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同步發(fā)電機
2017-8-28 閱讀(7052)
發(fā)電機的穩(wěn)定問題，在我國是按照靜態(tài)、暫態(tài)、動態(tài)劃分的，同步發(fā)電機在運行中經(jīng)受微小的擾動后，若能夠自動保持同步運行，則說明該機具有靜態(tài)穩(wěn)定運行的能力。運行中的發(fā)電機負荷有時也會發(fā)生大的變化，這會對發(fā)電機產生大的擾動，此時發(fā)電機能否保持同步運行就是屬于暫態(tài)和動態(tài)的問題了。
同步發(fā)電機在運行中除負荷有緩慢或微小的變化外，突變也會時有發(fā)生，這會對發(fā)電機產生大的擾動。現(xiàn)將發(fā)電機的靜態(tài)穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定、動態(tài)穩(wěn)定做一簡要的分析。
一、靜態(tài)穩(wěn)定
電力用戶中的用電負荷隨時都在發(fā)生變化，造成電力負荷也會隨之波動，對發(fā)電機而言，幾乎能夠立即適應負荷的變化；但對于原動機來說，由于受到調速機構靈敏度的限制和時滯等，卻不能立即適應這種這種變化。此時發(fā)電機應能承受這種擾動，迅速恢復同步穩(wěn)定運行，這是電力系統(tǒng)維持正常生產的基本條件。
下面用功角特性分析發(fā)電機穩(wěn)定性。
設原動機輸入的功率為P1，在發(fā)電機的功角特性曲線上，對應于P1可能有兩個平衡點a和b(見圖1)，其對應的功角為δa和δb。但實際上只有在a點才能實現(xiàn)穩(wěn)定運行。因為在a點運行時，若負荷波動引起有功率有微量的減少，發(fā)電機轉速則加快，功角將變?yōu)?delta;a+△δa=δa’，發(fā)電機的功率隨之增加△Pa，其工作點波動到a’。但此時氣門開度未變，原動機輸入的功率并不會因δ角變化而改變。因此，功角雖有微小變化，輸入功率仍保持在P1值。發(fā)電機有功負荷減少的結果，破壞了發(fā)電機與原動機之間的轉矩平衡，并且發(fā)電機的電磁轉矩超過了原動機輸入的轉矩，剩余轉矩△M<0，故對發(fā)電機轉軸起制動作用，使發(fā)電機轉速減慢，引起功角δ向減小的方向移動，一旦擾動消失，發(fā)電機便回到a點運行。同理，如果負荷波動使有功功率微量的增加，剩余轉矩△M>0，則使發(fā)電機轉速加快，使功角δ向增大的方向移動，zui后發(fā)電機也回到a點運行，因此a點是能實現(xiàn)穩(wěn)定運行得點。
而b點則不同，當功角增加△δb時卻帶來發(fā)電機的功率減少。由此出現(xiàn)的剩余轉矩促使轉子加速，δ角更加大，又使輸出功率減少，制動轉矩再減小，致使發(fā)電機無法達到功率平衡狀態(tài)。轉速更加快的結果，造成發(fā)電機失去同步，所以b點是不能穩(wěn)定運行的點，實踐中也不可能存在這種運行狀態(tài)。
二、暫態(tài)穩(wěn)定
暫態(tài)穩(wěn)定性主要指發(fā)電機在切除故障線路造成的大擾動中保持穩(wěn)定的運行能力。發(fā)生暫態(tài)不穩(wěn)定過程的時間較短，主要發(fā)生在事故后發(fā)電機轉子*擺動周期內。
假設大擾動是由發(fā)電機雙回路供電線路中的一條發(fā)生短路故障引起的。此時發(fā)電機功角特性曲線與功角的變化曲線如圖(2)所示.
