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1、华北电力大学（保定）硕士学位论文大型汽轮发电机进相运行状态特性分析与研究姓名：刘强申请学位级别：硕士专业：电力系统及其自动化指导教师：李永刚20071221华北电力大学硕士学位论文摘要摘要本文分析了不计及A V R 时的发电机静稳定极限；利用线性化状态方程，根据胡尔维茨判别法，深入推导了在计及A V R 时发电机的静稳定极限：分析了发电机的自动励磁调节器参数、端部发热和机端压降对进相深度的影响。在大唐张家口发电厂对#4 发电机做了进相运行现场试验，并对试验结果做了分析。在M a t L a b S i m u l i n k仿真环境下，利用S i m P o w e r S y s t e m
2、 s 工具箱建立了发电机的单机一无穷大系统模型，并对发电机由迟相运行逐步到进相运行的过程进行了仿真。利用三阶、五阶发电机的数学模型，建立了不同的动态系统仿真模型，通过仿真对不同精确发电机数学模型的静稳定极限做了比较。关键词：汽轮发电机，静态稳定极限，自动励磁调节器(A V R)，机端电压A B ST R A C TP a p e ra n a l y s e st h es t e a d y s t a t el i m i to ft u r b i n eg e n e r a t o rw i t h o u tA V R，a n dd e d u c e st h es t e a
3、d y s t a t el i m i to fs t e a mg e n e r a t o rw i t hA V Ri nd e t a i l，u s i n gl i n e a r i z e ds t a t ee q u a t i o n sa c c o r d i n gt oH u r w i t z sc r i t e r i o n P a p e ra n a l y s e st h ep a r a m e t e r so fA V R，e n d c o r eh e a t i n ga n dt e r m i n a lV o l t a g
4、eo fg e n e r a t o rt ot h ee f f e c to nt h ec a p a b i l i t yo fg e n e r a t o r sa b s o r b i n gt h er e a c t i V ep o w e r I td o e st h ee x p e r i m e n to nl e a d i n gp h a s eo p e r a t i n go fg e n e r a t o r4i nD a t a n gZ h a n 鲥i a k o up o w e rp l a n t，a n da n a l y s
5、 e st h et e s t i n gr e s u l t I ts e t su pt h es i m u l a t i V em o d e lo fo n e m a c h i n ei n f i n i t e b u ss y s t e mw i t hp o w e rs y s t e mt o o l b o xo ft h eS i m u l i n ki nM a t L a b6 5，a n ds i m u l a t e st h ep r o c e s so fg e n e r a t o rs t e p p i n gf l r o ml
6、 a g g i n gt ol e a d i n gp h a s eo p e r a t i o n U s i n gt h r e ea n df i V eo r d e rm a t h e m a t i c a lm o d e lo fg e n e r a t o r，i ts e t su pd i f 琵r e n td y n a m i c a ls y s t e ms i m u l a t i V em o d e l s，w h i c ha r ec o m p a r e dw i t ht h e i rs t e a d y s t a t el
