發(fā)電機勵磁系統(tǒng)對電力系統(tǒng)穩(wěn)定的影響

1、發(fā)電機勵磁系統(tǒng)對電力系統(tǒng)穩(wěn)定的影響摘要：本文主要闡述發(fā)電機勵磁系統(tǒng)，在確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行所起的作用。分析了發(fā)電機勵磁系統(tǒng)對靜態(tài)穩(wěn)定、暫態(tài)、動態(tài)穩(wěn)的影響，以及增強系統(tǒng)阻尼的措施。關(guān)鍵詞：發(fā)電機勵磁系統(tǒng)穩(wěn)定一、發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的主要作用：勵磁系統(tǒng)的主要任務(wù)是向發(fā)電機的勵磁繞組提供一個可調(diào)的直流電流，以滿足發(fā)電機正常運行的需要。對同步發(fā)電機的勵磁進(jìn)行控制，是對發(fā)電機運行進(jìn)行控制的主要手段之一。勵磁系統(tǒng)的主要作用是：1、維持發(fā)電機的端電壓維持發(fā)電機的端電壓等于給定值是電力系統(tǒng)調(diào)壓的主要手段之一，在負(fù)荷變化的情況下，要保證發(fā)電機端電壓為給定值則必須調(diào)節(jié)勵磁。由發(fā)電機的簡化相量圖（圖1-1所示）可得：

2、Eq=Uf+jIfXd（1-1）式中：Eq發(fā)電機的空載電勢；Uf發(fā)電機的端電壓；1廠發(fā)電機的負(fù)荷電流比例。jifxdjirxdEqUfja圖1-1發(fā)電機的簡化相量圖式（1-1）說明，在發(fā)電機空載電勢Eq恒定的情況下，發(fā)電機端電壓Uf會隨負(fù)荷電流If的加大而降低，為保證發(fā)電機端電壓Uf恒定，必須隨發(fā)電機負(fù)荷電流If的增加（或減?。?，增加（或減?。┌l(fā)電機的空載電勢Eq，而Eq是發(fā)電機勵磁電流Ifq的函數(shù)（若不考慮飽和，Eq和Ifq成正比），故在發(fā)電機運行中，隨著發(fā)電機負(fù)荷電流的變化，必須調(diào)節(jié)勵磁電流來使發(fā)電機端電壓恒定。為了表示勵磁系統(tǒng)維持發(fā)電機端電壓恒定的能力，采用了調(diào)壓精度的概念。所謂調(diào)壓精度

3、是指在自動勵磁調(diào)節(jié)器投入運行，調(diào)差單元退出，電壓給定值不行進(jìn)人工調(diào)整的情況下，發(fā)電機負(fù)載人零變化到視在功率額定值以及環(huán)境溫度、頻率、電源電壓波動等在規(guī)定的范圍內(nèi)變化時，所引起的發(fā)電機端電壓的最大變化，常用發(fā)電機額定電壓的百分?jǐn)?shù)表示。一般來說，發(fā)電機在運行中引起端電壓變化的主要因素是負(fù)荷電流的變化，通常用發(fā)電機調(diào)壓靜差率來表示這種變化。調(diào)壓靜壓率是指自動勵磁調(diào)節(jié)器的調(diào)差單元退出，電壓給定值不變，負(fù)載從額定視在功率減小到零時發(fā)電機端電壓的變化率，它可由下式計算：(%)=(Uf0-Uf)/Ufex1OO%(1-2)式中：Uf0發(fā)電機空載電壓；Uf發(fā)電機額定負(fù)荷時的電壓；Ufe發(fā)電機的額定電壓。通過發(fā)

