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

[關(guān)鍵詞] 同步發(fā)電機(jī) 無功功率擺動(dòng) 勵(lì)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(jī)，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(jī)組多次出現(xiàn)發(fā)電機(jī)無功功率自然擺動(dòng)，其擺幅8Mvar，給生產(chǎn)的組織和調(diào)整帶來了很大的影響，為此通過多次的試驗(yàn)和分析，查找到了其無功擺動(dòng)的原因，并提出了對發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)改進(jìn)的措施。

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

表1 5#機(jī)組監(jiān)測數(shù)據(jù)

時(shí)間 電壓kV 電流kA 有功MW 無功Mvar 勵(lì)磁電壓V 勵(lì)磁電流A 備注 0:36 6.4 2.6 24 16-19 160 325 ↑自動(dòng) 1:55 6.4 2.7 24 16-19 160 325 ↑自動(dòng) 7:04 6.3 2.6 25 19-14 145 325 ↑自動(dòng) 9:09 6.3 2.7 25 14-17 155 325 ↑自動(dòng) 9:18 6.3 2.7 25 17-18 155 325 ↑自動(dòng) 10:18 6.3 2.7 25 18-20 170 350 ↑自動(dòng) 11:26 6.2 2.4 25 8-14 130 360 ↑自動(dòng) 12:40 6.2 2.6 23 14-19 165 330 ↑自動(dòng) 15:15 6.4 2.6 23 15-20 160 330 ↑自動(dòng) 15:50 6.4 2.6 25 17-12 140 300 ↑自動(dòng) 19:00 6.4 2.5 25 17-14 140 310 ↑自動(dòng) 20:33 6.4 2.7 25 16-19 170 325 ↑自動(dòng)

表2 6#機(jī)組監(jiān)測數(shù)據(jù)

時(shí)間 電壓kV 電流kA 有功MW 無功Mvar 勵(lì)磁電壓V 勵(lì)磁電流A 備注 0:20 6.6 2.6 24 15-20 175 200 ↑自動(dòng) 0:22 6.6 2.6 24 20-17 165 190 ↓手動(dòng) 0:59 6.6 2.7 25 17-21 180 200 ↑自動(dòng) 1:00 6.6 2.6 25 21-27 165 190 ↓手動(dòng) 1:55 6.4 2.4 24 17-10 140 160 ↓自動(dòng) 2:33 6.4 2.7 25 13-20 175 200 ↓自動(dòng) 3:35 6.4 2.5 25 20-14 150 175 ↓手動(dòng) 4:25 6.5 2.5 25 14-18 165 190 ↑自動(dòng) 4:50 6.5 2.5 25 18-14 150 175 ↓自動(dòng) 5:20 6.5 2.7 24.5 14-19 175 200 ↑自動(dòng) 6:15 6.4 2.3 23 16-13 140 160 ↓自動(dòng) 6:23 6.6 2.6 23 13-20 170 200 ↑手動(dòng) 7:06 6.5 2.4 24 20-14 150 180 ↓自動(dòng) 9:10 6.5 2.6 24 14-16 160 180 ↑自動(dòng) 10:45 6.4 2.5 24 19-14 150 175 ↓手動(dòng) 11:00 6.4 2.5 25 12-18 150 160 ↑手動(dòng) 11:20 6.5 2.7 24 22-18 180 200 ↓手動(dòng) 12:40 6.5 2.4 24 18-15 150 170 ↓自動(dòng) 13:54 6.6 2.6 23 15-19 165 170 ↑自動(dòng) 14:27 6.4 2.3 23 15-11 135 155 ↓自動(dòng) 15:12 6.5 2.4 22 17-22 160 175 ↑自動(dòng) 19:50 6.4 2.5 23 18-13 150 170 ↓自動(dòng)

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

　　在2002年4月10日13點(diǎn)由于4#機(jī)組緊急停機(jī)，5#機(jī)組無功功率由12Mvar直線下降到0，發(fā)電機(jī)定子電流擺到4000A，有功功率由25MW上升到26MW，“電壓回路斷線”信號出現(xiàn)，強(qiáng)勵(lì)動(dòng)作，勵(lì)磁電壓為30V，勵(lì)磁電流為50A。檢查磁場變阻器沒有異常后手動(dòng)調(diào)整增加無功負(fù)荷，恢復(fù)正常。4月12日11:58分，5號機(jī)無功功率由10Mvar降到0，其它參數(shù)正常。

2.發(fā)電機(jī)無功功率擺動(dòng)理論分析

2.1電力系統(tǒng)中的無功功率

　　發(fā)、供電的質(zhì)量指標(biāo)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(fù)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(yán)重短缺，則系統(tǒng)中的電壓水平過低，使某個(gè)系統(tǒng)的母線電壓運(yùn)行在臨界值以下時(shí)，母線電壓有一微小的下降就會(huì)發(fā)生負(fù)荷消耗的無功功率增量大于系統(tǒng)向該點(diǎn)提供的無功功率增量，使無功缺額進(jìn)一步增大，電壓進(jìn)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(dòng)機(jī)自動(dòng)切除，某些發(fā)電機(jī)組失步，導(dǎo)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(guān)系

