1、同步發電機無功功率的調整與電力系統的穩定度1、引言某造紙有限公司自備電廠2×6MW發電機組是本公司正常穩定生產的主要能源供應設備。2005年8月投入運行，運行狀況良好。進入2008年度，隨著公司用電負荷的不斷增加，兩個造紙分廠部分設備的漸漸老化，使其用電設備的無功損耗進一步加大，10kv系統電壓經常在規范下線運行，有幾次因系統電壓低于規范要求致使主要生產設備愛護動作掉閘，影響了公司的正常生產。2、緣由自備電廠發電機組輸出的無功功率不能夠準時滿足負載對無功功率的需求，致使公司10kv電力系統電壓低下，即輸出電能的質量已變劣是造成主要生產設備愛護動作掉閘的根本緣由。我們知道，電力系統輸出

2、電能質量的優劣是衡定電力系統穩定度的重要條件，而電能質量的優劣主要體現在能否維持系統電壓的正常水平。3、同步發電機無功功率的調整原理及緣由分析實踐可知，在電力系統的總負載中，既要求供應有功功率，又要求供應無功功率。電力系統的主要動力負載是功率因數較低的三相異步電動機，假如發電機發出的無功功率不能滿足電力系統（也就是負載）對無功功率的要求，就會引起整個系統的電壓下降，這時電力系統輸出的電能質量漸漸變劣，這不僅對負載的工作不利，而且直接威逼整個電力系統的穩定運行。因此，發電機與電力系統并列運行以后，如何調整發電機輸出的無功功率？尤為重要。首先，我們分析發電機與電力系統并列后空載運行的狀況。空載運行

3、時，發電機中沒有電樞反應，空載電動勢和系統電壓相等，定子繞組中無電流，這時的勵磁電流為正常勵磁電流；當增大勵磁電流時，空載電動勢增大，由于系統電壓不能轉變，定子繞組消滅電壓差，這個電壓差使定子產生電流，這個電流在相位上要滯后于電壓差 90°，同時也滯后于系統電壓，就是說此時發電機向電力系統輸出了電感性無功功率，這種狀態為過勵狀態（勵磁電流超過正常勵磁的電流）；當調整勵磁電流使它小于正常勵磁時，空載電動勢小于系統電壓，定子繞組又消滅一個電壓差，該電壓差使定子產生電流，而這個電流在相位上比系統電壓越前90°，此時發電機向電力系統輸出了電容性無功功率，這種狀態為欠勵狀態。由此可見

4、，當發電機空載時，假如不轉變原動機（汽輪機或水輪機）的功率而只調整勵磁電流，發電機的功率角并不轉變，所以不能轉變發電機輸出的有功功率，只轉變輸出的無功功率。其次，我們分析發電機與電力系統并列后帶有負載時運行的狀況。我們知道，發電機的輸出功率（Pem）由它的功角特性打算，即： Pem=3E0Usin/Xd （E0為空載電動勢，U為電力系統電壓，為功率角，Xd為發電機電樞反應電抗）功率極限值（Pmax）是： Pmax=3E0U/Xd當發電機與電力系統并列運行時，電力系統電壓（U）、發電機電樞反應電抗（Xd）都是常數，轉變勵磁電流的大小，將使空載電動勢（E0）發生變化。因此，當增加勵磁電流使空載電動

5、勢（E0）增大時，功率極限值（Pmax）就要增大，當減小勵磁電流使空載電動勢（E0）減小時，功率極限值（Pmax）也要減小。圖1所示就是不同勵磁電流時發PemP0abcde123Pmax2Pmax1Pmax3電機的功角特性曲線，曲線1代表正常勵磁狀況，曲線2代表過勵狀況，曲線3代表欠勵狀況，可以看出，它們雖然都是正弦曲線，但是具有不同的最大值。我們假設，在正常勵磁狀況下，發電機的功率因數cos=1，即發電機的定子電流?a與端（電力系統）電壓同相位，不輸出無功功率。從發電機的簡化相量圖（圖2（a）可知，定子繞組的同步電抗壓降=j?aXd，比?a越前90°，E0U；這是發電機在功角特性（