4、電機甩負(fù)荷試驗可測量發(fā)電機的調(diào)壓靜差率，它主要取決于勵磁系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)開環(huán)放大系數(shù)K0,K0越大，SJ便越小。以上分析的是穩(wěn)態(tài)過程。在電力系統(tǒng)的暫態(tài)過程中，維持發(fā)電機端電壓恒定有利于維持電力系統(tǒng)的電壓水平，從而使電力系統(tǒng)的運行特性得到改善。如自動勵磁調(diào)節(jié)能使短路切除后，電力系統(tǒng)的電壓恢復(fù)加快，從而使系統(tǒng)中的異步電動機自啟動加速，當(dāng)電力系統(tǒng)中有大型電動機啟動，同步發(fā)電機自同期并列，同步電機因失磁而轉(zhuǎn)入異步運行或重負(fù)荷線路合閘(或重合閘)時，電力系統(tǒng)都可能造成大量無功缺額，系統(tǒng)電壓水平將下降，自動勵磁調(diào)節(jié)能減小這種情況下降，使電力系統(tǒng)的運行特性得到改善。另一方面，當(dāng)系統(tǒng)中有重負(fù)荷線路跳閘或發(fā)電機發(fā)生甩

5、負(fù)荷時，自動勵磁調(diào)節(jié)有助于降低此時可能產(chǎn)生的系統(tǒng)及發(fā)電機電壓過分升高，甩負(fù)荷可能造成發(fā)電機嚴(yán)重過壓。為防止這種過電壓的發(fā)生，要求勵磁系統(tǒng)在這種情況下能強行減磁（簡稱強減）。2、控制無功功率的分配當(dāng)發(fā)電機并聯(lián)于電力系統(tǒng)運行時，它輸出的有功決定于從原動機輸入的功率，而發(fā)電機輸出的無功則和勵磁電流有關(guān)。為分析方便，假定發(fā)電機并聯(lián)在無窮大母線運行，即其機端電壓Uf恒定。設(shè)發(fā)電機從原動機輸入的機械功率不變，即發(fā)電機輸出的有功功率Pt恒定，則有：Pf二UflfCOS®二（EqUf/Xd）sin6二常數(shù)（1-3）式中：®發(fā)電機的功率因數(shù)角；S發(fā)電機的功率角。Uf恒定、Pf恒定即意味著If

6、COS®和EqSin6均為常數(shù)，在發(fā)電機相量圖（圖1-2）上，這表示發(fā)電機電流If的矢端軌跡為虛線BB'，空載電勢Eq的矢端軌跡為虛線AA'。當(dāng)改變發(fā)電機的勵磁使發(fā)電機空載電勢Eq變化（如Eq1變?yōu)镋q2）時，發(fā)電機的負(fù)載電流If跟著變化（由If1變?yōu)镮f2）,但其有功分量Ia=Ifcos®恒定，故變化的只是無功電流IR。所以說,在發(fā)電機并聯(lián)運行于無窮大母線情況下，調(diào)節(jié)勵磁將改變發(fā)電機輸出的無功。圖1-2發(fā)電機與無窮大母線并聯(lián)運行的相量圖實際運行中，發(fā)電機并聯(lián)運行的母線不會是無窮大母線，這時改變勵磁會使發(fā)電機的端電壓和輸出無功都發(fā)生變化，但一般來說，發(fā)電機的

7、端電壓變化較小，而輸出無功卻會有較大的變化。保證并聯(lián)運行發(fā)電機組間合理的無功分配，是勵磁系統(tǒng)的重要功能。在研究并聯(lián)運行發(fā)電機組間的無功分配問題時，所涉及的主要概念之一是發(fā)電機機端電壓調(diào)差率。所謂發(fā)電機機端電壓調(diào)差率是指在自動勵磁調(diào)節(jié)器的調(diào)差單元投入，電壓給定值固定，發(fā)電機功率因數(shù)為零的情況下，發(fā)電機無功負(fù)載從零變化到額定值時，用發(fā)電機額定電壓百分?jǐn)?shù)表示的發(fā)電機機端電壓變化率sT,通常由下式計算：1-4)6t(%)=(Uf0-Ufr)/Ufex1OO%式中：Uf0發(fā)電機空載電壓；Ufr發(fā)電機額定無功負(fù)載時的電壓；Ufe發(fā)電機的額定電壓。發(fā)電機的端電壓調(diào)差率，反映了在自動勵磁調(diào)節(jié)器的作用下發(fā)電機端