ΣQGi=ΣQLj ΣΔQΣk

式中: ΣQGi—無功電源向系統(tǒng)供應(yīng)的無功功率;

i—無功電源的個(gè)數(shù);

QLj—負(fù)荷所消耗的無功功率; j無功負(fù)荷的個(gè)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(guān)系

圖1為電力系統(tǒng)無功負(fù)荷的靜態(tài)電壓特性，如果電力系統(tǒng)電壓Ux運(yùn)行在額定電壓Ue，則系統(tǒng)無功負(fù)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(huì)維持在額定電壓運(yùn)行。那么無功功率平衡關(guān)系則為ΣQGie=QLje ΣΔQΣke(角標(biāo)“e”表示運(yùn)行在額定電壓)?！　∪绻到y(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(fù)荷就只能消耗Qa這么多。這時(shí)系統(tǒng)將運(yùn)行在a點(diǎn)，系統(tǒng)電壓Ux=Ua，系統(tǒng)負(fù)荷消耗的無功功率為Qa。則數(shù)學(xué)表達(dá)式即ΣQGia=ΣLja ΣΔQΣka，角標(biāo)“a”表示系統(tǒng)運(yùn)行在a點(diǎn)。或者系統(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(fù)荷消耗也達(dá)到了Qb這么多，則系統(tǒng)運(yùn)行在b點(diǎn)。系統(tǒng)電壓Ux=Ub，負(fù)荷消耗的無功功率為Qb，則數(shù)學(xué)表達(dá)式即ΣQGib=ΣQLib ΣΔQΣkb，角標(biāo)“b”表示系統(tǒng)運(yùn)行在b點(diǎn)。電氣規(guī)程要求系統(tǒng)正常運(yùn)行的電壓允許在Ux=Ue±5%Ue的范圍內(nèi)，所以a、e、c三點(diǎn)都是電力系統(tǒng)無功功率的平衡點(diǎn)，即系統(tǒng)可以穩(wěn)定地在電壓Ua、Ue、Ub下運(yùn)行。因此要控制系統(tǒng)在額定電壓下運(yùn)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(fù)荷在額定電壓時(shí)所消耗的無功功率。如果這個(gè)“等式”關(guān)系不能滿足，則電力系統(tǒng)就會(huì)偏離額定電壓運(yùn)行。當(dāng)無功電源發(fā)出的無功功率偏離負(fù)荷在額定電壓下所需消耗的無功功率過多時(shí)，作為無功電源的發(fā)電機(jī)就會(huì)出現(xiàn)無功功率擺動(dòng)，電力系統(tǒng)電壓就會(huì)過多地偏離額定電壓。可見，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(shí)現(xiàn)的。2.3無功功率與發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的關(guān)系　　電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的變化主要影響電網(wǎng)的電壓水平和并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組間的無功功率分配。無功功率是通過調(diào)整勵(lì)磁電流來實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)電壓的平衡。

　

圖2 (a) 同步發(fā)電機(jī)運(yùn)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(jī)的原理圖，圖中FLQ是勵(lì)磁繞組，機(jī)端電壓為Uf，電流為If。在正常情況下，流經(jīng)FLQ的勵(lì)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(yīng)電勢為Eq，改變Ifd的大小，Eq值就相應(yīng)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(jī)直軸電抗。

根據(jù)圖2（c）的矢量關(guān)系: Eqcosδ=Uf Iwxd

式中δ——Eq與Uf間的相角，即發(fā)電機(jī)的功率角;

Iw——發(fā)電機(jī)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(jī)的外特性是下降的，當(dāng)勵(lì)磁電流Ifd一定時(shí)，發(fā)電機(jī)端電壓Uf隨無功負(fù)荷增大而下降。圖2（d）說明，當(dāng)無功電流為Iw1時(shí)，發(fā)電機(jī)端電壓為額定值Ufe，勵(lì)磁電流為Ifd1。當(dāng)無功電流增到Iw2時(shí)，如果勵(lì)磁電流不增加，則電壓降至Uf2，可能滿足不了運(yùn)行要求，必須將勵(lì)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(shí)，Uf也會(huì)上升，必須減小勵(lì)磁電流。所以說，同步發(fā)電機(jī)發(fā)出的無功功率必須通過對勵(lì)磁電流的調(diào)整，才能滿足系統(tǒng)負(fù)荷對無功功率的需求，進(jìn)而才能保證電力系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定。

3.引起機(jī)組無功功率擺動(dòng)的原因

3.1機(jī)組問題

　　3.1.1 1996年，三號機(jī)發(fā)生無功擺動(dòng)以后，我們對直流勵(lì)磁機(jī)進(jìn)行空載試驗(yàn)，勵(lì)磁機(jī)和勵(lì)磁系統(tǒng)正常，9月份電機(jī)大修期間發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子返廠，后檢查為轉(zhuǎn)子線圈有匝間短路現(xiàn)象。