6、見圖1）曲線1的a點運行，對應的功率角為1，輸出的有功功率為P=3UIaCOS=3UIa，輸出的無功功率為零。當增大勵磁電流時，空載電動勢由E0增大到E0（見圖2（b），此時功角特性是（見圖1）曲線2，在剛剛增大勵磁電流時，由于貫性功率角1還來不及轉變，工作點由（圖1）曲線1上的a點移到曲線2上的b點，由于原動機（汽輪機或水輪機）的輸入功率并沒有0?a10?a203?a(a)正常勵磁狀態，無功輸出為零。 (b)過勵狀態，輸出感性無功功率。 (c)欠勵狀態，輸出容性無功功率。轉變，因此發電機的電磁功率大于輸入功率，即電磁反轉矩比托動轉矩大，轉子開頭減速，功率角減小。當功率和轉矩達到平衡時，工作點

7、回到c點（見圖1曲線2），功率角是2。從相量圖（圖2（b）可以看出，空載電動勢E0E0，功率角21，電壓差與相位差不再是90°，因此由所產生的定子電流?a（?a比滯后90°）不再和同相位，而是比滯后角，即發電機的功率因數COS1。由于原動機輸出的有功功率沒有轉變，但同時還輸出了感性的無功功率，這種狀態為發電機的過勵狀態。假如減小勵磁電流，則發電機的空載電動勢減小，功角特性見圖1中的曲線3，新工作點為e點，此時E0E0，功率角31，從相量圖（圖2（c）可以看出，電流?a比端電壓越前一個角，說明發電機在輸出有功功率（由于原動機功率不變，發電機輸出的有功功率并不轉變）的同時，還輸

8、出了容性的無功功率，這種狀態為欠勵狀態。綜上分析可知，不轉變原動機的功率而只調整發電機的勵磁電流時，輸出的有功功率不能轉變，而無功功率則可以受到調整。在過勵狀態下，勵磁電流愈大，發電機輸出的感性無功功率愈大；在欠勵狀態下，勵磁電流愈小，發電機輸出的容性無功功率愈大。所以，調整發電機的勵磁電流就可以調整發電機的無功功率。結合發電機功角特性曲線上可進一步看出，勵磁電流增加以后，發電機的功率極限值也跟著增大，致使發電機的靜態穩定度也隨著提高，從而使電力系統的穩定度有所提高，即維持電力系統正常電壓的力量將有所提高。由于同步發電機的額定功率因數一般為0.8或0.85（滯后），即在一般狀況下，發電機都是在

9、過勵狀態下運行，輸出的是電感性無功功率。而作為電力系統的主要負載大部分是感性負載，在運行中會消耗大量電感性無功功率，致使系統電壓降低。為此，各電廠電氣運行人員應親密監視電力系統的運行狀況，依據發電機運行規程準時調整運行中發電機的輸出（電感性）無功功率，滿足系統負載對無功功率的需求，以便維持電力系統電壓正常運行。4、實行的措施 通過以上探討可知，為提高電力系統的穩定度，需實行以下措施：a) 自備電廠電氣運行人員要親密監視公司10kv系統電壓的運行狀況，運用以上調整原理準時調整發電機輸出的（電感性）無功功率，進而滿足系統負載對無功功率的需求。b) 自備電廠2×6MW發電機組運行中的功率因

10、數應調整在0.80.9之間，必要（系統電壓低下）時可以調在0.8以下運行，但須時刻監視勵磁電流的大小，不允許超過勵磁裝置及發電機轉子的電流規范要求。c) 造紙分廠在啟動100kw以上電機時，要預先通知自備電廠當值值長或電氣班長，自備電廠電氣人員接到通知后，在調整運行中發電機輸出有功功率的同時，還必需準時調整運行中發電機輸出的（電感性）無功功率，滿足負載對感性無功的需求，確保公司10kv系統電壓正常穩定運行。d) 對造紙分廠部分老化設備要逐步進行改造或更換。對一些無功損耗大或功率因數較低的設備電源線路上加裝無功補償裝置，提高其功率因數。5、結束語通過實施，公司10kv電力系統電壓始終保持在10.