7、 i m i tb ys i m u l a t i o n L i uQ i a n g(E l e c t r i cP o w e rS y s t e ma n di t sA u t o m a t i o n)D i r e c t e db yP r o f L i1 r 6 n g g a n gK E YW o R D S：t u r b i n eg e n e r a t o r s t e a d y s t a t eI i m i t，a u t o m a t i cV o l t a g er e g u l a t o r(A V R)，t e r m i n
8、 a lv o l t a g e华北电力大学硕士学位论文摘要摘要本文分析了不计及A V R 时的发电机静稳定极限；利用线性化状态方程，根据胡尔维茨判别法，深入推导了在计及A V R 时发电机的静稳定极限：分析了发电机的自动励磁调节器参数、端部发热和机端压降对进相深度的影响。在大唐张家口发电厂对#4 发电机做了进相运行现场试验，并对试验结果做了分析。在M a t L a b S i m u l i n k仿真环境下，利用S i m P o w e r S y s t e m s 工具箱建立了发电机的单机一无穷大系统模型，并对发电机由迟相运行逐步到进相运行的过程进行了仿真。利用三阶、五阶发电机的
9、数学模型，建立了不同的动态系统仿真模型，通过仿真对不同精确发电机数学模型的静稳定极限做了比较。关键词：汽轮发电机，静态稳定极限，自动励磁调节器(A V R)，机端电压A B S T R A C TP a p e ra n a l y s e st h es t e a d y s t a t el i m i to ft u r b i n eg e n e r a t o rw i t h o u tA V R，a n dd e d u c e st h es t e a d y s t a t el i m i to fs t e a mg e n e r a t o rw i t hA
10、V Ri nd e t a i l，u s i n gl i n e a r i z e ds t a t ee q u a t i o n sa c c o r d i n gt oH u r w i t z sc r i t e r i o n P a p e ra n a l y s e st h ep a r a m e t e r so fA V R，e n d c o r eh e a t i n ga n dt e r m i n a lV o l t a g eo fg e n e r a t o rt ot h ee f f e c to nt h ec a p a b i
11、l i t yo fg e n e r a t o r sa b s o r b i n gt h er e a c t i V ep o w e r I td o e st h ee x p e r i m e n to nl e a d i n gp h a s eo p e r a t i n go fg e n e r a t o r4i nD a t a n gZ h a n 鲥i a k o up o w e rp l a n t，a n da n a l y s e st h et e s t i n gr e s u l t I ts e t su pt h es i m u
12、l a t i V em o d e lo fo n e m a c h i n ei n f i n i t e-b u ss y s t e mw i t hp o w e rs y s t e mt o o l b o xo ft h eS i m u l i n ki nM a t L a b6 5，a n ds i m u l a t e st h ep r o c e s so fg e n e r a t o rs t e p p i n gf r o ml a g g i n gt ol e a d i n gp h a s eo p e r a t i o n U s i n