8、電壓Uf隨著發(fā)電機輸出無功的變化。自動勵磁調(diào)節(jié)器調(diào)差單元的接法不同。發(fā)電機端電壓Uf可能隨發(fā)電機輸出無功電流Ir的加大而降低，即Uf<Uf0，這時，稱發(fā)電有正的電壓調(diào)差；也可能發(fā)電機端電壓Uf隨發(fā)電機輸出無功電流IR的加大而升高，即Uf>UfO，則稱發(fā)電機有負(fù)的電壓調(diào)差；若發(fā)電機端電壓Uf不隨發(fā)電機輸出無功電流IR的變化而改變，即Uf=Uf0，則稱發(fā)電機沒有電壓調(diào)差，即無差調(diào)節(jié)。圖1-3表示了發(fā)電機的三種調(diào)差特性。圖1-3發(fā)電機的調(diào)差特性圖當(dāng)多臺發(fā)電機機端直接并聯(lián)在一起工作時，為了使并聯(lián)機組間能有穩(wěn)定的無功分配，這些發(fā)電機都必須有正的電壓調(diào)差,且要求調(diào)差率St=3%5%。若發(fā)電機是

9、單元接線,即它們是通過升壓變壓器在高壓母線上并聯(lián)，則要求發(fā)電機有負(fù)的調(diào)差，負(fù)調(diào)差的作用是部分補償無功電流在升壓變壓器上形成的壓降（國外常把調(diào)差單元稱為負(fù)荷補償器），從而使電廠高壓母線電壓更加穩(wěn)定。有些電廠為了減小系統(tǒng)電壓波動所引起的發(fā)電機無功的波動，常常不投入調(diào)差單元，而這對電力系統(tǒng)的調(diào)壓，即保持系統(tǒng)的電壓水平是不利的。3、提高同步發(fā)電機并聯(lián)運行的穩(wěn)定性通常把電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題分為三類很卩靜態(tài)穩(wěn)定（S、暫態(tài)穩(wěn)定及動態(tài)穩(wěn)定問題。所謂靜態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)在受到小干擾作用時的穩(wěn)定性，即受到小干擾作用后恢復(fù)原平衡狀態(tài)的能力；而暫態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)在受到大干擾（主要是短路）作用時的穩(wěn)定性，即在大干擾作

10、用后系統(tǒng)能否在新的平衡狀態(tài)下穩(wěn)定工作；而動態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)受干擾后（包括小干擾和大干擾），在考慮了各種自動控制裝置作用的情況下，長過程的穩(wěn)定性問題。勵磁控制對電力系統(tǒng)的三類穩(wěn)定的改善都有顯著的作用，下面分別討論勵磁控制對各類穩(wěn)定問題的影響。2勵磁控制對靜態(tài)穩(wěn)定的影響：為簡化分析，設(shè)發(fā)電機工作于單機對無窮大母線系統(tǒng)中。發(fā)電機F經(jīng)升壓變電器SB及輸電線接到受端母線，由于受端母線為無窮大母線，它的電壓幅值U和相位（設(shè)為零）都保持恒定。圖1-4表示了系統(tǒng)的接線圖及等值電路圖。D）接線圖SBEqXd等值電路圖1-4單機對無窮大母線系統(tǒng)接線及等值電路圖若忽略發(fā)電機的凸極效應(yīng)（即認(rèn)為xd=xq）及回路電阻

11、，則發(fā)電機輸出的有功功率為：Pf=（EqU/XdJsins（1-5）式中：Eq發(fā)電機空載電勢；U無窮大母線電壓；sEq和U之間的相角差，常稱功率角；Xdz系統(tǒng)總電抗,為發(fā)電機縱軸同步電抗xd、變壓器電抗XT和線路電抗xT之和。若發(fā)電機空載電勢Eq恒定，則發(fā)電機的有功功率Pf將只隨功率角6變化（見圖1-5）,Pf和&之間的這種正弦關(guān)系稱為發(fā)電機的內(nèi)功角特性。PIPm圖1-5無自動電壓調(diào)節(jié)的發(fā)電機功角特性圖當(dāng)發(fā)電機的原動機輸入功率為P0時，發(fā)電機存在著兩個平衡的工作點a和b。在a點，若發(fā)電機因干擾而偏差平衡點，由于AP/AS。，即角度有偏移所產(chǎn)生的功率偏移P（同A6同號）會使發(fā)電機遠(yuǎn)離平衡

