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

1、發(fā)電機(jī)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(jī)勵磁系統(tǒng)，在確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行所起的作用。分析了發(fā)電機(jī)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(qiáng)系統(tǒng)阻尼的措施。關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)穩(wěn)定一、發(fā)電機(jī)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(jī)的勵磁繞組提供一個可調(diào)的直流電流，以滿足發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行的需要.對同步發(fā)電機(jī)的勵磁進(jìn)行控制，是對發(fā)電機(jī)運(yùn)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(jī)的端電壓維持發(fā)電機(jī)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(jī)端電壓為給定值則必須調(diào)節(jié)勵磁。由發(fā)電機(jī)的簡化相量圖（圖11所示）可得：E

2、q=Uf+jIfXd（11）式中：Eq發(fā)電機(jī)的空載電勢;Uf-發(fā)電機(jī)的端電壓；If-發(fā)電機(jī)的負(fù)荷電流比例。圖1-1發(fā)電機(jī)的簡化相量圖式（11）說明，在發(fā)電機(jī)空載電勢Eq恒定的情況下，發(fā)電機(jī)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(jī)端電壓Uf恒定，必須隨發(fā)電機(jī)負(fù)荷電流If的增加（或減?。?增加（或減?。┌l(fā)電機(jī)的空載電勢Eq,而Eq是發(fā)電機(jī)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(jī)運(yùn)行中，隨著發(fā)電機(jī)負(fù)荷電流的變化，必須調(diào)節(jié)勵磁電流來使發(fā)電機(jī)端電壓恒定。為了表示勵磁系統(tǒng)維持發(fā)電機(jī)端電壓恒定的能力，采用了調(diào)壓精度的概念。所謂調(diào)壓精度是指在自動勵磁調(diào)節(jié)器投入運(yùn)行，調(diào)差

3、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(jī)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(jī)端電壓的最大變化，常用發(fā)電機(jī)額定電壓的百分?jǐn)?shù)表示.一般來說，發(fā)電機(jī)在運(yùn)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(jī)調(diào)壓靜差率SJ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(jī)端電壓的變化率，它可由下式計(jì)算：SJ（%）=（Uf0-Uf）/UfeX100%（12）式中：Uf。發(fā)電機(jī)空載電壓;Uf發(fā)電機(jī)額定負(fù)荷時的電壓；Ufe發(fā)電機(jī)的額定電壓。通過發(fā)電機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)可測量發(fā)電機(jī)的

4、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(jī)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(yùn)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(jī)自啟動加速，當(dāng)電力系統(tǒng)中有大型電動機(jī)啟動，同步發(fā)電機(jī)自同期并列，同步電機(jī)因失磁而轉(zhuǎn)入異步運(yùn)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(yùn)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(jī)發(fā)生甩負(fù)荷時，自動勵磁調(diào)節(jié)有助于降

5、低此時可能產(chǎn)生的系統(tǒng)及發(fā)電機(jī)電壓過分升高，甩負(fù)荷可能造成發(fā)電機(jī)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(qiáng)行減磁（簡稱強(qiáng)減）。2、控制無功功率的分配當(dāng)發(fā)電機(jī)并聯(lián)于電力系統(tǒng)運(yùn)行時，它輸出的有功決定于從原動機(jī)輸入的功率，而發(fā)電機(jī)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(jī)并聯(lián)在無窮大母線運(yùn)行，即其機(jī)端電壓Uf恒定。設(shè)發(fā)電機(jī)從原動機(jī)輸入的機(jī)械功率不變，即發(fā)電機(jī)輸出的有功功率Pt恒定，則有:Pf=Uflfcos6=(EqUf/Xd)sinS=常數(shù)(1-3)式中：發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)角；5-一發(fā)電機(jī)的功率角。Uf恒定、Pf恒定即意味著Ifcos0和EqsinS均為常數(shù)，在發(fā)電機(jī)相量圖

6、（圖1-2）上，這表示發(fā)電機(jī)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(jī)的勵磁使發(fā)電機(jī)空載電勢Eq變化（如Eq1變?yōu)镋q2）時，發(fā)電機(jī)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Iro所以說，在發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行于無窮大母線情況下，調(diào)節(jié)勵磁將改變發(fā)電機(jī)輸出的無功。圖1-2發(fā)電機(jī)與無窮大母線并聯(lián)運(yùn)行的相量圖實(shí)際運(yùn)行中，發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的母線不會是無窮大母線,這時改變勵磁會使發(fā)電機(jī)的端電壓和輸出無功都發(fā)生變化，但一般來說，發(fā)電機(jī)的端電壓變化較小，而輸出無功卻會有較大的變化。保證并聯(lián)運(yùn)行發(fā)電機(jī)組間合理的

