同步发电机及其进相运行

1、同步发电机及其进相运行同步发电机正常运行时发出感性无功，但由于系统无功过剩、电压偏高，为维持系统电压稳定，实际有时会有一定程度的进相，即吸收感性无功。近期河源电厂1、2号机都出现不同程度的进相，由于河源电厂AVC系统为广东电网新投入系统，技术并不特别成熟，实际运行时常出现 AVC自动退出、DCS值与NCS值不符、越定值运行等异常情况，且机组并未 做过相关的进相运行试验，给运行监视调整带来一定难度。本文以电磁感应为基础，从同步发电机内部磁场分布入手，得出同步发电机电压、 功率方程，进而得出发电机的静稳定极限曲线，为之后的进相运行探究提供理论基础。一、隐极同步发电机电压方程发电机并网前，转子中通入

2、励磁电流以后，将会在发电机内部建立一个旋转磁场-主磁场，主磁场切割电枢绕组(即定子绕组)，将在电枢绕组感生激磁电动势Eo,忽略高次谐波，&=4.44fNikwio,忽略铁磁磁饱和，主磁通 o正比于励磁电流If，所以Eo* If。发电机并网 后，定子绕组形成回路，产生频率为50Hz的交变电流I, I同时也会在发电机内部感应出与转子同步、与主磁场保持静止的旋转磁场一电枢磁场，即产生电枢反应，同样，电枢磁场也会在电枢绕组感生电枢电动势巳。主磁场与电枢磁场合成气隙磁场。于是，采用发电机惯例，以输出电流作为电枢电流的正方向，机端电压方程为：E)+E>-I (Ra+jXJ =U,(式1-1)

3、其中Ra为电枢绕组电阻，X。为漏抗； 不难理解，电枢电动势Ea正比于电枢反应磁通 a,不计磁饱和时，a又正比于电枢电流I , 即Ea*a* I,根据法拉第电磁感应定律，Ea滞后于a90 °电角度，而 a与丨同相位，所以Ea可以写成：Ea=-jIXa, Xa为电枢反应电抗；代入式 1-1,可得：E)-jIXa-I ( Ra+jX，) =U,整理得：U = E)-IRa-jI (Xa+XJ = E)-IRa-jIXs,式中Xs= Xa+X,，称为同步电机的同步电抗，它是表征同步电机运行时电枢反应和电枢漏磁 这两个效应的一个综合参数， 不计磁饱和时为常值，可以得到隐极同步发电机的等效电路图

4、：和相量图：图2同步发电机相量图图2中Eo与I夹角屮o为内功率因数角，Eo与U夹角S为功率角，U与I夹角$为功率因数 角。同步发电机等效电路图及其对应的相量图是进行同步发电机研究的基础。二、隐极同步发电机的电磁功率方程发电机原动机输入的机械功率R扣除机械损耗P©和定子铁耗PFe后，余下的功率将通过电磁感应作用转换成定子电磁功率Pe,即Pi = Pq +PFe+Pe,电功率Pe包括定子铜耗Pcua和电功率 P2，即 Pe=Pcua+ F2,我们知道，Pcua=mI2Ra, P2=mUIcos $ ,所以，Pe= mI2Ra+ mUlcos$ =mI ( Ucos$ +IRa),从相量图

5、中可以看出Ucos$ +IRa= EOcosY o,进而Pe=mEoIcosYo=mEoIq, Iq为电枢电流I的交轴分量。由于中、大型同步发电机的电枢电阻Ra远小于同步电抗 兀，常可忽略不计，故忽略电枢电阻时，电磁功率 Pe=mUIcos$，从相量图上可以看出，$ =Y o-s，故上式可以改写为：Pe=mUIcos ( Y o- S ) =mUI (cosY ocos S +sinY osin S ) =mUI (Iqcos S +ldsin S ),(式 2-1)，其 中Iq=I cosYo, Id=I sinYo,分别为电枢电流I的交轴和直轴分量。由于忽略电枢电阻Ra,Eo=U+jIXs