12、點，故b點是不穩(wěn)定的。通常將dP/dt當(dāng)作電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定的判據(jù)，當(dāng)AP/A6>0時，系統(tǒng)是穩(wěn)定的，反之是不穩(wěn)定的。對無自動勵磁調(diào)節(jié)器的發(fā)電機來說,在5<90°時,系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。即穩(wěn)定極限角為90°。若發(fā)電機具有自動勵磁調(diào)節(jié)器，由于調(diào)節(jié)器能自動維持發(fā)電機端電壓的恒定，即能隨角度6的加大而加大空載電勢,使發(fā)電機的實際運行曲線是一組內(nèi)功角特性曲線上的點組成（參見圖1-6），這時發(fā)電機可以運行于6>90°的區(qū)段，通常把這一區(qū)段稱為人工穩(wěn)定區(qū)。即由于采用了自動勵磁調(diào)節(jié)器而將原來不穩(wěn)定的工作區(qū)域變?yōu)榉€(wěn)定區(qū)域，從物理概念上，可以理解：在6>90的情況

13、下，當(dāng)干擾使發(fā)電機偏離了原工作點,產(chǎn)生了角度偏移§,一方面按正弦特性會產(chǎn)生一個負(fù)的有功增量廣AP/引Eq=c。ntxA5），另一方面,A5加大使機端電壓降低，自動勵磁調(diào)節(jié)器為使機端電壓恒定而加大發(fā)電機的勵磁電流，使空載電勢Eq產(chǎn)生一個增量AEq,AEq又使發(fā)電機產(chǎn)生一個正的有功增量APf2,（Pf2=。匕人6|§=contXEq）,顯然若Pf2>|APj,因而，由角度偏移引起的總的功率增量APf二APf二APf?。,即dP/d6>0，系統(tǒng)變穩(wěn)定了。自動電壓調(diào)節(jié)器按電壓偏差調(diào)節(jié)的放大倍數(shù)越大，發(fā)電機維持端電壓的能力越強，AEq越大，APf2也越大,發(fā)電機的穩(wěn)定極限

14、也就加大。0圖1-6有自動勵磁調(diào)節(jié)的發(fā)電機功角特性圖對于那些離系統(tǒng)較近（指電氣距離）的發(fā)電機來說，在系統(tǒng)電壓突然升高時（如一條重負(fù)荷線路因事故跳閘），發(fā)電機電壓會隨之升高，發(fā)電機的自動勵磁調(diào)節(jié)器為維持機端電壓恒定，會將勵磁電流減得過低，造成發(fā)電機進(jìn)相以致失去靜態(tài)穩(wěn)定。為防止這種情況發(fā)生，在發(fā)電機的勵磁調(diào)節(jié)器中，必須裝有低勵限制單元。當(dāng)發(fā)電機的勵磁過分降低，以致危及它的靜態(tài)穩(wěn)定時，低勵限制單元動作，阻止發(fā)電機勵磁的進(jìn)一步降低。2）勵磁控制對電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性的影響：如前所述，為了提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，希望自動勵磁調(diào)節(jié)器有較大的放大系數(shù)，而這卻會使系統(tǒng)的動態(tài)特性變壞，使系統(tǒng)發(fā)生振蕩的可能性增加。如

15、何控制勵磁才能使系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性得到提高呢？設(shè)發(fā)電機工作于單機對無窮大母線系統(tǒng)（見圖1-4），當(dāng)發(fā)電機相對于系統(tǒng)發(fā)電幅值不大的振蕩時，有：AS=ASMsinYxt（1-6）式中：AS對平衡點的角度偏移角度振蕩的偏值；Y振蕩角頻率。發(fā)電機轉(zhuǎn)子運動方程為：H（d2AS/dt2）+D（dAS/dt）=AP0-APf（1-7）式中：H發(fā)電機的慣性常數(shù)；D發(fā)電機的阻尼系數(shù)；P。一一由原動機輸入的功率偏移；APf發(fā)電機輸出有功功率偏移。對汽輪機來說，由于其調(diào)速器的時間常數(shù)很大，故可近似認(rèn)為振蕩過程中P0=0,則式（1-7）可寫成：H（d2AS/dt2）+D（dAS/dt）+APf=0（1-8）由式（1-5