13、 gt h r e ea n df i V eo r d e rm a t h e m a t i c a lm o d e lo fg e n e r a t o r，i ts e t su pd i f 琵r e n td y n a m i c a ls y s t e ms i m u l a t i V em o d e l s，w h i c ha r ec o m p a r e dw i t ht h e i rs t e a d y s t a t el i m i tb ys i m u l a t i o n L i uQ i a n g(E l e c t r i cP
14、 o w e rS y s t e ma n di t sA u t o m a t i o n)D i r e c t e db yP r o f L i1 r 6 n g g a n gK E YW o R D S：t u r b i n eg e n e r a t o r s t e a d y s t a t eI i m i t，a u t o m a t i cV o l t a g er e g u l a t o r(A V R)，t e r m i n a lv o l t a g e声明尸州本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文大型汽轮发电机进相运行状态特性分析与研究，是
15、本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：赳氢日期：2 煎u 互!丑一关于学位论文使用授权的说明本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以
16、学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。(涉密的学位论文在解密后遵守此规定)作者签名：酗要么导师签名：日期：华北电力大学硕士学位论文1 1 课题的背景和意义1 1 1 发电机状态监测的研究意义第一章引言当前我国F 处在大电网大机组的发展时期，大型发电机在电力生产中处于绝对主力位置，同时大型发电机由于造价昂贵，结构复杂，一旦遭受损坏，需要的检修期长，因此要求有极高的运行可靠性。表卜1 列出了1 9 9 2 1 9 9 8 年我国1 0 0 M W 及以上发电机故障率的统计数据。从统计资料可以看出，由于对大型发电机组的制造、安装
17、、运行维护等缺乏经验，使得大型机组故障率较高。2 0 0 3 年全国共有1 0 0 M W 及以上发电机1 0 7 2 台，比2 0 0 2 年增加1 0 7 台。全年共发生发电机本体故障4 2 次，年故障率为3 9 1 次百台年。另外还有异常故障6 1 次和外部故障1 4 次。在4 2 次发电机本体故障类型中，相f 白J 故障有3 次，占本体故障总数的7 1 4；铁芯故障有1 2 次，占本体故障总数的2 8 5 7：内部引线故障有2 次，占本体故障总数的4 7 6；转子接地有8 次，占本体故障总数的1 9 0 5；定子接地有1 3 次，占本体故障总数的3 0 9 5：定子匝间短路有4次，占本
18、体故障总数的9 5 2。表卜11 9 9 2 1 9 9 8 年全国1 0 0 M W 及以上发电机故障率统计同步发电机是一个有机的整体，其故障往往并不直接表现为纯机械或纯电气故障，而是多因素多类型故障的耦合，可能存在故障的主从联系和同时发生。如机械故障会引发发电机绕组的机械振动、位移和绝缘磨损，产生电气故障；电机转子和定子绕组出现故障时气隙磁通发生畸变，电磁场分布不均匀，可能导致机械弯曲、松动、不平衡等机械故障等等，因此也需要在监测和诊断技术的采集数据的相关性、综合性上做考虑。大型发电机的状态监测与故障诊断是电工领域内一个重要的研究课题，最近几十年世界很多国家丌展了在线监测和诊断技术的研究，
19、并逐步推广应用。自上世纪华北电力人学硕士学位论文八十年代以来的国际大电网(C I G R E)历届年会中，发电机的故障检测和诊断列为S C l l(旋转电机)委员会的中心议题之一。通常对发电机的“监测”与“诊断”在内容上并无明确的划分界限，可以说监测的数据和结果即为诊断的依据。监测是利用各种传感器在电机运行时对电机的状态提取相关数据。故障诊断是使用计算机及其相应智能软件，根据传感器提供的信息，对故障进行分类、定位，确定故障的严重程度并提出处理意见。因此状态监测和故障诊断是一项工作的两个部分，前者是后者的基础，后者是前者的分析与综合。电机状态监测技术可帮助运行维护人员摆脱被动检修和不太理想的定期