11、110.5kv之間，公司全部生產用電設備都能夠正常運行。因系統電壓低下而愛護動作掉閘的現象已不再發生，公司的生產狀況很好。總之，在現代電力系統中，調整發電機勵磁的作用不僅是為了調整無功功率，而且還是提高電力系統穩定度的有效手段之一。同步發電機無功功率的調整是全部電廠保障和提高電力系統穩定度的重要運行方式，也是電廠電氣運行人員保證電力生產平安、經濟運行的必修課題。發電機無功功率的手、自動調整  2009-08-26 05:33:26|  分類： 默認分類 |  標簽： |字號大中小 訂閱 一、問題的提出  

12、        電機學一書中具體闡述了調整發電機有功功率和無功功率時兩者之間的相互影響，最終得出一個眾所周知的結論，即調整無功時，有功不變，調整有功時，無功反方向變化。但是，在實際生產過程中，絕大多數機組，在沒有人為干預的狀況下，調整有功時，無功功率基本不會消滅電機學理論中所描述的那種規律發生反方向變化的，當然不排解稍微反方向變化以及無功不變的現象消滅，但是大多數狀況下兩者是同方向變化的，即增加有功，無功也增加，削減有功，無功也削減。這種現象引起了不少疑問，在此便具體分析一下實際生產過程中，機組的無功功率到底是如何隨著有功功

13、率變化的，為什么會消滅與理論書中結論相反的狀況。二、無功變化的理論分析         （一）純電機角度的分析      1.   利用電樞反應的原理進行分析：假如忽視勵磁調整器的話，在電機學的同步電機電樞反應章節中有提到，增加無功，有功不變，增加有功，無功變小。這是由于，勵磁假如是恒定不變的，那么在增加有功的時候，勵磁用于交軸電樞反應的部分就多了，由于有功功率是靠電機的交軸電樞反應來實現的，那么用于直軸電樞反應的部分就少了，而無功功率正是由直軸電樞反應來實現的，這

14、樣加有功的時候無功就會降低，當然電壓也就會適當降低。等于是固定不變就那么多的勵磁電流，要么用作交軸反應來實現有功，要么就用作直軸反應來實現無功，在加有功時，交軸電樞反應用的勵磁多了，那么勵磁分給直軸電樞反應來實現無功的部分就少了。所以由于電樞反應，增加有功功率會產生去磁作用，最終導致發電機欠磁，無功功率降低，電壓降低。      2.   利用發電機功角變化來進行分析：前提同樣是勵磁保持恒定，發電機能否送出無功以及送出無功的多少與電壓差U有關，這個電壓差U是指發電機的電動勢E0和端電壓UN的同相部分的電壓差，留意是同相部分的電壓差，具

15、體可參照電機學中的同步發電機遲相運行時的相量圖，相量圖是以發電機端電壓UN為一個參考相量，即NU為一個垂直向上的箭頭，其保持固定不動。電動勢E0在UN箭頭的逆時針側，且為一個長度大于UN的箭頭，兩者之間形成一個夾角即發電機功角。所謂同相部分的電壓差，就是指把E0箭頭向參考量UN或者說是垂直軸上的一個投影，這個投影的長度比UN箭頭要長，E0箭頭在垂直軸上的投影長度減去UN箭頭的長度即為兩者同相部分的電壓差U，只有這個電壓差才會產生無功電流，并且是電壓差U越大，發電機輸出的無功功率就越大，假如電壓差U變小，則發電機輸出的無功功率就減小。又依據發電機功角特性可知，當發電機送出有功功率時，電動勢E0就

