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1、同步发电机无功功率摆动的主要因素及处理措施摘 要本文依据在线监测的技术数据，从理论上分析同步发电机无功功率摆动的 原因，阐述了引起机组无功功率摆动的主要因素及处理措施。关键词同步发电机 无功功率摆动励磁系统1概述山西铝厂热电分厂共有六台汽轮发电机，额定电压为6.3kV，额定容量分别为 一期12MW三台；二期25MW三台。从1996年一2002年3#、4#、5#、6#机组多次 出现发电机无功功率自然摆动，其最大摆幅8Mvar,给生产的组织和调整带来了很 大的影响，为此通过多次的试验和分析，查找到了其无功摆动的原因，并提出了对 发电机励磁系统改进的措施。为分析机组无功功率自然摆动的原因，于2002
2、年2月7日0点到24点，对5#、 6#机组实施无功功率的24小时在线监测，其监测数据如表1、表2。表1 5#机组监测数据时间电压kV电流kA有功MW无功Mvar励磁电压V励磁电流A备注0:366.42.62416-19160325T自动1:556.42.72416-19160325T自动7:046.32.62519-14145325T自动9:096.32.72514-17155325T自动9:186.32.72517-18155325T自动10:186.32.72518-20170350T自动11:266.22.4258-14130360T自动12:406.22.62314-19165330T
3、自动15:156.42.62315-20160330T自动15:506.42.62517-12140300T自动19:006.42.52517-14140310T自动20:336.42.72516-19170325T自动表2 6#机组监测数据时间电压kV电流kA有功MW无功Mvar励磁电压V励磁电流A备注0:206.62.62415-20175200T自动0:226.62.62420-17165190J手动0:596.62.72517-21180200T自动1:006.62.62521-27165190J手动1:556.42.42417-10140160J自动2:336.42.72513-20
4、175200J自动3:356.42.52520-14150175J手动4:256.52.52514-18165190T自动4:506.52.52518-14150175J自动5:206.52.724.514-19175200T自动6:156.42.32316-13140160J自动6:236.62.62313-20170200T手动7:066.52.42420-14150180J自动9:106.52.62414-16160180T自动10:456.42.52419-14150175J手动11:006.42.52512-18150160T手动11:206.52.72422-18180200J手动
5、12:406.52.42418-15150170J自动13:546.62.62315-19165170T自动14:276.42.32315-11135155J自动15:126.52.42217-22160175T自动19:506.42.52318-13150170J自动从上表可以看出，5#机组在0.36到20.33期间发生无功摆动;6#机组在0.20到 19.50期间发生无功摆动，其他时间未摆动。6#机组在1.55无功功率由17Mvar自然 降到10Mvar,摆动幅度7MVAR;在6.23无功功率由13Mvar自然上升到20Mvar， 摆动幅度为7Mvar，并且无功功率已超过发电机的额定值。在
6、2002年4月10日13点由于4#机组紧急停机，5#机组无功功率由12Mvar 直线下降到0,发电机定子电流最大摆到4000A，有功功率由25MW上升到26MW， “电压回路断线”信号出现，强励动作，励磁电压为30V，励磁电流为50A。检查磁 场变阻器没有异常后手动调整增加无功负荷，恢复正常。4月12日11:58分，5号 机无功功率由10Mvar降到0,其它参数正常。2发电机无功功率摆动理论分析2.1电力系统中的无功功率发、供电的质量指标主要表现为电压和频率。频率是由电力系统发电有功功率 和有功负荷消耗的总电量来决定的；电压则是靠电力系统中无功功率平衡来维持 的。如果电力系统中的无功功率严重短
7、缺，则系统中的电压水平过低，使某个系统 的母线电压运行在临界值以下时，母线电压有一微小的下降就会发生负荷消耗的无 功功率增量大于系统向该点提供的无功功率增量，使无功缺额进一步增大，电压进 一步下降，这种恶性循环将造成系统“电压崩溃”。电压崩溃后，大量电动机自动切 除，某些发电机组失步，导致系统解列或大面积停电。2.2无功功率平衡与电压水平的关系为QGi=QLj+AQk式中:EQGi一无功电源向系统供应的无功功率； i无功电源的个数；QLj负荷所消耗的无功功率;j无功负荷的个数； AQEK电力系统中变压器、线路中所损耗的无功功率；图1无功功率平衡和电压水平关系图1为电力系统无功负荷的静态电压特性