20、检修的困境，按照设备内部实际的运行状况，合理的安排检修工作，实现所谓“预知”维修。这样既可避免由于设备突然损坏，停止运行带来的损失，又可充分发挥设备的作用。将来的发展方向是从传统的定期维修转变为预知维修。预知维修或状态维修是一种先进的现代化技术管理方式。它克服了定期维修带来的设备过修或失修的弊端，有效地提高了设备的运行可靠性。一般大、中型机组通常两年一次大修，大修通常l 2 个月，小修一年两次，通常几天。因此，发电机具备实施预知维修条件后，对延长发电机平均无故障时间、缩短平均修理时间、减少检修与维护费用将十分有利，有很可观的经济效益。合理地调节发电机的运行方式，并对大型机组进行在线监测与诊断，
21、做到早期预警以防止事故的发生或扩大具有重要的现实意义。1 1 2 发电机进相运行的必要性与状态监测的意义随着大机组、大容量的电厂并网运行和电力远送，输电线路绵延伸长，电网的电压等级相应提高。1 9 7 0 年以来，国内各电网普遍由1 1 0 K V 级的小电网发展成为全省或跨省的大电网，5 0 0 K V 级的变电站也相继投入运行。在一些电网中，当电力负荷处于低谷(例如节、假日、后夜)或枯水期水电厂机组停运时，在轻负荷的高压长线路和部分网络中，可能会出现由充电电流引起的运行电压升高甚至电压超上限的情况，并且有日趋严重之势，这不但破坏了电能质量、影响电网的经济运行，也威胁电气设备特别是磁通密度较
22、高的大型变压器的运行以及用电安全。因此，急需要有效的降压措施。适时将发电机进相运行和调相机欠励磁或无励磁运行，可以有效地降低电压，抑制和改善网络运行电压过高的状况瞳1。发电机进相运行的必要性集中在三个方面：一是电网的充电功率增多。迅速发展的电力工业和不断提高的电机制造技术，促进了陆续投产的发电机R 趋大型化；区域电力联网使电网不断扩大；为了满足远距离输送电能的要求，输电线路的电压等级不断提高；现代化的城市建设要求高电压、供电网络电缆化等等，形成了现代电力系统具有大机组、高电压、大电网的特点，相应地，电网充电功率也增多了。二是电网电压不合格情况严重。电网电压随负荷的变化而波动，当电力负荷处于低华
23、北电力人学硕十学位论文谷时，轻载线路或部分网络的容性无功功率可能超过用户的感性无功负荷和网络无功损耗之和。以致会因电容效应引起运行电压升高，甚至造成某些枢纽变电站的母线电压超过规定的上限值，给用户和电网运行都会造成严重危害。三是发电机无功功率调节的特点。系统电压调节与控制，是通过对中枢点电压的调节与控制来实现的，不同的电压中枢点应采用不同的调压方式。利用发电机进相运行对其中枢点调压，易于实现，运行操作方便、灵活，可以实现平滑无级调节电压的特点，且中枢点设备投资少，经济效益显著。大型汽轮发电机进相运行状态监测的研究，是对发电机进相运行时的工况进行分析；针对发电机的不安全的运行工况，为运行人员给予
24、提醒或警示，以便调整到合理的进相深度；可以避免因发电机长时间处于不安全的进相运行范围内运行，而进一步导致的发电机内部故障；可以提高电力系统运行的稳定性。发电机进相运行状态在线监测，可以做到早期预警以防止事故的发生或扩大具有重要的现实意义。1 2 发电机进相运行状态监测研究概况上个世纪5 0 年代初期，国外即丌始研究并实施发电机进相运行，较好地解决了电网电压质量问题。上个世纪6 0 年代木和7 0 年代初期，随着大机组的投入和电网的发展与运行需要，许多国家对发电机进相运行做了大量的有成效的试验研究工作。国外的一些电机制造厂的产品技术条件中，对发电机进相运行范围做出了明确的规定。文献 3 分析了发
25、电机的继电保护整定与发电机运行容量的关系，阐述了发电机静稳定极限与进相深度的协调性，并对电厂的发电机运行提出了实用性指导建议。文献 4 根据发电机的电压、频率以及具有低励限制励磁系统的动态关系，设计了具有低励限制的伏赫控制方案的发电机自动励磁控制器。文献 5 用基于磁密的发热模型，建立了同步发电机在欠励磁工况下，定子端部的发热模型。用最小二乘法确定了模型参数，推导了基于发电机的安全运行容量图上的定子端部发热极限边界。文献 6 与文献 7 对发电机进相运行在电力市场中的经济地位和作用做了经济、实用性分析，提出了发电机进相运行的经济性方案。我国对发电机的进相运行研究工作起始于上个世纪8 0 年代，
