同步发电机无功功率的调节与电力系统稳定度secret解析.docx
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同步发电机无功功率的调节与电力系统稳定度secret解析
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2×6MW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=3E0Usinθ/Xd（E0为空载电动势，U为电力系统电压，θ为功率角，Xd为发电机电枢反应电抗）
功率极限值（Pmax）是：
Pmax=3E0U/Xd
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）
发生变化。
因此，当增加励磁电流使空载电动势（E0）增大时，功率极限值（Pmax）就要增大，当减小励磁电流使空载电动势（E0）减小时，功率极限值（Pmax）也要减小。
图1所示就是不同励磁电流时发
电机的功角特性曲线，曲线1代表正常励磁情况，曲线2代表过励情况，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cosφ=1，即发电机的定子电流İa与端（电力系统）电压Ů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∆Ů=jİaXd，∆Ů比İa越前90°，E0＞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θ1，输出的有功功率为P=3UIaCOSφ=3UIa，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E0′（见图2（b）），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
性功率角θ1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
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θ2。
从相量图（图2（b））可以看出，空载电动势E0′＞E0，功率角θ2＜θ1，电压差∆Ů′与Ů相位差不再是90°，因此由∆Ů′所产生的定子电流İa′（İa′比∆Ů′滞后90°）不再和Ů同相位，而是比Ů滞后φ′角，即发电机的功率因数COSφ′＜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E0〞＜E0，功率角θ3＞θ1，从相量图（图2（c））可以看出，电流İa〞比端电压Ů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，需采取以下措施：
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2×6MW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10.1～10.5kv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。
发电机无功功率的手、自动调节
2009-08-2605:
33:
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一、问题的提出
《电机学》一书中详细阐述了调节发电机有功功率和无功功率时两者之间的相互影响，最终得出一个众所周知的结论，即调节无功时，有功不变，调节有功时，无功反方向变化。
但是，在实际生产过程中，绝大多数机组，在没有人为干预的情况下，调节有功时，无功功率基本不会出现《电机学》理论中所描述的那种规律发生反方向变化的，当然不排除轻微反方向变化以及无功不变的现象出现，但是大多数情况下两者是同方向变化的，即增加有功，无功也增加，减少有功，无功也减少。
这种现象引起了不少疑问，在此便详细分析一下实际生产过程中，机组的无功功率到底是如何随着有功功率变化的，为什么会出现与理论书中结论相反的情况。
二、无功变化的理论分析
（一）纯电机角度的分析
1. 利用电枢反应的原理进行分析：
如果忽略励磁调节器的话，在《电机学》的同步电机电枢反应章节中有提到，增加无功，有功不变，增加有功，无功变小。
这是因为，励磁如果是恒定不变的，那么在增加有功的时候，励磁用于交轴电枢反应的部分就多了，因为有功功率是靠电机的交轴电枢反应来实现的，那么用于直轴电枢反应的部分就少了，而无功功率正是由直轴电枢反应来实现的，这样加有功的时候无功就会降低，当然电压也就会适当降低。
