并網同步發(fā)電機有功、無功動因及調節(jié)策略

/王曉東/

0 引言

同步發(fā)電機以其結構簡單、運行可靠、發(fā)電效率高、制造維護成本低等的高性價比成為現(xiàn)代電力工業(yè)發(fā)電設備的首選，無論火力發(fā)電、水力發(fā)電還是原子能發(fā)電幾乎全部采用同步發(fā)電機，而隨著電力電子技術的發(fā)展，同步發(fā)電機也日益成為風力發(fā)電的主力機型。因此，從不同側面、不同視角對同步發(fā)電機有功、無功動因進行深度解析，必將會對發(fā)電廠功率調節(jié)優(yōu)化和電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行產生積極影響。

1 同步發(fā)電機的電動勢方程

為簡化分析，本文以隱極同步發(fā)電機為研究對象（凸極同步發(fā)電機多一個直軸與交軸磁阻不等形成xd≠xq引發(fā)的與勵磁無關的附加功率），依據同步發(fā)電機轉、定子繞組與變壓器一、二次線圈電磁關系相似性理論并按發(fā)電機慣例規(guī)定正方向，則可得到同步發(fā)電機等值電路。同步發(fā)電機單相等值電路見圖1。

根據等值電路并按基爾霍夫電壓定律，可得同步發(fā)電機電動式方程：

圖1

2 同步發(fā)電機時空圖

根據交流繞組磁動勢理論分析：當某相電流達到最大正值時，三相合成磁動勢的基波向量的幅值（其中kw1為繞組系數(shù)，N為相繞組串聯(lián)總匝數(shù)，p為電機極對數(shù)，I為相電流）恰好轉到該相繞組軸線上且以同步轉速旋轉若將相電流的時軸選在該相相軸上，則該相電流時間相量I與空間向量電樞（定子）三相合成磁動勢重合，這樣依據同步發(fā)電機電動勢方程就可得到時空圖。同步發(fā)電機時空圖見圖2。

圖2 同步發(fā)電機時空圖

圖3 交、直軸磁動勢分量的等效磁極

3 同步發(fā)電機交、直軸磁動勢分量等效磁極與有功、無功動因

依據勵磁（轉子）繞組所受電磁力和電樞（定子）繞組感應電動勢方程

（式中fM(f2)為勵磁（轉子）繞組所受電磁力偶；Ba為電樞（定子）繞組產生的磁感應強度；Bf為勵磁（轉子）繞組產生的磁感應強度；B為氣隙（合成）磁感應強度；L1為定子導體長度；L2為轉子導體長度；v為導體切割磁力線速度）

不計磁路飽和，因磁化系數(shù)μ為常數(shù)，由磁動勢方程和磁路歐姆定律：

（1）同步發(fā)電機交軸磁動勢分量及有功功率動因

（2）同步發(fā)電機直軸磁動勢分量及無功功率動因

且無功電流分量愈大，或者說發(fā)出的無功功率分量愈大，則電壓下降的趨勢愈明顯，即

4 同步發(fā)電機能量流及有功、無功功率調節(jié)策略

根據同步發(fā)電機時空圖，并以原動機輸入到轉子轉軸機械能轉化、傳遞成定子繞組輸出電能的中間媒介氣隙磁場能為參照，可將空間向量磁動勢及其等效磁極分解為兩組：①定子繞組磁動勢（和氣隙磁動勢的等效磁極；②氣隙磁動勢和勵磁（轉子）磁動勢的等效磁極。同步發(fā)電機氣隙與轉子、定子與氣隙磁動勢等效磁極見圖4。

根據能量守恒原理，交、直軸磁動勢分量對電機轉軸電磁力和出口端電壓的影響結果以及圖4，分析可知：

圖4 同步發(fā)電機定子、氣隙、轉子磁動勢等效磁極

（1）原動機施加到電機轉子轉軸上的機械驅動轉矩T2，

除去空載損耗折算的空載轉矩，全部用來克服有功電流作用在轉子轉軸上制動轉矩TM而做功（拖動氣隙磁動勢等效磁極做功），所做的功完全轉化為能量傳遞中間媒介的氣隙電磁能；按照力和反作用力等效原則，氣隙電磁能等效的驅動電磁轉矩TM去除定子銅耗對應的制動轉矩，完全用來克服發(fā)電機輸出電能作用在氣隙磁動勢等效磁極轉軸上制動轉矩T1而做功（推動定子磁動勢等效磁極做功））轉化成同步發(fā)電機電能輸出。功率流程見圖5。

圖5 同步發(fā)電機功率流程

（2）同步發(fā)電機有功功率調節(jié)策略

原動機施加到電機轉子轉軸上的機械驅動轉矩T2，除去空載損耗p0（=pΩ+pFe+pcuf）折算轉矩T0，完全用來平衡有功電流作用在轉子轉軸上制動轉矩TM，即T2=TM+T0，若發(fā)電機有功電，根據轉矩方程T2-（TM+T0）＝（式中J為轉動慣量，Ω=2πn/60為轉子機械角速度），知：電機轉速，若要維持電網轉速或頻率不變（電能質量衡量指標之一，只有采用加大原動機流量開度（減小原動機流量開度）的調節(jié)策略。

（3）同步發(fā)電機無功功率調節(jié)策略

5 結束語

同步發(fā)電機作為現(xiàn)代電力工業(yè)不可替代的主力機型，其有功、無功功率調節(jié)研究一直是基于功角特性視角，本文則從電動勢方程切入，以電機時空量為指針，并將定子、氣隙、轉子磁動勢等效成相應磁極，然后依據能量守恒原理并加以嚴謹?shù)臄?shù)學分析，從磁動勢視角對有功、無功動因深度解析，為有功、無功更有效地調節(jié)提供策略依據。

[1]胡虔生.電機學[M].北京:中國電力出版社,2005.

[2]葉水音.電機學[M].北京:中國電力出版社,2005.