26、目前关于发电机安全进相运行的研究主要有以下四个方向：(1)发电机进相运行对电网调压的影响文献 8 介绍了宁夏电网3 3 0 k V 系统出现的高电压现象，分析了高电压形成的原因；对发电机组进相运行调压方法进行了论证；并根据宁夏电网的现状，提出了抑制高电压的建设性方案。文献 9 介绍了3 0 0、6 0 0 M W 大型汽轮发电机进相运行的限制因素及对电网电压的调整效果。阐述了大机组发电机进相运行可有效改善电网华北电力大学硕十学位论文无功潮流分布，提高电网供电质量的作用。建议电网调度部门可根据系统电压情况，通过实施发电机进相运行来调整电网电压。文献 1 0 、1 1 对发电机进相运行调压和经济性
27、运行做了比较分析，等等。(2)发电机进相运行深度的限制因素研究发电机进相运行受静稳定极限、定子端部发热、厂用电电压等诸多因素的限制。许多文献都对影响发电机进相运行深度的限制因素做了研究报道，尤其是关于发电机的静态稳定方面。静稳定极限关于发电机进相运行时的静态稳定极限研究主要有以下几方面：a)不计及A V R 时静态稳定极限角6 和静态稳定限制曲线的推导。b)计及A V R 时静态稳定极限角6 和静态稳定限制曲线的推导。文献 12 、13 分析和推导了在发电机接于无穷大电网运行时，不带A V R 时功角6 的极限值；以无穷大母线为基准时，通过对发电机进相运行时输出的电磁功率P 和6 的关系，来分
28、析发电机的静态稳定极限功角，分析得出6=9 0。为其静稳定极限值。文献 13 、1 4 以发电机端电压为基准，由发电机进相运行时的相量图得出有功P 和无功Q 的表达式，由它们的关系分析和推导了不计A V R 考虑外部电抗时的静稳定边界曲线。文献 15 、1 6 在计及A V R 时，由单机无穷大系统的动态方程组柬描述静态特性，通过状态方程的特征根，分析了计及A V R 时静态稳定限制曲线形状。文献 17 提出了一种发电机工况参数数学模型用以确定发电机进相运行能力，并将其应用到石景山热电厂发电机故障诊断专家系统之中，实现了发电机进相运行时的在线监测。文献 1 8 利用M a t L a b S
29、i m u lin k 电力系统工具箱对发电机进相运行进行了仿真，在不同的有功功率和不同的外部电抗下，对发电机进相运行的深度和运行的稳定性进行了分析。文献 1 9 提出了隐极同步发电机进相运行功角计算的新方法，将发电机转子电流引入到功角计算中，与常规的计算方法相比，具有相对精度较高、计算过程简单的特点。此外，还有如文献 2 0 、2 1 、2 2 等对发电机进相运行做了大量的试验和探讨。定子端部受热发电机进相运行时，限制发电机进相深度的另一因素就是发电机端部的发热。发电机运行时，定子端部铁芯、端部压板以及转子护环等部分，通过有相当大的端部漏磁。由于转子端部漏磁对定子有相对运动，所以在定子端部铁
30、芯齿部、压板等部件中感应涡流，引起磁滞损耗发热，从而引起发电机定子端部发热。定子端部发热是由端部漏磁引起的，所以对于定子端部发热的研究主要通过以下方法和方面来分析：4华北电力火学硕+学位论文a)在定子电压和电流不变的条件下，端部磁密随功率因数角够变化的情况b)对于够已知的情况下进行端部磁场理论值的计算文献 2 3 以发电机定子端部物理模型示意图，通过麦克斯韦电磁场方程，运用有限元计算方法对方程进行求解，对端部磁场进行理论分析和理论值计算，探索出一些规律性的东西，得出了汽轮机的端部最高温升往往出现在压圈上，而水轮机则出现在边段铁芯的齿顶上。文献 2 4 还对发电机进相运行时最高温升进行了推算。文
31、献 2 5 利用曲线拟合的方法，得到发电机进相运行的P Q 及发电机定子端部温升的拟合曲线及拟合公式，并从拟合误差数据判断拟合的效果，对发电机进相运行具有一定的指导意义。厂用电电压发电厂厂用电系统引自发电机出口，进相运行时，随着发电机励磁电流的降低，发电机无功功率的倒流，发电机出口处的厂用电电压也要降低。试验证明，厂用电电压是影响发电机进相深度的最大因素，特别是在低负荷下，机端电压下降很快。根据厂用电设备的运行要求，厂用电电压一般不能低于额定值的9 5，否则会影响机组的安全运行，对一些设计裕度很小的厂用辅机，电压下降后，会明显出现过负荷情况。大多数文献都是通过试验的方法，来检验发电机进相运行时