等于是固定不变就那么多的励磁电流，要么用作交轴反应来实现有功，要么就用作直轴反应来实现无功，在加有功时，交轴电枢反应用的励磁多了，那么励磁分给直轴电枢反应来实现无功的部分就少了。
所以由于电枢反应，增加有功功率会产生去磁作用，最终导致发电机欠磁，无功功率降低，电压降低。
2. 利用发电机功角变化来进行分析：
前提同样是励磁保持恒定，发电机能否送出无功以及送出无功的多少与电压差ΔU有关，这个电压差ΔU是指发电机的电动势E0和端电压UN的同相部分的电压差，注意是同相部分的电压差，具体可参照《电机学》中的同步发电机迟相运行时的相量图，相量图是以发电机端电压UN为一个参考相量，即NU为一个垂直向上的箭头，其保持固定不动。
电动势E0在UN箭头的逆时针侧，且为一个长度大于UN的箭头，两者之间形成一个夹角δ即发电机功角。
所谓同相部分的电压差，就是指把E0箭头向参考量UN或者说是垂直轴上的一个投影，这个投影的长度比UN箭头要长，E0箭头在垂直轴上的投影长度减去UN箭头的长度即为两者同相部分的电压差ΔU，只有这个电压差才会产生无功电流，并且是电压差ΔU越大，发电机输出的无功功率就越大，如果电压差ΔU变小，则发电机输出的无功功率就减小。
又根据发电机功角特性可知，当发电机送出有功功率时，电动势E0就与端电压UN错开一个δ角即发电机功角，当有功越大时，δ角越大，此时可以想象E0又往逆时针的方向转了一个更大的角度，那么它在垂直轴上的投影高度就更短了，所以用它减去UN所得到的无功电压差ΔU就变小了，因而无功自动减小，当然电压也就会适当降低。
反之，当有功减小时，功角δ也随之减小，无功会自动增加，电压也会适当升高。
总之，无论从纯电机的任何一个方面去推论，前提只要励磁电流是恒定不变的，也就是忽略励磁调节器的作用，有功增加时，发电机无功出力就会自动减小，在外界无功用户不变的情况下，则会出现无功缺额，发电机电压会出现下降现象，直到外界用户在电压下降时所耗无功自动减小重新与发电机无功出力达到平衡，电压则会下降到一个新的平衡点稳定运行。
反之有功减少时，无功出力会自动增加，在外界无功用户不变的情况下，则会出现无功过剩，发电机电压会出现升高现象，直到外界用户在电压升高时所耗无功自动增加重新与发电机无功出力达到平衡，电压则会升高到一个新的平衡点稳定运行。
（二）考虑励磁调节器的影响分析
1. 从机组本身的因素分析调节器的影响：
从纯电机的角度分析完，可以得出一个结论，当发电机励磁恒定时，增加发电机有功，则会使无功功率自动减少，最终发电机电压会适当降低，或者从另外一个新的角度来分析，当发电机有功增大时，发电机定子电流也增大，那么发电机定子绕组的阻抗压降就会增大，最终还是引起了发电机机端电压降低。
自动励磁调节器（在此只考虑调节器在自动通道恒电压方式下）是以发电机端电压作为被调量的，也就是说励磁调节器的作用就是要维持机端电压不变，所以由上面分析可知，在机组稳定运行，励磁不变的时候，如果增加有功功率则会使发电机的端电压适当降低，那么此时考虑到励磁调节器的存在，当发电机端电压降低，则会使励磁调节器自动增加励磁来维持机端电压。
所以正是由于该调节作用，使得发电机在有功增加时，无功会基本维持不增不减。
当然由于纯电机角度的分析因素的作用一般也会呈现略微减少的趋势，但是有时也会略微升高。
总之调节器的特性参数不同及外部变工况，所以不是一个固定的规律。
但基本上是可以维持有功增加时无功不变的，至少不可能会出现纯电机角度分析结论那种明显规律的反向变化。
由于发电机励磁调节器的存在，当发电机有功增加时，无功不会出现纯电机角度所分析的那样明显减少。
当然励磁调节器特性是不完全一样的，但即使励磁调节器调节作用不足以抵消增加有功所带来的去磁作用，也绝对能够抵消绝大部分去磁作用了，所以最多会有一个轻微的无功减少趋势。
当然如果励磁调节器调节作用大于增加有功所带来的去磁作用，那么不仅此时可以完全弥补有功增加所带来的去磁影响，甚至无功还会有增加的趋势。
可见，由于调节器本身特性的差异，可能会出现不同的结果。
不过无论结果怎样，从根本上讲，由于调节器本身是用来维持机端电压的，所以调节器在发电机增加有功时会自动增加励磁，那还是因为发电机端电压在受到有功增加的去磁影响后而降低了，这时调节器增加励磁只是为了恢复正常的电压，也就是说仅仅是为了弥补增加有功出现的励磁缺额，所以发电机此时增加的励磁基本上全部都用在了有功功率的增加上，最终使发电机在有功功率增加后也不出现欠磁，从而维持端电压不变。
发电机在有功增加时会使端电压降低，由于励磁调节器会自动增磁维持发电机端电压，正是因为此时调节器自动增磁，则不会出现有功增加，无功明显减少的现象。
当然，这时也会有一个新的问题，就是众所周知增加励磁时发电机无功功率会自动增加，那么在增加有功时，励磁也是在自动并且大量增加的，那么无功此时会大量增加吗？
