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[摘要]本文依據(jù)在線監(jiān)測的技術數(shù)據(jù)，從理論上分析同步發(fā)電機無功功率擺動的原因，闡述了引起機組無功功率擺動的主要因素及處理措施。

[關鍵詞]同步發(fā)電機無功功率擺動勵磁系統(tǒng)

1.概述

山西鋁廠熱電分廠共有六臺汽輪發(fā)電機，額定電壓為6.3kV，額定容量分別為一期12MW三臺;二期25MW三臺。從1996年—2002年3#、4#、5#、6#機組多次出現(xiàn)發(fā)電機無功功率自然擺動，其最大擺幅8Mvar，給生產(chǎn)的組織和調整帶來了很大的影響，為此通過多次的試驗和分析，查找到了其無功擺動的原因，并提出了對發(fā)電機勵磁系統(tǒng)改進的措施。

為分析機組無功功率自然擺動的原因，于2002年2月7日0點到24點，對5#、6#機組實施無功功率的24小時在線監(jiān)測，其監(jiān)測數(shù)據(jù)如表1、表2。

從上表可以看出，5#機組在0.36到20.33期間發(fā)生無功擺動;6#機組在0.20到19.50期間發(fā)生無功擺動，其他時間未擺動。6#機組在1.55無功功率由17Mvar自然降到10Mvar，擺動幅度7MVAR;在6.23無功功率由13Mvar自然上升到20Mvar，擺動幅度為7Mvar，并且無功功率已超過發(fā)電機的額定值。

在2002年4月10日13點由于4#機組緊急停機，5#機組無功功率由12Mvar直線下降到0，發(fā)電機定子電流最大擺到4000A，有功功率由25MW上升到26MW，“電壓回路斷線”信號出現(xiàn)，強勵動作，勵磁電壓為30V，勵磁電流為50A。檢查磁場變阻器沒有異常后手動調整增加無功負荷，恢復正常。4月12日11:58分，5號機無功功率由10Mvar降到0，其它參數(shù)正常。

2.發(fā)電機無功功率擺動理論分析

2.1電力系統(tǒng)中的無功功率

發(fā)、供電的質量指標主要表現(xiàn)為電壓和頻率。頻率是由電力系統(tǒng)發(fā)電有功功率和有功負荷消耗的總電量來決定的;電壓則是靠電力系統(tǒng)中無功功率平衡來維持的。如果電力系統(tǒng)中的無功功率嚴重短缺，則系統(tǒng)中的電壓水平過低，使某個系統(tǒng)的母線電壓運行在臨界值以下時，母線電壓有一微小的下降就會發(fā)生負荷消耗的無功功率增量大于系統(tǒng)向該點提供的無功功率增量，使無功缺額進一步增大，電壓進一步下降，這種惡性循環(huán)將造成系統(tǒng)“電壓崩潰”。電壓崩潰后，大量電動機自動切除，某些發(fā)電機組失步，導致系統(tǒng)解列或大面積停電。

2.2無功功率平衡與電壓水平的關系

ΣQGi=ΣQLj+ΣΔQΣk

式中:ΣQGi—無功電源向系統(tǒng)供應的無功功率;

i—無功電源的個數(shù);

QLj—負荷所消耗的無功功率;j無功負荷的個數(shù);

ΔQΣK—電力系統(tǒng)中變壓器、線路中所損耗的無功功率;

圖1無功功率平衡和電壓水平關系

圖1為電力系統(tǒng)無功負荷的靜態(tài)電壓特性，如果電力系統(tǒng)電壓Ux運行在額定電壓Ue，則系統(tǒng)無功負荷所消耗無功功率為Qe，則ΣQLj+ΣΔQΣk=Qe，如果電力系統(tǒng)中所有的無功電源發(fā)出無功功率總和ΣQGj也等于Qe，電力系統(tǒng)就會維持在額定電壓運行。那么無功功率平衡關系則為ΣQGie=QLje+ΣΔQΣke(角標“e”表示運行在額定電壓)。