圖(2)(a)中曲線Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分別為正常運行、短路故障存在、故障線路切除后單回路線路運行時的功角特性曲線。由該圖可看出短路故障存在、單回線路運行，其功率極限值均比故障前正常運行時下降。設原動機的功率為P1，發(fā)電機遲相穩(wěn)定運行與曲線Ⅰ的a點，電磁功率Pa=P1，功角為δ1。在故障發(fā)生的瞬間，發(fā)電機的電參數(shù)急劇變化，但由于慣性原動機來不及調整功率，功角仍未δ1，故運行點移至曲線Ⅱ的b點，使發(fā)電機有功負荷減少。由于功率供求平衡被破壞，將產生剩余轉矩△M>0，促使轉子開始加速，功角開始增加，運行點由點b向點c變化。如果在點c是故障被切除，功率特性則變化為曲線Ⅲ，運行點又移至點e運行。同樣，由于慣性促使點e向點f變化。在向點f變化的過程中，發(fā)電機的負荷大于原動機的功率。剩余轉矩 △M<0，轉子功角變化的速度逐漸減慢，當?shù)竭_f點時，消耗完加速能量而達到功角zui大值δmax。其后，則由于原動機功率受限制，功角開始向減小的方向擺動，在點b處達到功率平衡。同樣，由于慣性作用不能立即穩(wěn)定，而要越過點h向點k變化，如此在點h附近震蕩幾次，zui后穩(wěn)定在點h運行。
圖(2)(a)中abcd圍成的面積稱為“加速”面積，表示轉子加速期間儲存的動能，即是加速轉矩對轉子所做的功。而defg圍成的面積稱“減速”面積，在減速的過程中能量全部歸還系統(tǒng)，因此它表示減速轉矩所做的功。當加速面積小于或等于減速面積時，機組就具有暫態(tài)穩(wěn)定性。
圖(2)(b)對應于圖(2)(a)，是發(fā)電機運行點變化過程中的功角變化曲線圖。該圖中t0～t1為短路發(fā)生后至故障切除的時段；t1～t2為故障切除后至轉子功角搖擺到zui大值的時段；t2～t3為功角搖擺zui大到次大值的時段。隨著功角搖擺進入衰減過程，該機逐漸趨于穩(wěn)定。
如果故障切除較慢，假設在運行點沿著曲線Ⅱ移至點R處切除，則發(fā)電機加速過程延長，加速面積將增大。若減速面積小于加速面積會出現(xiàn)加速失調，機組失去暫態(tài)穩(wěn)定。
為了提高暫態(tài)穩(wěn)定性，應減小加速面積或增大減速面積。盡快地切除故障，可以減小加速面積。若同時提供強行勵磁，并且勵磁電壓增長速度較快，使故障切除后的發(fā)電機電勢能夠迅速提高，從而能迅速增加功率輸出，則可以實現(xiàn)減速面積的增大。強行勵磁對發(fā)電機暫態(tài)穩(wěn)定的影響可由圖(3)進行分析。
圖(3)功率曲線Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，初始工作點a到點b的過程與圖(2)(a)的情況相同。不同的是故障時強行勵磁立即動作，勵磁電流開始增加，此時功率特性曲線為bc’(如果強勵動作存在時延，是從b’開始增加)，這樣在故障切除前能使加速面積減小(由abcd減為abc’d)。在故障切除后，因勵磁電流增大，也能增大加速面積(由defg增大到de’f’g)，使發(fā)電機功角由圖(2)(a)中的δmax降為δ'max，從而提高了暫態(tài)穩(wěn)定性。
三、動態(tài)穩(wěn)定性
動態(tài)穩(wěn)定性主要指遭受大擾動后發(fā)電機恢復和保持穩(wěn)定狀態(tài)的能力，在動態(tài)穩(wěn)定過程中的主要現(xiàn)象是發(fā)電機的功角及各電氣量發(fā)生隨時間增長的震蕩或發(fā)生等幅震蕩，這一震蕩過程較長，可以持續(xù)到幾秒到幾十秒的時間。例如故障消除后功率波動不是逐漸減小，反而趨向于逐漸增大或等幅震蕩。為了抑制震蕩，提高靜態(tài)穩(wěn)定的方法之一是借助于勵磁調節(jié)裝置提高制動轉矩，使發(fā)電機在加速時加強勵磁，以減小加速面積；發(fā)電機在減速時減弱勵磁，減小加速面積。這樣，可實現(xiàn)發(fā)電機在平衡點附近運行的震蕩平息，此即為勵磁調節(jié)對動態(tài)穩(wěn)定的影響和作用原理。由此可見。自動勵磁調節(jié)裝置保持投入和良好狀態(tài)，是發(fā)電機在電網(wǎng)運行中保持和提高穩(wěn)定性的一個極為重要的措施。