32、厂用电电压下降的情况。通常发电厂采用调整厂用变压器的分接头或必要时倒换到厂用电高备变(带有载调压装置)的方法，来保证厂用电系统的供电电压负荷的运行要求。文献 1 2 对发电机进相运行出现的问题提供了一些建议和解决办法。(3)发电机进相运行对变压器保护的影响文献 2 6 介绍了影响大型隐极发电机进相运行深度的因素，分析了进相运行时电压变化对静稳定边界、失磁阻抗圆的影响，提出了进相时欠励限制整定与失磁保护整定的配合原则，并通过分析现场实例给出工程应用的指导建议。文献 2 7 针对发电机的进相运行与继电保护的配合做了详细的阐述。文献 2 8 对发电机、变压器保护从原理上进行了分析，指出了可能受发电机
33、运行影响的变压器保护类型，并结合进相实验的数据，分析了发电机进相运行对发电机、变压器保护的影响。(4)与发电机进相运行相关的在线监测仪器的研制和试验随着发电机组的运行由迟相转为进相，发电机本体的端部温度，发电机的厂用母线电压，发电机相对于系统的稳定性等都会发生变化。这些因素相互作用，并依据发电机与系统的实时工况，而影响发电机进相运行时的安全性。而常规的电量监测都是静态的，无法对发电机的运行情况做合理，正确的评估，也就不能确保发电机进相运行时的安全性。文献 2 9 所研究的汽轮机进相运行时安全监测系统的研制，就是满足上述要求而研制的。文献 3 0 则是设计了发电机进相监控器，它不仅S华北电力入学
34、硕士学位论文测量显示全方位发电机功角，无功功率和功率因数的大小而且可以按离线计算与试验数据所拟合的发电机P Q 曲线控制发电机进相深度，以保证发电机安全进相运行。文献 3 1 等对发电机的励磁系统对发电机进相深度的影响做了试验分析。1 3 本文的工作本文主要工作是对大型汽轮发电机进相运行的工况进行分析，研究影响发电机进相运行深度的限制因素。从理论上研究推导基于P Q 运行容量图上，发电机进相运行时的安全运行域，并在M a t L a b S i m u l i n k 仿真环境下对发电机的进相运行过程进行仿真分析。具体工作内容分为以下几个方面：(1)从理论上分析发电机计及A V R 时的静稳定
35、极限，研究基于发电机的P Q运行容量图上的静态稳定极限边界；(2)分析发电机励磁调节系统对发电机静稳定极限边界的影响：(3)分析发电机的进相深度对端部发热的影响；(4)分析发电机的进相深度对机端电压的影响；(5)在M a t L a b S i m u li n k 仿真环境下，对发电机的进相运行过程仿真。6华北电力人学硕士学位论文第二章发电机进相运行的理论分析2 1 发电机进相运行的基本原理分析发电机经常的运行工况是迟相运行，此时定子电流滞后于端电压，发电机处于过励磁运行状态。进相运行是相对于发电机迟相运行而言的，此时定子电流超前于端电压，发电机处于欠励磁运行状态。发电机迟相运行时，供给系统
36、有功功率和感性无功功率，其有功功率表和无功功率表均指示为J 下值；而进相运行时供给系统有功功率和容性无功功率，其有功功率表指示为正值，无功功率表指示为负值，此时发电机从系统吸收感性无功功率。发电机进相运行时各电气参数仍然是对称的，并且发电机仍然保持同步转速，因而是属于发电机正常运行方式中功率因数变动时的一种运行工况，只是拓宽了发电机通常的运行范围。因此，在允许的进相运行范围内，只要电网需要，发电机是可以长时间进相运行的。如图2 1 所示，分别为隐极发电机迟相与进相运行时的相量图。(a)迟相运行时(b)进相运行时图2 1 隐极发电机的迟相与进相比较发电机直接与无穷大容量电网并联运行时，保持其有功
37、功率恒定，调节励磁电流可以实现这两种运行状态的相互转换。其基本电气参数相量关系的变化在图2 2中所示。在图2 2 中，发电机并入电网带有功功率只值迟相运行，此时其电势相量三角形为4 D C，功角为匹，功率因数角为仍滞后，发电机输出感性无功功率Q l。线段B C 表示Q 1 O，彳，B 表示只值。保持该机只值恒定而调节其励磁电流时，鼠末端变化的轨迹为一条与电压D相平行且保持等距离为4 B 的直线。因为有功电流，c o s 仍不变，定子电流j，末端变化的轨迹是一条垂直于电压矽的水平线(虚线厶三，)。逐渐降低迟相运行发电机的励华北电力人学硕十学位论文磁电流，其励磁电势随之降低。当励磁电势降至应。，时
38、，功角增至瓦，功率因数提高到c o s 仍=l，定子电流则随其无功分量的减少而降至最小值，。此时该机仅带有功功率运行，无功功率为零。继续降低发电机的励磁电流，该机定子电流又丌始增大。例如，当励磁电势降至或，时，功角增大到蠡，定子电流增至丘，但其性质发生变化。此时厶超前于端电压矽，该机无功功率表的指示反向而成为负值，即g o，发电机进相运行。对上述进相运行的发电机再降低励磁电流，则励磁电势更降低，至瓦时功角万9 0 0，定子电流增大到J。，发电机即处于静稳定临界状念。此时运行参数稍有波动，极易引起该发电机失步。相反，若对进相运行的发电机逐渐增加励磁电流，该机运行状态可在经过c o s 够=l 后