8、，如果电力系统电压Ux运行在额定电 压Ue，则系统无功负荷所消耗无功功率为Qe，则EQLj+EAQEk=Qe，如果电力系统 中所有的无功电源发出无功功率总和为QGj也等于Qe，电力系统就会维持在额定电 压运行。那么无功功率平衡关系则为EQGie=QLje+EAQEke（角标“e”表示运行在额定 电压）。如果系统中所有无功电源发不出Qe那么多无功功率，而只能发出Qa这么多， 系统负荷就只能消耗Qa这么多。这时系统将运行在a点，系统电压Ux=Ua,系统 负荷消耗的无功功率为Qa。则数学表达式即EQGia=ELja+EAQEka，角标匕”表示系 统运行在a点。或者系统中所有无功电源发出的无功功率稍大
9、于Qe为Qb,而系统 中负荷消耗也达到了 Qb这么多，则系统运行在b点。系统电压Ux=Ub，负荷消耗 的无功功率为Qb,则数学表达式即为QGib=QLib+AQkb，角标“b”表示系统运行 在b点。电气规程要求系统正常运行的电压允许在Ux=Ue5%Ue的范围内，所以a、 e、c三点都是电力系统无功功率的平衡点，即系统可以稳定地在电压Ua、Ue、Ub 下运行。因此要控制系统在额定电压下运行，就要控制系统中的无功电源发出的无 功功率等于电力系统负荷在额定电压时所消耗的无功功率。如果这个“等式”关系不 能满足，则电力系统就会偏离额定电压运行。当无功电源发出的无功功率偏离负荷 在额定电压下所需消耗的无
10、功功率过多时，作为无功电源的发电机就会出现无功功 率摆动，电力系统电压就会过多地偏离额定电压。可见，维持电力系统电压在允许 范围内是靠控制系统无功电源的出力来实现的。2.3无功功率与发电机励磁电流的关系电力系统在正常运行时，发电机励磁电流的变化主要影响电网的电压水平和并 联运行机组间的无功功率分配。无功功率是通过调整励磁电流来实现对系统电压的 平衡。图2 (a)同步发电机运行原理图(b)等值电路4（右(c)适量图(d)同步发电的外特性图图2 (a)是同步发电机的原理图，图中FLQ是励磁绕组，机端电压为Uf,电 流为If。在正常情况下，流经FLQ的励磁通量电流为Ifd,由它所建立的磁场使定 子产
11、生的空载感应电势为Eq,改变Ifd的大小，Eq值就相应地改变。通过图2 (b) 的等值电路图，可以得出：Uf+JIfxd=Eq式中Xd发电机直轴电抗。根据图2 (c)的矢量关系:Eqcos8=Uf+Iwxd式中8Eq与Uf间的相角，即发电机的功率角；Iw发电机的无功电流。一般情况下8的值很小，可近似为cos8=l则上式可简化为EqUf+Iwxdo从式中可以看出，同步发电机的外特性是下降的，当励磁电流Ifd 一定时，发 电机端电压Uf随无功负荷增大而下降。图2 (d)说明，当无功电流为Iwl时，发 电机端电压为额定值Ufe,励磁电流为Ifdlo当无功电流增到Iw2时，如果励磁电 流不增加，则电压
12、降至Uf2,可能满足不了运行要求，必须将励磁电流增大至Ifd2, 才能维持端电压为额定值Ufe。同理，无功电流减小时，Uf也会上升，必须减小励 磁电流。所以说，同步发电机发出的无功功率必须通过对励磁电流的调整，才能满 足系统负荷对无功功率的需求，进而才能保证电力系统电压的稳定。3引起机组无功功率摆动的原因3.1机组问题3.1.1 1996年，三号机发生无功摆动以后，我们对直流励磁机进行空载试验，励 磁机和励磁系统正常，9月份电机大修期间发电机转子返厂，最后检查为转子线圈 有匝间短路现象。3.1.2 2001年6月份，4号机因励磁机碳刷打火，换向器表面有烧伤，无功功率 摆动频繁，最后检查确定励磁
13、机转子有匝间短路现象。3.1.3 2001年4月，5号机因无功功率摆动停机后，发现励磁机的换向器片间有 短路现象。3.1.4 2002年4月10 日-12 日，5号机两次出现无功功率直线下降为零，经停机 检查，属换向器的片间出现瞬间短路所引起的。3.2同步发电机无功功率的分配汽轮发电机组发出的有功功率只受汽轮机调速系统的控制，与励磁电流的大小 无关。故无论励磁电流如何变化，发电机的有功功率均为常数。发电机励磁电流的 变化只是改变了机组的无功功率的大小。我厂发电机组并联运行的母线，属于直配 母线，也就是发电机的出线直接与6kV配电室并联运行。改变其中一台发电机的励 磁电流，不但影响它的电压和无功
14、功率，而且也将影响与之并联运行机组的无功功 率。由于多台机组并联运行，机组之间存在着抢带无功的现象，所以当系统出现无 功缺额或无功过量时，总是存在着部分发电机抢带或抢甩无功的现象，而这种现象 的发生使系统电压处于稳定状态，而另一部分发电机就出现无功缺额或无功过剩现 象，最终反映出来的就是这一部分发电机的无功功率摆动。为了消除无功功率大幅 度的摆动，只有调整励磁电流来维持本台发电机的无功平衡。3.3电力系统扰动的因素电力系统的负荷每时每刻都在发生变化，特别是大负荷的起动和停用，都对系 统的有功功率和无功功率产生波动。我们厂处在山西电网的末端。在这个末端电网 内电力系统有两个电厂，再加上我们的自备电厂总装机容量为1000MW左右，而运 城地区的农业用电较多，工业用电较少，气候环境对电负荷的影响特别大，天阴下 雨大面积甩负荷，天气干旱，又大量用电，以及我厂的同步电动机的起停，这就产 生了系统的