16、）可得：APf=K1AS+K2AEq（1-9）式中：勺二dAPf/dAS及K2二dAPf/dAEq將式（1-9）代入式（1-8）可得：H（d2AS/dt2）+D（dAS/dt）+K1AS+K2AEq=0（1-10）當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生振蕩時，所有的量都以相同的角頻率變化，由于發(fā)電機勵磁繞組及勵磁機(若有的話)慣性的影響，在按電壓偏差調(diào)節(jié)勵磁的情況下，勵磁電流變化的相位總是滯后于變化的相位，故空載電勢AEq可表示為：AEq=AEqMsin(g-a)(1-11)式中：AEqm載電勢的振蕩幅值；a和之間的夾角。上式展開可得：AEq=AEqMCOSaXSinYt-AEqmSinaXCOSYt12)考慮到：AS=

17、ASMsinYt及dAS/dt=ASMYCOSYt可得：AEq=K3A5-K4(dA5/dt)(1-13)式中：K3=AEqMCOSa/A5MXY將式(1-13)代入式(1-10)可得：H(d2A5/dt2)+(D-K2K4)(dA5/dt)+(K1+K2K3)A5=0(1-14)由式(1-14)可見，勵磁電流的變化即AEq的變化對發(fā)電機轉(zhuǎn)子運動方程的影響有兩個，其一是使自由的系數(shù)由勺變?yōu)?K1+K2K3)，即產(chǎn)生了附加的自由項(K2K3)，當(dāng)忽略水輪發(fā)電機的凸極效應(yīng)時，K1=(dP“S)JEq=cont=(EqU/Xd)cos6(1-15)即K1在a>90°情況下為負(fù),即若無

18、附加項K2K3,系統(tǒng)穩(wěn)定的極限為90。而由AEq變化（反映勵磁調(diào)節(jié)的作用）引起的附加項K2K3使發(fā)電機的極限穩(wěn)定角大于90°AEq變化產(chǎn)生的另一個影響就是減小了系統(tǒng)的阻尼，將阻尼系數(shù)由D減小為（d-k2k4），這即是通常所說的勵磁調(diào)節(jié)的負(fù)阻尼作用，顯然它對系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定是不利的。要在勵磁調(diào)節(jié)時增加系統(tǒng)的阻尼，必須使勵磁電流地變化（亦即Eq）領(lǐng)先角度變化（即§）一個角度,即：AEq=AEqMsin（Yt+a）（1-16）則式（1-12），（1-13），（1-14）分別可寫為：EqMEqMCOSoesinZ+AEqMsinaaswt（1-17）Eq=K3A5+K4（dA5/dt

19、）（1-18）H（d2A5/dt2）+（D+K2K4）（dM/dt）+（k1+k2k3）=0（1-19）由式（1-19）即可看出,勵磁電流變化（即AEq）產(chǎn)生的附加項加大了系統(tǒng)的阻尼，從而提高了電力系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性。如何能使勵磁電流的變化領(lǐng)先角度的變化呢？通常采用的辦法是用反映角度微分的量（角度的微分總是領(lǐng)先角度變化的），如發(fā)電機的輸出功率P（最好是剩余功率AP二P0-Pf）,轉(zhuǎn)速3,頻率f等信號來調(diào)節(jié)勵磁。采用這種方法調(diào)節(jié)勵磁的調(diào)節(jié)器在蘇聯(lián)及東歐稱為強力式勵磁調(diào)節(jié)器，而在西方則稱為電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）。3）勵磁控制對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響：提高勵磁系統(tǒng)的強勵能力（提高電壓強勵倍數(shù)及電壓上升速度）通常被認(rèn)為是提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的最經(jīng)濟及最有效的手段之一。隨著繼電保護(hù)和開關(guān)動作速度的提高，強勵對暫態(tài)穩(wěn)定的影響雖有所減?。ㄒ驗閺妱钭饔玫臅r間變短了），但強勵對提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定作用仍具有其十分重要意義。反應(yīng)勵磁系統(tǒng)強勵性能的主要指標(biāo)有：a. 勵磁頂值電壓倍數(shù)npu:常稱電壓強勵倍數(shù)，它指在強勵期間勵磁功率單元可能提供的最高輸出電壓值與發(fā)電機額定勵磁電壓之比。對于自并勵磁系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)電機機端正序電壓為額定值的8