6、=U+j (IqXs+ IdXs),进而可得相量图，图3为凸极发电机的相量图，对隐极发 电机来说，内部磁场均匀，Xd=Xq=X>o图3凸极发电机相量图(对隐极发电机 Xd=Xq=X；)从相量图可以看出，IqXs=UsinS , IdXs= Eo-Ucos S，代入式2-1中可得：Pe= ( m EoUsinS ) /Xs,(式 2-2 )。三、同步发电机并网时无功功率的调节忽略发电机定子铜耗、铁耗、机械损耗，原动机输入功率完全转换为电磁功率，即有功功 率，下面研究一下励磁电流改变对发电机的影响。假定原动机输入功率不变，则电磁功率、有功功率保持不变，即：Pe= ( m EOUsinS )

7、/Xs=常值，P2=mUIcos$ =常值，由于并网后可认为电网电压，即发电机机端电压保持不变，所以Eosin S =常值，lcos$ =常值，这两个等式是研究发电机无功调节的条件。如图4所示，发电机励磁电流为 f时，发电机激磁电动势 Ed,电枢电流I,功率因数为1 , 即U、I同相，$为0,此时发电机的输出功率全部为有功功率，此时发电机处于“正常励 磁"。当励磁电流f >|f，即发电机“过励"时，激磁电动势增大到Eo，因Eosin S =常值，Eo落在AB上，根据相量图可得jl，Xs，从而确定I，的方向，又因为Icos© =常值，I，应落在CD 上，进而可

8、得到此时的电枢电流I，,从相量图上可看出，此时I，滞后U 个0,的电角度，所以发电机除输出有功功率外，还将输出滞后的无功功率Ul，sin©，。同理，当励磁电流If，<If，即发电机“欠励”时，同样可从相量图可到此时的激磁电动势 吕,，和电枢电流I，此时I，超前U 个©，的电角度，所以发电机除输出有功功率外， 还将输出超前的无功功率 U I，sin©，。(进相运行，发出负的，相当于吸收正的)从上面的讨论我们不难看出，通过调节励磁电流的大小即可对并网的发电机进行无功功率 的调节。图4同步发电机并网时无功调节四、同步发电机静态稳定性与电网并联、在某一工作点运行的同

9、步发电机，当外界(电网或原动机)发 生微小扰动后，发电机能否回到之前的运行状态，称为同步发电机的静态稳定问 题，若能回到之前的稳定状态则称发电机是稳定的，反之，则是不稳定的。由式2-2 : Pe= (m EoUsin S ) /Xs，可得发电机功角 Pe- S特性曲线如下图。假定发电 机在A点运行，功率角为S A，0<S A<90°，若此时原动机输入功率有一微小增量 P1,转子会有一个瞬间加速，即沿转动方向瞬间有一个空间角度的增加，前面已经讨论过，激磁电动势&滞后励磁电流90°的电角度，所以激磁电动势 E0也会有一个瞬间电角度的增加，则 激磁电动势E0与

10、发电机端电压 U的夹角-功率角S将增大 S，由于A点处于功角特性的 上升部分，故功率角增大后，电磁功率将相应增大 Pe，发电机运行于 A，点，此时制动作用的电磁转矩将增大，以抑制功角的进一步增大。当外界扰动消失后，多余的制动电磁转矩将使机组回到A点运行，所以发电机在 A点运行是稳定的。假定发电机在B点运行，若原动机输入功率有一微小增量 R，激磁电动势E。与发电机端电压U的夹角-功率角S将增大 S，由于B点处于功角特性的下降部分，故功率角的 增大反而将使电磁功率和起制动作用的电磁转矩减小，转子继续加速，功率角进一步增大， 如此循环，如果这一过程持续发展，最后将使发电机失去同步，所以发电机在B点运