16、與端電壓UN錯開一個角即發電機功角，當有功越大時，角越大，此時可以想象E0又往逆時針的方向轉了一個更大的角度，那么它在垂直軸上的投影高度就更短了，所以用它減去UN所得到的無功電壓差U就變小了，因而無功自動減小，當然電壓也就會適當降低。反之，當有功減小時，功角也隨之減小，無功會自動增加，電壓也會適當上升。     總之，無論從純電機的任何一個方面去推論，前提只要勵磁電流是恒定不變的，也就是忽視勵磁調整器的作用，有功增加時，發電機無功出力就會自動減小，在外界無功用戶不變的狀況下，則會消滅無功缺額，發電機電壓會消滅下降現象，直到外界用戶在電壓下降時所耗無功自動減小重新與

17、發電機無功出力達到平衡，電壓則會下降到一個新的平衡點穩定運行。反之有功削減時，無功出力會自動增加，在外界無功用戶不變的狀況下，則會消滅無功過剩，發電機電壓會消滅上升現象，直到外界用戶在電壓上升時所耗無功自動增加重新與發電機無功出力達到平衡，電壓則會上升到一個新的平衡點穩定運行。     （二）考慮勵磁調整器的影響分析  1.   從機組本身的因素分析調整器的影響： 從純電機的角度分析完，可以得出一個結論，當發電機勵磁恒定時，增加發電機有功，則會使無功功率自動削減，最終發電機電壓會適當降低，或者從另外一個新

18、的角度來分析，當發電機有功增大時，發電機定子電流也增大，那么發電機定子繞組的阻抗壓降就會增大，最終還是引起了發電機機端電壓降低。      自動勵磁調整器（在此只考慮調整器在自動通道恒電壓方式下）是以發電機端電壓作為被調量的，也就是說勵磁調整器的作用就是要維持機端電壓不變，所以由上面分析可知，在機組穩定運行，勵磁不變的時候，假如增加有功功率則會使發電機的端電壓適當降低，那么此時考慮到勵磁調整器的存在，當發電機端電壓降低，則會使勵磁調整器自動增加勵磁來維持機端電壓。所以正是由于該調整作用，使得發電機在有功增加時，無功會基本維持不增不減。當然由于純

19、電機角度的分析因素的作用一般也會呈現略微削減的趨勢，但是有時也會略微上升。總之調整器的特性參數不同及外部變工況，所以不是一個固定的規律。但基本上是可以維持有功增加時無功不變的，至少不行能會消滅純電機角度分析結論那種明顯規律的反向變化。 由于發電機勵磁調整器的存在，當發電機有功增加時，無功不會消滅純電機角度所分析的那樣明顯削減。當然勵磁調整器特性是不完全一樣的，但即使勵磁調整器調整作用不足以抵消增加有功所帶來的去磁作用，也確定能夠抵消絕大部分去磁作用了，所以最多會有一個稍微的無功削減趨勢。當然假如勵磁調整器調整作用大于增加有功所帶來的去磁作用，那么不僅此時可以完全彌補有功增加所帶來的去

20、磁影響，甚至無功還會有增加的趨勢。可見，由于調整器本身特性的差異，可能會消滅不同的結果。不過無論結果怎樣，從根本上講，由于調整器本身是用來維持機端電壓的，所以調整器在發電機增加有功時會自動增加勵磁，那還是由于發電機端電壓在受到有功增加的去磁影響后而降低了，這時調整器增加勵磁只是為了恢復正常的電壓，也就是說僅僅是為了彌補增加有功消滅的勵磁缺額，所以發電機此時增加的勵磁基本上全部都用在了有功功率的增加上，最終使發電機在有功功率增加后也不消滅欠磁，從而維持端電壓不變。 發電機在有功增加時會使端電壓降低，由于勵磁調整器會自動增磁維持發電機端電壓，正是由于此時調整器自動增磁，則不會消滅有功增加