如果系統(tǒng)中所有無功電源發(fā)不出Qe那么多無功功率，而只能發(fā)出Qa這么多,系統(tǒng)負荷就只能消耗Qa這么多。這時系統(tǒng)將運行在a點，系統(tǒng)電壓Ux=Ua，系統(tǒng)負荷消耗的無功功率為Qa。則數(shù)學表達式即ΣQGia=ΣLja+ΣΔQΣka，角標“a”表示系統(tǒng)運行在a點?；蛘呦到y(tǒng)中所有無功電源發(fā)出的無功功率稍大于Qe為Qb，而系統(tǒng)中負荷消耗也達到了Qb這么多，則系統(tǒng)運行在b點。系統(tǒng)電壓Ux=Ub，負荷消耗的無功功率為Qb，則數(shù)學表達式即ΣQGib=ΣQLib+ΣΔQΣkb，角標“b”表示系統(tǒng)運行在b點。電氣規(guī)程要求系統(tǒng)正常運行的電壓允許在Ux=Ue±5%Ue的范圍內(nèi)，所以a、e、c三點都是電力系統(tǒng)無功功率的平衡點，即系統(tǒng)可以穩(wěn)定地在電壓Ua、Ue、Ub下運行。因此要控制系統(tǒng)在額定電壓下運行，就要控制系統(tǒng)中的無功電源發(fā)出的無功功率等于電力系統(tǒng)負荷在額定電壓時所消耗的無功功率。如果這個“等式”關系不能滿足，則電力系統(tǒng)就會偏離額定電壓運行。當無功電源發(fā)出的無功功率偏離負荷在額定電壓下所需消耗的無功功率過多時，作為無功電源的發(fā)電機就會出現(xiàn)無功功率擺動，電力系統(tǒng)電壓就會過多地偏離額定電壓?？梢?，維持電力系統(tǒng)電壓在允許范圍內(nèi)是靠控制系統(tǒng)無功電源的出力來實現(xiàn)的。

2.3無功功率與發(fā)電機勵磁電流的關系

電力系統(tǒng)在正常運行時，發(fā)電機勵磁電流的變化主要影響電網(wǎng)的電壓水平和并聯(lián)運行機組間的無功功率分配。無功功率是通過調整勵磁電流來實現(xiàn)對系統(tǒng)電壓的平衡。

圖2(a)同步發(fā)電機運行原理圖(b)等值電路

(c)適量圖(d)同步發(fā)電的外特性圖

圖2（a）是同步發(fā)電機的原理圖，圖中FLQ是勵磁繞組，機端電壓為Uf，電流為If。在正常情況下，流經(jīng)FLQ的勵磁通量電流為Ifd，由它所建立的磁場使定子產(chǎn)生的空載感應電勢為Eq，改變Ifd的大小，Eq值就相應地改變。通過圖2（b）的等值電路圖，可以得出:

Uf+JIfxd=Eq

式中Xd——發(fā)電機直軸電抗。

根據(jù)圖2（c）的矢量關系:Eqcosδ=Uf+Iwxd

式中δ——Eq與Uf間的相角，即發(fā)電機的功率角;

Iw——發(fā)電機的無功電流。

一般情況下δ的值很小，可近似為cosδ=1則上式可簡化為Eq≈Uf+Iwxd。

從式中可以看出，同步發(fā)電機的外特性是下降的，當勵磁電流Ifd一定時，發(fā)電機端電壓Uf隨無功負荷增大而下降。圖2（d）說明，當無功電流為Iw1時，發(fā)電機端電壓為額定值Ufe，勵磁電流為Ifd1。當無功電流增到Iw2時，如果勵磁電流不增加，則電壓降至Uf2，可能滿足不了運行要求，必須將勵磁電流增大至Ifd2，才能維持端電壓為額定值Ufe。同理，無功電流減小時，Uf也會上升，必須減小勵磁電流。所以說，同步發(fā)電機發(fā)出的無功功率必須通過對勵磁電流的調整，才能滿足系統(tǒng)負荷對無功功率的需求，進而才能保證電力系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定。

3.引起機組無功功率擺動的原因

3.1機組問題

3.1.11996年，三號機發(fā)生無功擺動以后，我們對直流勵磁機進行空載試驗，勵磁機和勵磁系統(tǒng)正常，9月份電機大修期間發(fā)電機轉子返廠，最后檢查為轉子線圈有匝間短路現(xiàn)象。

