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：
汽车发电机调节器
                  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）
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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
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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 
2009-08-26 05:33:26|  分类： 默认分类 |  标签： |字号大中小 订阅
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。