新聞主題	同步發電機勵磁控制系統的任務與作用

 

發電機勵磁控制系統可根據發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；同時控制并列運行各發電機間無功功率分配，提高發電機并列運行的靜態穩定性與暫態穩定性；在發電機內部出現故障時，進行滅磁，以減小故障損失程度。

 

1．維持機端或系統中某點電壓水平

 

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

 

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

 

圖1 同步發電機原理圖

圖2 同步發電機等值電路圖

 

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

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

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

 

設發電機的勵磁電流為Ifd1，此時發電機無功電流為IGQ1，機端電壓為額定電壓UN，如圖4中的1點；當無功電流增大到IGQ2時，若勵磁電流仍為Ifd1，則機端電壓降到UG1，如圖4中的2點；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，即將外特性曲線上移。同樣，無功電流減小時為保持機端額定電壓運行，勵磁電流應減小，即外特性曲線下移。

 

這種機端電壓維持額定電壓的勵磁電流調節，可以手動進行，也可以自動進行。自動進行勵磁電流調節的裝置是AER（AVR）。勵磁功率單元提供同步發電機正常運行、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，調節結束時總有ΔU→0，從而使發電機UG正常運行時維持給定電壓水平。

 

圖3 同步發電機穩態運行相量圖

圖4 同步發電機無功電壓外特性曲線圖

 

2．控制無功功率分配

 

當發電機與無窮大容量母線并聯運行時，根據無窮大系統定義，系統阻抗為零，發電機與系統相聯的母線電壓恒定。

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

 

......................（6-4）

 

當UG保持不變時，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，機端電壓恒定不變，改變勵磁，僅改變Eq電動勢，Eq端點將始終在A線上；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端點應始終在B線上，所以發電機對應無功功率輸出增加；相反，減小勵磁將使發電機輸出無功功率減小；當減小勵磁使發電機電動勢低于母線電壓后，發電機將從系統中吸收無功功率，這種運行方式即為“進相運行”。由此可知，當發電機與大系統并聯運行時，通過改變發電機勵磁，可控制發電機的無功功率輸出，使機組間的無功功率合理分配。

 

圖5 同步發電機與無窮大系統并聯運行相量圖

 

3．提高同步發電機并聯運行穩定性

 

（1）提高靜態穩定性

 

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

如圖6所示，當發電機輸入功率為P0時，與發電機功角特性相交于a點，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 同步發電機功角特性曲線圖

 

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

當有自動勵磁調節器時，發電機功率變化時，為維持端電壓，必須調節Eq值。即具有AER的發電機的有功功率變化時，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的隱極式同步發電機，功角特性也可表示為

 

式中E′q——發電機直軸暫態電動勢（AER可保持E′q恒定）；

X′d——發電機直軸暫態電抗；

Xq——發電機交軸同步電抗。

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中虛線所示，功率極限出現在δ＞90°的區域。

當發電機不裝設AER時，功角δ極限為90°；當發電機裝設AER后，功角δ極限δlim＞90°，發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。有無自動勵磁調節器的比較見圖6。

 

（2）對暫態穩定的作用

 

發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，稱為暫態穩定分析，包括發生各種類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間。這里討論發電機的勵磁調節系統在電網發生故障后，對電壓下降所作出的強行勵磁的作用。系統正常運行時，發電機功角特性曲線為圖7中的曲線I，即

 

圖7 發電機暫態穩定功角特性曲線圖.

 

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

下面來分析發電機勵磁系統強行勵磁的作用。線路故障使發電機端電壓過低，于是強行勵磁動作，升高勵磁電壓，增加轉子勵磁電流，使發電機電動勢提高，即發電機功角特性曲線不再是曲線III，而變為曲線IV，使減速面積增加了一大塊，提高了系統暫態穩定性。

 

4．改善電力系統運行條件

 

（1）改善電動機自啟動條件。在發電機外部系統發生故障時，由于短路電流較大，使發電機機端電壓降低，而現代大型發電機廠用電均取自于發電機端，廠用電壓降低將使電動機減速，電動機將出力不足，從而使發電機的工作狀態不穩定。當故障切除后，機端電壓得以恢復，電動機則進入自啟動過程，更希望廠用電電壓能夠在電動機自啟動過程中有較高的電壓水平，這種過程應該能夠盡快完成。發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，見圖8，從而可保持機端電壓的穩定，即改善了電動機自啟動條件。

 

圖8 發電機勵磁調節控制圖

 

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

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

（3）提高繼電保護正確性。當電力系統中發生故障時，繼電保護裝置對電流的突然增大作出響應，動作于跳閘。短路電流越大，繼電保護裝置對故障的靈敏性越高。當短路發生時，發電機端電壓降低，勵磁調節裝置自動作出增加發電機勵磁的反應，提高了機端電壓，從而增大了短路電流，見圖10。只要斷路器的開斷容量允許和電氣設備動熱穩定允許，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 發電機無功功率變化示意圖

圖10 發電機勵磁調節對短路電流的影響曲線圖

 

 

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