)為減速面積。根據發(fā)電機與電力系統暫態(tài)穩定的面積定則判據，當加速面積大于減速面積時(shí)，系統是暫態(tài)不穩定的；反之，加速面積小于減速面積時(shí)，系統是暫態(tài)穩定的。

下面來(lái)分析發(fā)電機勵磁系統強行勵磁的作用。線(xiàn)路故障使發(fā)電機端電壓過(guò)低，于是強行勵磁動(dòng)作，升高勵磁電壓，增加轉子勵磁電流，使發(fā)電機電動(dòng)勢提高，即發(fā)電機功角特性曲線(xiàn)不再是曲線(xiàn)III，而變?yōu)榍€(xiàn)IV，使減速面積增加了一大塊，提高了系統暫態(tài)穩定性。

 

4．改善電力系統運行條件

 

（1）改善電動(dòng)機自啟動(dòng)條件。在發(fā)電機外部系統發(fā)生故障時(shí)，由于短路電流較大，使發(fā)電機機端電壓降低，而現代大型發(fā)電機廠(chǎng)用電均取自于發(fā)電機端，廠(chǎng)用電壓降低將使電動(dòng)機減速，電動(dòng)機將出力不足，從而使發(fā)電機的工作狀態(tài)不穩定。當故障切除后，機端電壓得以恢復，電動(dòng)機則進(jìn)入自啟動(dòng)過(guò)程，更希望廠(chǎng)用電電壓能夠在電動(dòng)機自啟動(dòng)過(guò)程中有較高的電壓水平，這種過(guò)程應該能夠盡快完成。發(fā)電機勵磁系統裝設了勵磁調節器后，能夠快速響應機端電壓的變化，見(jiàn)圖8，從而可保持機端電壓的穩定，即改善了電動(dòng)機自啟動(dòng)條件。

 

圖8 發(fā)電機勵磁調節控制圖

 

（2）改善其他發(fā)電機失磁后異步運行條件。一個(gè)現代電力系統中，有很多發(fā)電機并在電網(wǎng)中同步運行，保持系統的無(wú)功功率平衡也是各臺發(fā)電機的任務(wù)。若電網(wǎng)中的某臺發(fā)電機由于失磁而進(jìn)入異步運行，此時(shí)這臺發(fā)電機不但不能繼續向系統提供無(wú)功功率，反而會(huì )從系統中吸收無(wú)功功率，來(lái)維持其異步運行，因此系統需要有大量無(wú)功功率支援，才能達到保持系統的無(wú)功功率平衡和維護各母線(xiàn)電壓的要求。設系統正常運行時(shí)發(fā)電機G1發(fā)出Q1無(wú)功功率；發(fā)電機G2發(fā)出Q2無(wú)功功率，系統無(wú)功功率是平衡的，滿(mǎn)足電壓變換和負荷對無(wú)功的需求。若發(fā)電機G2發(fā)生失磁，需要從系統吸收Q′2無(wú)功功率，見(jiàn)圖9。

發(fā)電機G1所發(fā)無(wú)功功率應為Q′1＝Q1＋ΔQ＝Q1＋Q2＋Q′2。所需增大的無(wú)功功率是較大的，因此要求發(fā)電機勵磁系統應該有較大的無(wú)功功率提供能力。

（3）提高繼電保護正確性。當電力系統中發(fā)生故障時(shí)，繼電保護裝置對電流的突然增大作出響應，動(dòng)作于跳閘。短路電流越大，繼電保護裝置對故障的靈敏性越高。當短路發(fā)生時(shí)，發(fā)電機端電壓降低，勵磁調節裝置自動(dòng)作出增加發(fā)電機勵磁的反應，提高了機端電壓，從而增大了短路電流，見(jiàn)圖10。只要斷路器的開(kāi)斷容量允許和電氣設備動(dòng)熱穩定允許，勵磁調節裝置對短路電流的增加對提高繼電保護正確性是有利的。

 

圖9 發(fā)電機無(wú)功功率變化示意圖

圖10 發(fā)電機勵磁調節對短路電流的影響曲線(xiàn)圖

 

 

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