同步发电机无功功率的调节与电力系统稳定度

同步发电机无功功率的调节与电力系统的稳定度1、引言某造纸有限公司自备电厂2X6MW发电机组是本公司正常稳定生 产的主要能源供应设备。2005年8月投入运行，运行状况良好。进 入2008年度，随着公司用电负荷的不断增加，两个造纸分厂部分设 备的逐渐老化，使其用电设备的无功损耗进一步加大，10kv系统电 压经常在规范下线运行，有几次因系统电压低于规范要求致使主要生 产设备保护动作掉闸，影响了公司的正常生产。2、原因自备电厂发电机组输出的无功功率不能够及时满足负载对无功 功率的需求，致使公司 10kv 电力系统电压低下，即输出电能的质量 已变劣是造成主要生产设备保护动作掉闸的根本原因。我们知道，电 力系统输出电能质量的优劣是衡定电力系统稳定度的重要条件，而电 能质量的优劣主要体现在能否维持系统电压的正常水平。3、同步发电机无功功率的调节原理及原因分析实践可知，在电力系统的总负载中，既要求供给有功功率，又要 求供给无功功率。电力系统的主要动力负载是功率因数较低的三相异 步电动机，如果发电机发出的无功功率不能满足电力系统（也就是负 载）对无功功率的要求，就会引起整个系统的电压下降，这时电力系 统输出的电能质量逐渐变劣，这不仅对负载的工作不利，而且直接威 胁整个电力系统的稳定运行。因此，发电机与电力系统并列运行以后， 如何调节发电机输出的无功功率？尤为重要。首先，我们分析发电机与电力系统并列后空载运行的状况。空载 运行时，发电机中没有电枢反应，空载电动势和系统电压相等，定子 绕组中无电流，这时的励磁电流为正常励磁电流；当增大励磁电流时， 空载电动势增大，由于系统电压不能改变，定子绕组出现电压差，这 个电压差使定子产生电流，这个电流在相位上要滞后于电压差 90°， 同时也滞后于系统电压，就是说此时发电机向电力系统输出了电感性 无功功率，这种状态为过励状态（励磁电流超过正常励磁的电流）； 当调节励磁电流使它小于正常励磁时，空载电动势小于系统电压，定 子绕组又出现一个电压差，该电压差使定子产生电流，而这个电流在 相位上比系统电压越前90°，此时发电机向电力系统输出了电容性 无功功率，这种状态为欠励状态。由此可见，当发电机空载时，如果不改变原动机（汽轮机或水轮 机）的功率而只调节励磁电流，发电机的功率角并不改变，所以不能 改变发电机输出的有功功率，只改变输出的无功功率。其次，我们分析发电机与电力系统并列后带有负载时运行的状 况。我们知道，发电机的输出功率（Pem）由它的功角特性决定，即： Pem=3E0UsinXd （E0为空载电动势，U为电力系统 电压，0为功率角，Xd为发电机电枢反应电抗） 功率极限值（P ）是： maxP =3E U/Xmax0d当发电机与电力系统并列运行时，电力系统电压（U）、发电机电枢 反应电抗（Xd）都是常数，改变励磁电流的大小，将使空载电动势（E0） d0发生变化。因此，当增加励磁电流使空载电动势（E。）增大时，功率 极限值（P ）就要增大，当减小励磁电流使空载电动势（E0）减小max 0时，功率极限值（P ）也要减小。图1所示就是不同励磁电流时发max况，曲线3 代表欠励情况，可以看出，它们虽然都是正弦曲线，但是 具有不同的最大值。我们假设，在正常励磁情况下，发电机的功率因数cos申=1,即发 电机的定子电流ia与端（电力系统）电压U同相位，不输出无功功 率。从发电机的简化相量图（图2（a）可知，定子绕组的同步电抗压 降AU=jiaXd，AU比ia越前90°, E°U；这是发电机在功角特性（见 图1）曲线1的a点运行，对应的功率角为e 1，输出的有功功率为 P=3Ulacos9=3Ula，输出的无功功率为零。