本文依據在線監測的技術數據，從理論上分析同步發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] 同步發電機 無功功率擺動 勵磁系統

1.概述

　　山西鋁廠熱電分廠共有六臺汽輪發電機，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#機組多次出現發電機無功功率自然擺動，其擺幅8Mvar，給生產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，并提出了對發電機勵磁系統改進的措施。

　　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小時在線監測，其監測數據如表1、表2。

表1 5#機組監測數據

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

表2 6#機組監測數據

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

　　從上表可以看出，5#機組在0.36到20.33期間發生無功擺動;6#機組在0.20到19.50期間發生無功擺動，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，發電機定子電流擺到4000A，有功功率由25MW上升到26MW，“電壓回路斷線”信號出現，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，其它參數正常。

2.發電機無功功率擺動理論分析

2.1電力系統中的無功功率

　　發、供電的質量指標主要表現為電壓和頻率。頻率是由電力系統發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中無功功率平衡來維持的。如果電力系統中的無功功率嚴重短缺，則系統中的電壓水平過低，使某個系統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生負荷消耗的無功功率增量大于系統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，這種惡性循環將造成系統“電壓崩潰”。電壓崩潰后，大量電動機自動切除，某些發電機組失步，導致系統解列或大面積停電。

2.2無功功率平衡與電壓水平的關系

ΣQGi=ΣQLj ΣΔQΣk

式中: ΣQGi—無功電源向系統供應的無功功率;

i—無功電源的個數;

QLj—負荷所消耗的無功功率; j無功負荷的個數;

ΔQΣK—電力系統中變壓器、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為電力系統無功負荷的靜態電壓特性，如果電力系統電壓Ux運行在額定電壓Ue，則系統無功負荷所消耗無功功率為Qe，則ΣQLj ΣΔQΣk=Qe，如果電力系統中所有的無功電源發出無功功率總和ΣQGj也等于Qe，電力系統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)?！　∪绻到y中所有無功電源發不出Qe那么多無功功率，而只能發出Qa這么多,系統負荷就只能消耗Qa這么多。這時系統將運行在a點，系統電壓Ux=Ua，系統負荷消耗的無功功率為Qa。則數學表達式即ΣQGia=ΣLja ΣΔQΣka，角標“a”表示系統運行在a點?；蛘呦到y中所有無功電源發出的無功功率稍大于Qe為Qb，而系統中負荷消耗也達到了Qb這么多，則系統運行在b點。系統電壓Ux=Ub，負荷消耗的無功功率為Qb，則數學表達式即ΣQGib=ΣQLib ΣΔQΣkb，角標“b”表示系統運行在b點。電氣規程要求系統正常運行的電壓允許在Ux=Ue±5%Ue的范圍內，所以a、e、c三點都是電力系統無功功率的平衡點，即系統可以穩定地在電壓Ua、Ue、Ub下運行。因此要控制系統在額定電壓下運行，就要控制系統中的無功電源發出的無功功率等于電力系統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，則電力系統就會偏離額定電壓運行。當無功電源發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，作為無功電源的發電機就會出現無功功率擺動，電力系統電壓就會過多地偏離額定電壓?？梢?，維持電力系統電壓在允許范圍內是靠控制系統無功電源的出力來實現的。2.3無功功率與發電機勵磁電流的關系　　電力系統在正常運行時，發電機勵磁電流的變化主要影響電網的電壓水平和并聯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對系統電壓的平衡。

　

圖2 (a) 同步發電機運行原理圖 　(b) 等值電路

　

(c) 適量圖 　　　　　　　(d) 同步發電的外特性圖

　　圖2（a）是同步發電機的原理圖，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FLQ的勵磁通量電流為Ifd，由它所建立的磁場使定子產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——發電機直軸電抗。

根據圖2（c）的矢量關系: Eqcosδ=Uf Iwxd

式中δ——Eq與Uf間的相角，即發電機的功率角;

Iw——發電機的無功電流。

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，同步發電機的外特性是下降的，當勵磁電流Ifd一定時，發電機端電壓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，同步發電機發出的無功功率必須通過對勵磁電流的調整，才能滿足系統負荷對無功功率的需求，進而才能保證電力系統電壓的穩定。

3.引起機組無功功率擺動的原因

3.1機組問題

　　3.1.1 1996年，三號機發生無功擺動以后，我們對直流勵磁機進行空載試驗，勵磁機和勵磁系統正常，9月份電機大修期間發電機轉子返廠，后檢查為轉子線圈有匝間短路現象。

　　3.1.2 2001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，A后檢查確定勵磁機轉子有匝間短路現象。

　　3.1.3 2001年4月，5號機因無功功率擺動停機后，發現勵磁機的換向器片間有短路現象。

　　3.1.4 2002年4月10日-12日，5號機兩次出現無功功率直線下降為零，經停機檢查，屬換向器的片間出現瞬間短路所引起的。

3.2同步發電機無功功率的分配

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

3.3電力系統擾動的因素

　　電力系統的負荷每時每刻都在發生變化，特別是大負荷的起動和停用，都對系統的有功功率和無功功率產生波動。我們廠處在山西電網的末端。在這個末端電網內電力系統有兩個電廠，再加上我們的自備電廠總裝機容量為1000MW左右，而運城地區的農業用電較多，工業用電較少，氣候環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，這就產生了系統的正常擾動。這種擾動就使發電機發出的有功功率和無功功率進行重新分配，于是出現無功功率的擺動。

3.4同步發電機勵磁控制系統的應用

　　同步發電機勵磁系統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電機失磁運行，或者在事故情況下造成系統“電壓崩潰”。調整勵磁就是調整勵磁電流。同步發電機的勵磁自動控制系統，就是解決并聯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勵磁電流來平衡系統的無功功率，進而維持機端電壓為額定水平。隨著微機控制的發展和應用，發電機的勵磁自動控制系統不斷地更新，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現發電機勵磁系統的一次設備問題非常重要，并且能夠解決發電機的無功擺動問題。

4.結論

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

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

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