11、行是不稳定的。Pe= ( m E0Usi nS) /Xs，d Pe/d S = (mE°UcosS) / Xs，从功角特性曲线不难看出， d Pe/d S >0,即S <90°时发电机是稳定的，而d Pe/d S <0,即S >90。时，发电机是不稳定的，d Pe/d S =0,即S =90。时，达到静态稳定极限， d Pe/d S称为发电机的整部功率系数。为使同步发电机能够可靠稳定运行并有一定裕度，应尽可能适当增大d Pe/d S，而d Pe/dS正比于E),反比于 兀，所以增加励磁、减小同步电抗可以提高同步发电机的静稳定特性。这里引入发电机短路比

12、SCR(short circuit ratio)的概念，SCR=电机额定空载励磁电流下的三相短路电流/发电机额定电流IN，研究表明，SCR« 1/Xs，故，SCR越大，同步电抗 Xs越 小，发电机静态稳定性越好。图5同步发电机并网后静态稳定性五、同步发电机的进相运行。1、发电机进相运行的必要性输电线路与大地构成一个大电容，电流流过线路时，会吸收超前的无功功率，即输出滞后的无功功率，随着超高压输电网络的不断扩大，导致系统无功增多，研究表明220kV、330kV 和500kV级的架空线路，每公里对地的容性无功分别为130kvar、400kvar和10001300kvar;另外，为了应对负

13、荷高峰时大量无功的需求，电网串入了一定数量的补偿电容器，这些电容器有时难以适应系统调节电压的需要而及时投切。当节假日、午夜负荷较低时，电网将滞留大量无功，使电网电压升高，影响供电质量，甚至损坏高压设备或缩短使用寿命。从前面的讨论中，我们知道，适当降低发电机励磁电流，使发电机处于“欠励”运行状态，可以使发 电机在输出一定有功功率时，输出超前的无功功率，即吸收滞后的无功功率，此时发电机处 于进相运行状态。发电机进相运行是结合电力生产需要而采用的切实可行的运行技术，它可使发电机由改变运行工况而达到降压的目的。仅是利用系统现有设备增加的一种调压手段，便可扩大系统电压的调节范围，改善电网电压的运行状况。

14、该方法操作简便，通过AVC调节发电机励磁电流，使发电机在进相运行限额范围内运行可靠，其平滑无级调节电压的特点，更显示了它调节电压的灵活性， 发电机进相运行是改善电网电压质量最有效而又经济的必要 措施之一。2、发电机进相运行的不利影响。(1 )、发电机进相运行时，发电机处于“欠励”状态，由前面讨论知道，发电机输出有功功率保持不变时，励磁电流减小，激磁电动势E)将减小，虽然此时发电机发出容性助磁电流，但其作用抵消不掉励磁电流减小的影响，发电机气隙合成磁场将减小，由发电机端电压方程知发电机端电压 U将会降低，因电厂厂用电引自发电机机端，故厂用电压将降低。(2)发电机运行时，定子绕组端部的漏磁场也是以

15、同步转速对定子旋转的，其漏磁场的一部分是经过定子绕组端部空间，转子护环，气隙及定子端部铁芯构成磁路的，因此使定子端部铁芯平面上产生涡流而发热。 此外，励磁绕组紧靠护环，因此它的漏磁场主要经护环闭合， 当进相运行时，由于励磁电流减小励磁绕组端部漏磁场减弱，于是护环的饱和程度下降， 减小了定子端部漏磁场所经过磁路的磁阻，从而使定子端部漏磁场增大，铁损加大，致使定 子端部铁芯严重受热，并有较强烈振动。（ 3）从前面的讨论中可以看出， 在保证发电机输出有功功率不变的情况下， 发电机励磁电 流减小，激磁电动势 E）将减小，即图5中Eo沿AB向A方向移动，此时 E）与U夹角-功率 角S不断增大，整部功率系数 d Pe/d S将减小，使发电机静态稳定性下降，当发电机受到较 大扰动时，可能引起较大波动，甚至失步。3、发电机进相运行时采取的应对措施（ 1）、密切监视发电机机端电压和厂用电电压，进相运行期间需要启动 6kV 设备时， 提前汇报机组值班员，必要时提前解除AVC,手动加励磁，提高发电机机端电压；启动时，密切监视厂用母线电压，防止母线低电压保护动作，并做好事故预想。（2）