21、，無功明顯削減的現象。當然，這時也會有一個新的問題，就是眾所周知增加勵磁時發電機無功功率會自動增加，那么在增加有功時，勵磁也是在自動并且大量增加的，那么無功此時會大量增加嗎？這里可以解釋一下，電機學的發電機無功功率調整章節中分析調整勵磁轉變無功的前提是發電機輸出有功不變，也就是說增加勵磁無功增加的前提是發電機其它條件基本不變的，至少發電機有功是不變的，那么增加的勵磁便全部用在了上升電壓增大無功上，所以才會有了增加勵磁，無功增加的結論。但是在增加有功的狀況下大量增加勵磁，發電機仍舊只是為了維持著機端電壓不降低，發電機的端電壓只要不變，則說明無功功率的供需是基本平衡的，那么此時認為外界無功用戶是基

22、本不變的，發電機此時的無功出力也不會有什么大的變化。最終這種狀況下增加的勵磁主要還是用在了增加的有功上，對無功影響不大，所以這里在增加勵磁時，無功是不會明顯增加的。總之，在忽視了調整器特性差別后，我們假設外界條件不變的狀況下，可以得出的結論為，調整有功功率時，勵磁調整器只能夠基本維持無功不變。也不排解稍微增加或者稍微削減的狀況，但可以確定不會明顯增加或者明顯削減。當然實際狀況中要考慮到大量外部因素，無功可能會因外界其它因素而明顯變化，下面便具體分析。      2.   從機組以外的因素分析調整器的影響：（1）外界系統運行方式的變化：

23、比如投切線路的電容效應和投切電抗器等元件都會使整個系統的無功電源及無功用戶狀況發生變化，最終機組無功功率也會發生不確定的變化。（2）外界機組出力的變化：同一電網的其它機組加減出力的同時也會影響其無功出力，以及機組的啟停，均會導致電網無功的不平衡，系統電壓變動，最終也會使機組無功功率發生不確定的變化。（3）考慮系統功率傳輸機理：傳輸有功功率需要無功功率的支撐，所以調整有功時，比如增大有功，此時要在恒定電壓下輸走更多的有功，那么需要支撐的無功也就更多，假如無功支撐不足，則會引起電壓下降，最終也會導致勵磁調整器自動增加勵磁，具體我們可以對輸電系統中的兩大元件即輸電線路和變壓器進行開放分析。依據輸電線

24、路自然功率的概念可知，輸電線路既由于其電容效應能夠發出無功，也由于其存在串聯阻抗在輸電過程中電流流過線路的串聯阻抗又要消耗無功，所以有功越大，線路的電流越大，消耗的無功就越大，特殊是輸電功率高于自然功率時，線路自身的電容效應所產生的無功已不足以供線路自身所耗無功了，線路則要從系統吸取無功了。依據變壓器自身無功損耗公式可知，變壓器傳輸有功的過程中，會消耗大量無功，傳輸的有功越大，消耗的無功就越大，當變壓器傳輸有功功率達到滿載時，其自身消耗的無功可達變壓器額定容量的10%15%。由上述分析可見，當系統中無功出力與無功用戶平衡，電壓不變的時候，此時若機組增加有功，則會直接導致輸電系統傳輸的有功功率增大，電流增大，那么系統自身在傳輸有功時消耗的無功也自然增大，所以無功出力與無功用戶不再平衡，無功出力已經不能滿足無功用戶的需要，也就是說消滅了無功缺額從而引起電壓下降，最終勵磁調整器會自動增加勵磁來提高機組無功出力使其重新與無功用戶達到平衡，維持機端電壓。此外在電力系統分析中，考慮了系統靜態穩定性，也要在有功