新聞主題	勵磁調節對發電機穩定性的影響

 

摘要：同步發電機中的核心部分是由發電機勵磁系統構成的，發電機勵磁系統主要的作用是，在運作過程中為同步發電機勵磁電源提供一套全面性、優質性的系統服務。通常情況下，發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電機的磁場繞組，從而建立直流磁場；發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程中發生故障的情況下，能夠及時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

 

      電力系統的穩定性劃分為靜態、動態及暫態穩定性三種方式，其含義如下：

1、靜態穩定性（SteadyStateStability）

      此定義是指當電力系統的負載（或電壓）發生微小擾動時，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電機轉子功角過大而使發電機同步能力減少的情況。

2、動態穩定性（DynamicStability）

      主要指系統遭受大擾動之后，同步發電機保持和恢復到穩定運行狀態的能力。失去動態穩定性的主要形式為發電機之間的功角及其他量產生隨時間而增長的振蕩，或者由于系統非線性的影響而保持等幅振蕩。這一振蕩也可能是自發性的，其過程較長。

3、暫態穩定性（TransientStability）

      當系統受到大擾動時，例如各種短路、接地、斷線故障以及切斷故障線路后系統保持穩定的能力，發生暫態不穩定的過程時間較短，主要發生在事故后發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電機的特性密切相關，同步發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  康明斯斯坦福發電機實物外形

圖2  勵磁系統控制原理圖

 

       在這個系統中，勵磁控制器檢測發電機的機端電壓UF，并將UF與參考電壓UC相比較得電壓差( UC- UF)，通過綜合放大得出控制電壓UK，Uk= K( UC- UF)。由該式不難看出，當發電機的機端電壓UF上升，電壓差就會降低，這樣，經過綜合放大后的控制電壓UK也會降低，于是，勵磁機的勵磁電流以及發電機的轉子電壓都會隨之下降，這樣，發電機的機端電壓UF也隨之下降，這樣發電機的機端電壓上升的擾動就被抵消了。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，在這個系統中還可以根據實際需要附加阻尼、模糊神經等輔助控制功能。

 

      勵磁控制的主要部分是勵磁調節器，其作用在于感受發電機電壓的變化，并發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電機電壓高低以維持發電機機端電壓在給定水平，能合理分配發電機組的無功功率，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。在電力系統的實際分析中，通常采用簡化的實用模型。同時，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生故障時快速捕捉發電機端電壓等的變化信號，并對之加以控制，以此來控制發電機轉差的搖擺，提高暫態及靜態穩定性。為了快速控制發電機端電壓，必須提高整個勵磁系統的反應速度。因此，有必要提高勵磁系統(包括自動電壓調節器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電機組穩定性水平的主要指標是發電機的電磁功率極限與轉子運行角度的極限，當發電機的電磁功率超過最大極限時，微動態定將破壞。對于大擾動作用下的的暫態穩定水平，是在一定輸出功率條件下，在同一故障點及同一故障形式下比較短路最大故障允許切除時間。即當輸電線路在某一輸送功率下，在K點發生某一形式短路，其故障切除時間系統穩定，則稱該系統在K點發生這類故障時的最大允許切除時間，顯然，切除時間值越大，標志系統的暫態穩定水平越高。

1、勵磁系統對電力系統靜態穩定性的影響

      當發動機運作過程中，沒有任何的勵磁調節時，發電機的內電勢Eq的值為常數，其靜態穩定功率的極限值在此時等于，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后快速恢復到原來的正常運行狀態的能力，這就是電力系統的靜態穩定。當電力系統發生擾動時，發電機端的電壓就會下降，這樣，定子電流也相應增加，于是，勵磁電流也會隨之增加。在這種情況下，如果接入勵磁調節器，當發電機電壓下降，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新的靜穩定極限。發電機功率特性和調節特性如圖3、圖4所示。

 

圖3  發電機的功率特性曲線圖

圖4  發電機勵磁調節器的調差單元

 

 

2、勵磁調節對電力系統動態穩定性的影響

      電力系統的動態穩定性問題，可以理解為電力系統機電振蕩的阻尼問題。阻尼問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，同時對于系統的質量保障也起到一定的影響。

      電力系統的動態穩定性的影響也就是振蕩阻尼影響。由于微機自動勵磁控制系統的應用，使勵磁控制系統中的自動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電機電壓不變的同時，產生負的阻尼作用。在正常實用的范圍內，勵磁電壓調節器的負阻尼作用會隨著開環增益的增大而提高。因此提高勵磁調節裝置的精度和提高系統動態穩定性是矛盾的。當調節不當，或者操作者技術不過關，或者時間把握不佳，也會影響到阻尼情況。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電機電壓恒定的同時，產生負的阻尼作用。在正常實用的范圍內，勵磁電壓調節器的負阻尼作用會隨著開環增益的增大而加強。因此提高電壓調節精度的要求和提高動態穩定性的要求是不相容的。

      解決電壓調節精度和動態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正的阻尼，使整個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發揮作用提高動態穩定性。

3、勵磁調節對電力系統暫態穩定的影響

      在分析發電機勵磁系統對暫態穩定性的影響過程中，本文主要依據功率變化曲線為例，來分析短路故障下的發電機的功率變化特征。此狀態下幅值公式表示為

X_∑=X_d+X_T+X_e/2

      電力系統必須具有在遭受短路，發電機切除等大的擾動后過渡或恢復到新的穩定狀態的能力，這就是電力系統的暫態穩定。提高電力系統暫態穩定，通常有兩種方法，或是提高從故障開始直至故障結束時發電機的電磁力矩，或是減小原動機的機械力矩。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以及發電機勵磁系統時間常數等因素，發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，勵磁系統的時間常數要縮小，同時要提高強行勵磁的倍數。

 

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