3.1.22001年6月份，4號機因勵磁機碳刷打火，換向器表面有燒傷，無功功率擺動頻繁，最后檢查確定勵磁機轉子有匝間短路現(xiàn)象。

3.1.32001年4月，5號機因無功功率擺動停機后，發(fā)現(xiàn)勵磁機的換向器片間有短路現(xiàn)象。

3.1.42002年4月10日-12日，5號機兩次出現(xiàn)無功功率直線下降為零，經(jīng)停機檢查，屬換向器的片間出現(xiàn)瞬間短路所引起的。

3.2同步發(fā)電機無功功率的分配

汽輪發(fā)電機組發(fā)出的有功功率只受汽輪機調速系統(tǒng)的控制，與勵磁電流的大小無關。故無論勵磁電流如何變化，發(fā)電機的有功功率均為常數(shù)。發(fā)電機勵磁電流的變化只是改變了機組的無功功率的大小。我廠發(fā)電機組并聯(lián)運行的母線，屬于直配母線，也就是發(fā)電機的出線直接與6kV配電室并聯(lián)運行。改變其中一臺發(fā)電機的勵磁電流，不但影響它的電壓和無功功率，而且也將影響與之并聯(lián)運行機組的無功功率。由于多臺機組并聯(lián)運行，機組之間存在著搶帶無功的現(xiàn)象，所以當系統(tǒng)出現(xiàn)無功缺額或無功過量時，總是存在著部分發(fā)電機搶帶或搶甩無功的現(xiàn)象，而這種現(xiàn)象的發(fā)生使系統(tǒng)電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)，而另一部分發(fā)電機就出現(xiàn)無功缺額或無功過?，F(xiàn)象，最終反映出來的就是這一部分發(fā)電機的無功功率擺動。為了消除無功功率大幅度的擺動,只有調整勵磁電流來維持本臺發(fā)電機的無功平衡。

3.3電力系統(tǒng)擾動的因素

電力系統(tǒng)的負荷每時每刻都在發(fā)生變化，特別是大負荷的起動和停用，都對系統(tǒng)的有功功率和無功功率產(chǎn)生波動。我們廠處在山西電網(wǎng)的末端。在這個末端電網(wǎng)內(nèi)電力系統(tǒng)有兩個電廠，再加上我們的自備電廠總裝機容量為1000MW左右，而運城地區(qū)的農(nóng)業(yè)用電較多，工業(yè)用電較少，氣候環(huán)境對電負荷的影響特別大，天陰下雨大面積甩負荷，天氣干旱，又大量用電，以及我廠的同步電動機的起停，這就產(chǎn)生了系統(tǒng)的正常擾動。這種擾動就使發(fā)電機發(fā)出的有功功率和無功功率進行重新分配，于是出現(xiàn)無功功率的擺動。

3.4同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的應用

同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)都帶有自動控制調整裝置，但是一些老機組和小機組因種種原因將自動控制系統(tǒng)退出運行，改為手動調整，我廠就屬于這種。手動調整勵磁有很多缺點，如調整時間不能及時把握;調整勵磁電流的大小無法控制等等。更重要的是如果調整不及時會造成發(fā)電機失磁運行，或者在事故情況下造成系統(tǒng)“電壓崩潰”。調整勵磁就是調整勵磁電流。同步發(fā)電機的勵磁自動控制系統(tǒng)，就是解決并聯(lián)運行機組之間的無功功率合理分配問題，同時通過不斷地調節(jié)勵磁電流來平衡系統(tǒng)的無功功率，進而維持機端電壓為額定水平。隨著微機控制的發(fā)展和應用，發(fā)電機的勵磁自動控制系統(tǒng)不斷地更新，自動化程度在不斷地提高，性能也在不斷地完善，這對我們能夠及時發(fā)現(xiàn)發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的一次設備問題非常重要，并且能夠徹底解決發(fā)電機的無功擺動問題。

4.結論

發(fā)電機的無功功率擺動是由于發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的一次設備線圈發(fā)生匝間短路或換向器片間短路所引起，這種短路在動態(tài)情況下能引起勵磁電流發(fā)生變化，最終表現(xiàn)為無功功率擺動，這是一種不正常現(xiàn)象，應及時處理。

電力系統(tǒng)的擾動引起發(fā)電機的無功擺動屬于一種正?，F(xiàn)象，但必須進行及時的調整，否則造成電機失磁運行。

同步發(fā)電機的勵磁自動控制系統(tǒng)是解決發(fā)電機無功功率擺動的技術手段，同時也是保證發(fā)電機安全運行的重要裝置。如能監(jiān)測到一次元件的缺陷，系統(tǒng)將更加完善。