这里可以解释一下，《电机学》的发电机无功功率调节章节中分析调节励磁改变无功的前提是发电机输出有功不变，也就是说增加励磁无功增加的前提是发电机其它条件基本不变的，至少发电机有功是不变的，那么增加的励磁便全部用在了升高电压增大无功上，所以才会有了增加励磁，无功增加的结论。
但是在增加有功的情况下大量增加励磁，发电机仍然只是为了维持着机端电压不降低，发电机的端电压只要不变，则说明无功功率的供需是基本平衡的，那么此时认为外界无功用户是基本不变的，发电机此时的无功出力也不会有什么大的变化。
最终这种情况下增加的励磁主要还是用在了增加的有功上，对无功影响不大，所以这里在增加励磁时，无功是不会明显增加的。
总之，在忽略了调节器特性差别后，我们假设外界条件不变的情况下，可以得出的结论为，调节有功功率时，励磁调节器只能够基本维持无功不变。
也不排除轻微增加或者轻微减少的情况，但可以肯定不会明显增加或者明显减少。
当然实际情况中要考虑到大量外部因素，无功可能会因外界其它因素而明显变化，下面便具体分析。
2. 从机组以外的因素分析调节器的影响：
（1）外界系统运行方式的变化：
比如投切线路的电容效应和投切电抗器等元件都会使整个系统的无功电源及无功用户情况发生变化，最终机组无功功率也会发生不确定的变化。
（2）外界机组出力的变化：
同一电网的其它机组加减出力的同时也会影响其无功出力，以及机组的启停，均会导致电网无功的不平衡，系统电压变动，最终也会使机组无功功率发生不确定的变化。
（3）考虑系统功率传输机理：
传输有功功率需要无功功率的支撑，所以调节有功时，比如增大有功，此时要在恒定电压下输走更多的有功，那么需要支撑的无功也就更多，如果无功支撑不足，则会引起电压下降，最终也会导致励磁调节器自动增加励磁，具体我们可以对输电系统中的两大元件即输电线路和变压器进行展开分析。
根据输电线路自然功率的概念可知，输电线路既因为其电容效应能够发出无功，也因为其存在串联阻抗在输电过程中电流流过线路的串联阻抗又要消耗无功，所以有功越大，线路的电流越大，消耗的无功就越大，特别是输电功率高于自然功率时，线路自身的电容效应所产生的无功已不足以供线路自身所耗无功了，线路则要从系统吸收无功了。
根据变压器自身无功损耗公式可知，变压器传输有功的过程中，会消耗大量无功，传输的有功越大，消耗的无功就越大，当变压器传输有功功率达到满载时，其自身消耗的无功可达变压器额定容量的10%~15%。
由上述分析可见，当系统中无功出力与无功用户平衡，电压不变的时候，此时若机组增加有功，则会直接导致输电系统传输的有功功率增大，电流增大，那么系统自身在传输有功时消耗的无功也自然增大，所以无功出力与无功用户不再平衡，无功出力已经不能满足无功用户的需要，也就是说出现了无功缺额从而引起电压下降，最终励磁调节器会自动增加励磁来提高机组无功出力使其重新与无功用户达到平衡，维持机端电压。
此外在电力系统分析中，考虑了系统静态稳定性，也要在有功增加时适当提高无功，但这主要是从电网稳定方面分析的，对于机组本身，影响甚小，不展开分析。
总之，这个因素导致的无功变化基本是可以确定方向的，即机组无功功率基本随着有功功率的增加而增加，反之同理。
注，本段分析可参考有功增加时主变压器输出无功变化趋势图。
（4）厂用电负荷的变化：
由于大多厂用负荷为感应电动机，自身所消耗的无功是很大的，所以当厂用电负荷变化时，所耗无功会发生很大变化。
厂用负荷无功的变化几乎不会影响到系统电压，也就是说系统电压是维持恒定的，由于主变阻抗的存在，发电机机端的电压是会直接受到影响的，比如增加有功，厂用负荷就要增大，厂用电所耗无功功率增大，发电机机端电压降低，最终仍是励磁调节器自动增加励磁以维持机端电压，那么机组无功出力就会增加，等于是厂用负荷无功的变化最终是直接体现到发电机无功出力上了。
这个因素导致的无功变化也基本是可以确定方向的，即机组无功功率基本随着有功功率的增加而增加，反之同理。
注，本段分析可参考启停机过程中以及机组正常运行中带厂用电情况下增减有功时无功变化趋势图。
（5）此外还有一些不可预知的原因引起的电压变化，也均会使励磁调节器自动调整励磁最终改变无功出力。
由于个人能力有限，手记也不是很严谨，如有不妥还请师傅们多多指点！
谢谢。
发电机是靠调节励磁电流的大小来调整无功输出大小的。
当励磁电流增大后，转子磁场增大使气隙磁场增强，定子线圈内的感应电动势增强，由于负载阻抗不变，定子电流增大，进而使无功功率增大。
直到定子电流产生的定子磁场和转子磁场达到新的平衡。
电流和电压都会稳定在一个较原来更大的值上，至于是电流增加得多还是电压增加得多，要看负荷的阻抗大小而定，如果负荷阻抗小，则主要是增加电流，如果负荷阻抗大，则电压上升得多。
比如单机运行的时候，阻抗非常大，所以电流基本不变，电压变化很大，而并网运行的时候，由于大网的所有负荷都是并联，阻抗很小，电压基本不变，电流变化比较大。
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