　　3.1.2 2001年6月份，4號機(jī)因勵(lì)磁機(jī)碳刷打火，換向器表面有燒傷，無功功率擺動(dòng)頻繁，A后檢查確定勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子有匝間短路現(xiàn)象。

　　3.1.3 2001年4月，5號機(jī)因無功功率擺動(dòng)停機(jī)后，發(fā)現(xiàn)勵(lì)磁機(jī)的換向器片間有短路現(xiàn)象。

　　3.1.4 2002年4月10日-12日，5號機(jī)兩次出現(xiàn)無功功率直線下降為零，經(jīng)停機(jī)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(jī)無功功率的分配

　　汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)出的有功功率只受汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的控制，與勵(lì)磁電流的大小無關(guān)。故無論勵(lì)磁電流如何變化，發(fā)電機(jī)的有功功率均為常數(shù)。發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的變化只是改變了機(jī)組的無功功率的大小。我廠發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行的母線，屬于直配母線，也就是發(fā)電機(jī)的出線直接與6kV配電室并聯(lián)運(yùn)行。改變其中一臺發(fā)電機(jī)的勵(lì)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(yùn)行機(jī)組的無功功率。由于多臺機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行，機(jī)組之間存在著搶帶無功的現(xiàn)象，所以當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)無功缺額或無功過量時(shí)，總是存在著部分發(fā)電機(jī)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(jī)就出現(xiàn)無功缺額或無功過?，F(xiàn)象，終反映出來的就是這一部分發(fā)電機(jī)的無功功率擺動(dòng)。為了消除無功功率大幅度的擺動(dòng),只有調(diào)整勵(lì)磁電流來維持本臺發(fā)電機(jī)的無功平衡。

3.3電力系統(tǒng)擾動(dòng)的因素

　　電力系統(tǒng)的負(fù)荷每時(shí)每刻都在發(fā)生變化，特別是大負(fù)荷的起動(dòng)和停用，都對系統(tǒng)的有功功率和無功功率產(chǎn)生波動(dòng)。我們廠處在山西電網(wǎng)的末端。在這個(gè)末端電網(wǎng)內(nèi)電力系統(tǒng)有兩個(gè)電廠，再加上我們的自備電廠總裝機(jī)容量為1000MW左右，而運(yùn)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(fù)荷的影響特別大，天陰下雨大面積甩負(fù)荷，天氣干旱，又大量用電，以及我廠的同步電動(dòng)機(jī)的起停，這就產(chǎn)生了系統(tǒng)的正常擾動(dòng)。這種擾動(dòng)就使發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率和無功功率進(jìn)行重新分配，于是出現(xiàn)無功功率的擺動(dòng)。

3.4同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的應(yīng)用

　　同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)都帶有自動(dòng)控制調(diào)整裝置，但是一些老機(jī)組和小機(jī)組因種種原因?qū)⒆詣?dòng)控制系統(tǒng)退出運(yùn)行，改為手動(dòng)調(diào)整，我廠就屬于這種。手動(dòng)調(diào)整勵(lì)磁有很多缺點(diǎn)，如調(diào)整時(shí)間不能及時(shí)把握; 調(diào)整勵(lì)磁電流的大小無法控制等等。更重要的是如果調(diào)整不及時(shí)會(huì)造成發(fā)電機(jī)失磁運(yùn)行，或者在事故情況下造成系統(tǒng)“電壓崩潰”。調(diào)整勵(lì)磁就是調(diào)整勵(lì)磁電流。同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)，就是解決并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組之間的無功功率合理分配問題，同時(shí)通過不斷地調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流來平衡系統(tǒng)的無功功率，進(jìn)而維持機(jī)端電壓為額定水平。隨著微機(jī)控制的發(fā)展和應(yīng)用，發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)不斷地更新，自動(dòng)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(shí)發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的一次設(shè)備問題非常重要，并且能夠解決發(fā)電機(jī)的無功擺動(dòng)問題。

4.結(jié)論

　　發(fā)電機(jī)的無功功率擺動(dòng)是由于發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的一次設(shè)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(dòng)態(tài)情況下能引起勵(lì)磁電流發(fā)生變化，終表現(xiàn)為無功功率擺動(dòng)，這是一種不正?，F(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)處理。

　　電力系統(tǒng)的擾動(dòng)引起發(fā)電機(jī)的無功擺動(dòng)屬于一種正?，F(xiàn)象，但必須進(jìn)行及時(shí)的調(diào)整，否則造成電機(jī)失磁運(yùn)行。

　　同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)是解決發(fā)電機(jī)無功功率擺動(dòng)的技術(shù)手段，同時(shí)也是保證發(fā)電機(jī)安全運(yùn)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。