7、無功分配，是勵磁系統(tǒng)的重要功能。在研究并聯(lián)運(yùn)行發(fā)電機(jī)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(jī)機(jī)端電壓調(diào)差率.所謂發(fā)電機(jī)機(jī)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(jī)功率因數(shù)為零的情況下，發(fā)電機(jī)無功負(fù)載從零變化到額定值時，用發(fā)電機(jī)額定電壓百分?jǐn)?shù)表示的發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓變化率St,通常由下式計(jì)算：所()=(Uf0Ufr)/Ufex100%(14)式中：Uf0發(fā)電機(jī)空載電壓；Ufr發(fā)電機(jī)額定無功負(fù)載時的電壓；Ufe發(fā)電機(jī)的額定電壓。發(fā)電機(jī)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(jī)端電壓Uf隨著發(fā)電機(jī)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(jī)端電

8、壓Uf可能隨發(fā)電機(jī)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(jī)端電壓Uf隨發(fā)電機(jī)輸出無功電流Ir的加大而升高，即UfUf0,則稱發(fā)電機(jī)有負(fù)的電壓調(diào)差;若發(fā)電機(jī)端電壓Uf不隨發(fā)電機(jī)輸出無功電流Ir的變化而改變，即Uf=Uf0,則稱發(fā)電機(jī)沒有電壓調(diào)差，即無差調(diào)節(jié)。圖1-3表示了發(fā)電機(jī)的三種調(diào)差特性。圖13發(fā)電機(jī)的調(diào)差特性圖當(dāng)多臺發(fā)電機(jī)機(jī)端直接并聯(lián)在一起工作時，為了使并聯(lián)機(jī)組間能有穩(wěn)定的無功分配，這些發(fā)電機(jī)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(jī)是單元接線，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(jī)有負(fù)的調(diào)差，負(fù)調(diào)差的作用是

9、部分補(bǔ)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(bǔ)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(jī)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(jī)并聯(lián)運(yùn)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，即靜態(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

10、），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(jī)工作于單機(jī)對無窮大母線系統(tǒng)中。發(fā)電機(jī)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。圖1-4單機(jī)對無窮大母線系統(tǒng)接線及等值電路圖若忽略發(fā)電機(jī)的凸極效應(yīng)（即認(rèn)為Xd=Xq）及回路電阻，則發(fā)電機(jī)輸出的有功功率為:Pf=(EqU/Xdz)sinS(1-5)式中：Eq-發(fā)電機(jī)空載電勢；U無窮大母線電壓；E

11、q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(jī)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(jī)空載電勢Eq恒定，則發(fā)電機(jī)的有功功率Pf將只隨功率角S變化(見圖15),Pf和S之間的這種正弦關(guān)系稱為發(fā)電機(jī)的內(nèi)功角特性。圖15無自動電壓調(diào)節(jié)的發(fā)電機(jī)功角特性圖當(dāng)發(fā)電機(jī)的原動機(jī)輸入功率為P0時，發(fā)電機(jī)存在著兩個平衡的工作點(diǎn)a和b。在a點(diǎn)，若發(fā)電機(jī)因干擾而偏差平衡點(diǎn)，由于AP/AS。，即角度有偏移生的功率偏移AP(同AS同號)會使發(fā)電機(jī)遠(yuǎn)離平衡點(diǎn)，故b點(diǎn)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/»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)

12、器的發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)端電壓的恒定，即能隨角度S的加大而加大空載電勢,使發(fā)電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行曲線是一組內(nèi)功角特性曲線上的點(diǎn)組成（參見圖16）,這時發(fā)電機(jī)可以運(yùn)行于S90?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S90的情況下，當(dāng)干擾使發(fā)電機(jī)偏離了原工作點(diǎn)，產(chǎn)生了角度偏移S,一方面按正弦特性S會產(chǎn)生一個負(fù)的有功增量APf1,（APfl=APfZSIEq=contXS）,另一方面，AS加大使機(jī)端電壓降低，自動