39、转入迟相运行，直至额定功率因数运行。实际上，并入电网的发电机是通过变压器、线路与电网相联的。计及发电机与电网的联系电抗X。时，发电机进相运行的相量关系如图2 3 所示。此时发电机的功角为6，发电机电势与电网电压相量之间的夹角为万一乞垡曼旦竺鱼三o 一一刁”jj i 囊。|i、x I1j图2 2 调节发电机励磁电流时其运行图2 3 计及X。时发电机状态的改变(U=常数，P：常数)进相运行相量图2 2 发电机不带A V R 时的静态稳定理论分析电力系统静态稳定是指电力系统受到小干扰后，不发生自发振荡或非周期性失步，自动恢复到初始运行状态的能力。当发电机的输入功率受到一些微小的扰动，发生瞬时的增大或
40、减小时，发电机能在瞬时扰动后很快恢复原来平衡运行状态，这称为发电机的静态稳定。反之，称为静态不稳定。由于电力用户中的用电情况随时在变化，负荷中有些转动机械在运行中本身也会有些微小的扰动，造成电力负荷也随之波动。这对发电机而言，几乎能够立即适应负荷的变化；但对原动机来说，由于受调速机构灵敏度的限制和时滞等，却不能立即适应负荷的变化。另一方面，原动机的功率也会由于水或蒸汽参数(如水头、蒸汽温度、压力、流量等)的波动而变化。这些都会破坏发电机和原动机之间的功8华北电力大学硕十学位论文率平衡，造成正常运行的发电机受到很小的扰动。此时发电机应能够承受这种扰动，迅速恢复同步稳定运行，这是电力系统维持F 常
41、生产的基本条件。发电机的静稳定通常用发电机功角特性来分析，根据功角特性曲线说明功率不平衡引起的功角移动过程来分析发电机运行稳定性变化的过程。设原动机输入的功率为只，在发电机的功角特性曲线上，对应于只可能有两个平衡点a 和b(见图2 4)，其对应的功角为瓦、瓯。但实际上在a 点才能实现稳定运行。因为在a 点运行时，若负荷波动引起有功功率有微量的减少，发电机的转速则加快，功角将变为瓦+皖=咒，发电机的功率随之增加配，其工作点波动到点口。但此时气门的开度未变，原动机输入的功率并没有因6 角变化而改变。因此，功角虽有微小的变化，输入功率仍保持在只值。发电机有功负荷减少的结果，破坏了发电机与原动机之间的
42、转矩平衡，并且发电机的电磁转矩超过了原动机输入的转矩，剩余转矩埘 O，则使发电机转速加快，使功角6 向增大的方向移动，最后发电机也回到a 点运行，因此a 点是实现发电机稳定运行的点。而b 点则不同，当功角增加瓯时却带来发电机的功率减少。由此出现的剩余转矩促使转子加速，6 角加大，又使输出功率减少，制动转矩再减小，致使发电机无法达到功率平衡状态。转速加快的结果，造成发电机失去同步，所以b 点是不能稳定运行的点，实践中也不可能存在这种运行状态。图2 4 用功角特性曲线分析发电机静稳定2 2 1 发电机的静稳判据与过载能力由上面分析可知，发电机能否保持同步运行的能力，决定于发电机离丌同步速度时，由于
43、6 角变化所引起的电磁功率增量对转子的作用。当外界扰动造成发9华北电力人学硕十学位论文电机的功角增大时，电磁功率增量蝇 O；功角减小时，电磁功率增量啦，0 表明有整步能力，能稳定运行，对应的稳定运行区为0。万9 0。6 角愈小，P 的数值越大，发电机的稳定性越好。只=O 对应于6=9 0。时达到静稳定功率极限匕。此时在P Q 功率平面图上，发电机的静态稳定极限边界是一条直线，直线的方程为Q=一U。|Xdo为了安全可靠，极限功率只。要比额定功率匕大一定的倍数，即发电机的额定运行点都远低于稳定极限，以保持有足够的静稳定储备。只。和己之比称为静过载能力K。，即：牛每=等等如瓯=壶2 一般要求B 1
44、7，也可以说发电机带额定有功负荷运行时静态稳定储备应在7 0 以上，因此额定功角瓯一般在3 0。左右。2 2 2 外部电抗对发电机静稳定的影响研究发电机的静态稳定极限通常采用单机一无穷大模型，如图2 5 所示。图2 5为隐极发电机单机无穷大系统的系统结构图、阻抗图和向量图。对于一些边远水电站或区域火电厂的发电机并入电网后，电网电压U。，视为恒定，发电机端电压随负荷电流而变化的，发电机输出的有功功率为：P，r尸=兰比s i n 艿，(2 3)爿d+爿琢“式中：E。为发电机的励磁电势；玑，为电网电压，可视为恒定：义J 为发电机的同步电抗；瓦为发电机的外部电抗，即机端到无穷大系统电源之间的电抗；坑为