当增大励磁电流时，空载电动势由E0增大到Ey （见图2小）， 此时功角特性是（见图 1）曲线 2，在刚刚增大励磁电流时，由于贯 第3页共6页性功率角e 1还来不及改变，工作点由（图1）曲线1上的a点移到曲线 2 上的 b 点，由于原动机（汽轮机或水轮机）的输入功率并没有Ca>(c)離喪电机带负義时无功功率的调节诩MB（a）正常励磁状态，无功输出为零。（b）过励状态，输出感性无功功率。（c）欠励状态，输出容性无功功率。改变，因此发电机的电磁功率大于输入功率，即电磁反转矩比托动转 矩大，转子开始减速，功率角减小。当功率和转矩达到平衡时，工作 点回到c点（见图1曲线2），功率角是0 2。从相量图（图2 （b）可 以看出，空载电动势E0/>E0，功率角0 2ve 1,电压差AUZ与&相 位差不再是90°,因此由AU'所产生的定子电流ia/ （ia，比AU'滞 后90° ）不再和力同相位，而是比&滞后；角，即发电机的功率 因数cos0<1。由于原动机输出的有功功率没有改变，但同时还输 出了感性的无功功率，这种状态为发电机的过励状态。如果减小励磁电流，则发电机的空载电动势减小，功角特性见图 1中的曲线3,新工作点为e点，此时E0VE0，功率角0 3>e 1,从 相量图（图2（C）可以看出，电流ia比端电压&越前一个角，说 明发电机在输出有功功率（由于原动机功率不变，发电机输出的有功 功率并不改变）的同时，还输出了容性的无功功率，这种状态为欠励 状态。综上分析可知，不改变原动机的功率而只调节发电机的励磁电流 时，输出的有功功率不能改变，而无功功率则可以受到调节。在过励 状态下，励磁电流愈大，发电机输出的感性无功功率愈大；在欠励状 态下，励磁电流愈小，发电机输出的容性无功功率愈大。所以，调节 发电机的励磁电流就可以调节发电机的无功功率。结合发电机功角特性曲线上可进一步看出，励磁电流增加以后， 发电机的功率极限值也跟着增大，致使发电机的静态稳定度也随着提 高，从而使电力系统的稳定度有所提高，即维持电力系统正常电压的 能力将有所提高。由于同步发电机的额定功率因数一般为 0.8 或 0.85（滞后），即 在一般情况下，发电机都是在过励状态下运行，输出的是电感性无功 功率。而作为电力系统的主要负载大部分是感性负载，在运行中会消 耗大量电感性无功功率，致使系统电压降低。为此，各电厂电气运行 人员应密切监视电力系统的运行状况，按照发电机运行规程及时调节 运行中发电机的输出（电感性）无功功率，满足系统负载对无功功率 的需求，以便维持电力系统电压正常运行。4、采取的措施通过以上探讨可知，为提高电力系统的稳定度，需米取以下措施：a）自备电厂电气运行人员要密切监视公司10kv系统电压的运 行状况，运用以上调节原理及时调整发电机输出的（电感性）无功功率，进而满足系统负载对无功功率的需求。b）自备电厂2X6MW发电机组运行中的功率因数应调整在0.8 0.9之间，必要（系统电压低下）时可以调在0.8 以下运行，但须时 刻监视励磁电流的大小，不允许超过励磁装置及发电机转子的电流规 范要求。c）造纸分厂在启动100kw以上电机时，要预先通知自备电厂当 值值长或电气班长，自备电厂电气人员接到通知后，在调节运行中发 电机输出有功功率的同时，还必须及时调节运行中发电机输出的（电 感性）无功功率，满足负载对感性无功的需求，确保公司10kv系统 电压正常稳定运行。d）对造纸分厂部分老化设备要逐步进行改造或更换。对一些无 功损耗大或功率因数较低的设备电源线路上加装无功补偿装置，提高 其功率因数。5、结束语通过实施，公司10kv电力系统电压始终保持在10.110.5kv之 间，公司所有生产用电设备都能够正常运行。因系统电压低下而保护 动作掉闸的现象已不再发生，公司的生产状况很好。总之，在现代电 力系统中，调节发电机励磁的作用不仅是为了调节无功功率，而且还 是提高电力系统稳定度的有效手段之一。同步发电机无功功率的调节 是所有电厂保障和提高电力系统稳定度的重要运行方式，也是电厂电 气运行人员保证电力生产安全、经济运行的必修课题。