13、勵磁調(diào)節(jié)器為使機(jī)端電壓恒定而加大發(fā)電機(jī)的勵磁電流，使空載電勢Eq產(chǎn)生一個增量Eq,AEq又使發(fā)電機(jī)產(chǎn)生一個正的有功增量APf2,（APf2=?PfZ?5|AcontXAEq）,顯然若APf2>|APfl|,因而，由角度偏移S引起的總的功率增量APf=APf=APf2>0,即dPfZdS>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(jī)維持端電壓的能力越強(qiáng)，AEq越大，APf2也越大，發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定極限也就加大。圖1-6有自動勵磁調(diào)節(jié)的發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)電壓會

14、隨之升高，發(fā)電機(jī)的自動勵磁調(diào)節(jié)器為維持機(jī)端電壓恒定，會將勵磁電流減得過低，造成發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)工作于單機(jī)對無窮大母線系統(tǒng)(見圖14),當(dāng)發(fā)電機(jī)相對于系統(tǒng)發(fā)電幅值不大的振蕩時，有：法AWsin丫X(16)式

15、中：S對平衡點(diǎn)的角度偏移擊一-角度振蕩的偏值；丫振蕩角頻率。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程為：H(d2ASdt2)+D(d8/dt)=AP0-APf(1-7)式中：H-發(fā)電機(jī)的慣性常數(shù);D-發(fā)電機(jī)的阻尼系數(shù)；P。-由原動機(jī)輸入的功率偏移；APf-發(fā)電機(jī)輸出有功功率偏移。對汽輪機(jī)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AP0=0,則式(1-7)可寫成：H(d2Agdt2)+D(dA8/dt)+APf=0(1-8)由式(1-5)可得：Pf=KiAS+K2AEq(1-9)式中：Ki=dAPf/dAS及K2=dAPf/dAEq將式(1-9)代入式(1-8)可得：H(d2ASdt2)+D(d8/dt

16、)+KiS+K2AEq=0(110)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(jī)勵磁繞組及勵磁機(jī)(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S變化的相位，故空載電勢AEq可表示為：Eq=AEqMSin(Tta)(1-11)式中：Eqm-空載電勢的振蕩幅值；一和之間的夾角。上式展開可得：Eq=AEqmcos認(rèn)Xsin丫t-AEqmsincXcosyt(112)考慮到：法SmsinYt及d"dt=SmTcos丫t-可得：AEq=K3A&K4(d8/dt)(1-13)式中：K3=AEqMcosa/ACMxY將式(1-13)代入式(

17、1-10)可得：H(d2A8/dt2)+(D-K2K4)(dgdt)+(K1+K2K3)8=0(1-14)由式(114)可見，勵磁電流的變化即AEq的變化對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程的影響有兩個，其一是使自由的系數(shù)由Ki變?yōu)?Ki+K2K3),即產(chǎn)生了附加的自由項(xiàng)(K2K3)，當(dāng)忽略水輪發(fā)電機(jī)的凸極效應(yīng)時，Ki=(dPf/dS)TEq=cont=(EqU/Xd)cosS(115)即Ki在900情兄下為負(fù)，即若無附加項(xiàng)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(xiàng)K2K3使發(fā)電機(jī)的極限穩(wěn)定角大于90Aq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

18、減小為(DK2K4),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AEq)領(lǐng)先角度變化(即一個角度，即：Eq=AEqMsin(丫t+%)(1-16)則式(1-12),(1-13),(114)分別可寫為：Eq=AEqmcosssin丫t+AEqMsinccos丫t(1-17)Eq=K3科K4(dGdt)(118)H(d2ASdt2)+(D+K2K4)(d8/dt)+(k1+k2k3)=0(119)由式(119)即可看出，勵磁電流變化(即AEq)產(chǎn)生的附加項(xiàng)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

19、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(jī)的輸出功率Pf（最好是剩余功率AP=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(qiáng)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(qiáng)勵能力（提高電壓強(qiáng)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(jì)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(qiáng)勵對暫態(tài)穩(wěn)定的影響雖有所減?。ㄒ?yàn)閺?qiáng)勵作用的時間變短了），但強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)勵倍數(shù)，它指在強(qiáng)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(jī)額定勵磁電壓之比.對于自并勵磁系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)電機(jī)機(jī)端正序電壓為額定值的80%時，勵磁頂值電