45、发电机的励磁电势与电网电压之间的夹角。由式(2 3)看出，对于一个给定的励磁电势磊，当存在外部电抗时，发电机的功率极限值降低。并且由于万。是发电机电势与电网电压相量之间的夹角，它将随X，。的增加而增大，故X：。增加会降低发电机的静稳定储备。l n华北电力火学硕士学位论文E t0Eo A：H i(a)单机一无穷大系统结构图哝以以(b)单机对无穷大系统阻抗图(c)单机无穷大系统相量图图2 5 汽轮发电机单机一无穷大系统模型此时，由于联系电抗咒=辑城不为O，在P Q 功率平面图上的静态稳定限制线，不再是一条直线而是一段圆弧，其静稳定极限用如下方程表示：户2+Q 一譬(忐一古 2=譬(忐+击 2c 2
46、 4，式中：U。为发电机的端电压，X h 为发电机外部电抗，是变压器和线路的电抗之和。从式(2 4)可以看出：外部阻抗为X 班时，发电机进相运行静态稳定极限曲线在P Q 图上是一个圆心在Q 轴的J 下方向上，圆心到原点的距离为堡，一j 一，半2L X 厶扎径为堡f，上+上 的一个圆，如图2 6 所示。PJ。，p 少(只Q)簇蚓、1、一一图2 6 不带励磁调节器的隐机发电机静稳定边界曲线华北电力大学硕十学位论文2 3 发电机带A V R 时发电机的静态稳定分析现代同步发电机的励磁系统，不仅供给主机必须的励磁电流，以维持发电机的端电压给定水平，更主要的作用是用以提高和改善发电机运行的稳定性。大型同
47、步发电机对励磁功率的要求增大，主要采用交流励磁机整流器式及自励和自复励全静止式励磁系统。采用各种型式和性能不同的自动励磁调节装置，可以实现保持发电机的暂态电势恒定，或保持发电机端电压恒定，以至实现发电机升压变压器高压母线电压或受端母线电压恒定，从而显著地提高发电机的静稳定运行能力。2 3 1 用E 恒定模型分析发电机静稳定性发电机在带有A V R 时，发电机的功角特性跟不带A V R 时相比略有不同。主要是因为发电机在带有A V R 后，发电机的励磁电流，r 不再保持发电机的色不变，而是保持发电机的E 不变。由图2 5 汽轮发电机单机一无穷大系统的模型与相量图可知，将联系电抗X 厶并入隐极发电
48、机的电抗，此时电动势、电压与电流的关系为：jE2+厶(2 _ 5)Io=一带A V R 后，隐极发电机的电磁功率与功角的关系、无功功率与功角的关系分别为：=L 蝴=笔s i n 万一譬磴s n2 万陆6，Q=笔c。s 6 一譬(忐一忐 c 0 S 2 6 一譬(忐+忐c 2 州将式(2 6)求导，得到发电机的整步功率为：e：冬：掣c 耐一弊u 2c。s 2 万(2 _ 8)td 6X kX k X 也在P=O 时，发电机达到静态稳定极限，达到最大输出功率己。；在只 0 时，发电机保持静态稳定；在只 9 0。的一定范围内，发电机的功率随功角6 的增大仍具有上升的性质，故能满足静稳定判据只 0 的
49、条件。这是因为磊增加而提高静稳定的作用，超过了功角6 增大使稳定能力下降的作用。由此获得相应扩大了的稳定区称为人工稳定区，其扩大了发电机静稳定运行的范围。发电机在采用无失灵区的A V R 后，在近似的简化分析中，可以将以电压偏差调节的励磁调节系统简化为一个等值的一阶惯性环节，其以偏差量表示的小扰动方程如下：一南2 哆(2 _ 1 4)负号表示端电压下降时励磁电压增加，式(2 一1 4)可改写为：一巧u g=(1+t p)u，(2 一1 5)式中K 矿和疋为励磁系统的等值放大倍数和时间常数。由于励磁电压和强制空载电动势毛。为线性关系，即u，x 耐尺，=毛。在标么制中若取它们的基准值满足此比例关系
50、，则U，和E 删的标么值相等。于是将上式(2 1 5)可改写为：一K 矿=(1+Z p)乞。(2 一1 6)实际上，计及A V R 及发电机转子回路的电磁暂态过程，发电机的电动势不可能维持常数。发电机的励磁绕组的电势方程为：=髟0+汐，(2 17)将式(2 一1 7)两侧乘以L R，得：等圹+鲁专吻(2 _ 1 8)式(2 1 8)中等号左侧u，L 彤，对应于励磁电压u，作用下励磁电流强制分量V 厂尽厂产生的空载电势，一般称为强制电动势E 俨。等号右侧第一项i，对应于励磁电流i，的空载电动势&。第二项的乘数x，尽，就是励磁绕组本身的时I、日J 常数(定子绕组开路的情况下)巧。第二项中的y，x