同步發(fā)電機(jī)穩(wěn)定性分析

徐景生 王金財(cái)

【摘要】發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定問(wèn)題，在我國(guó)是按照靜態(tài)、暫態(tài)、動(dòng)態(tài)劃分的，同步發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中經(jīng)受微小的擾動(dòng)后，若能夠自動(dòng)保持同步運(yùn)行，則說(shuō)明該機(jī)具有靜態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行的能力。運(yùn)行中的發(fā)電機(jī)負(fù)荷有時(shí)也會(huì)發(fā)生大的變化，這會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生大的擾動(dòng)，此時(shí)發(fā)電機(jī)能否保持同步運(yùn)行就是屬于暫態(tài)和動(dòng)態(tài)的問(wèn)題了。

【關(guān)鍵詞】發(fā)電機(jī)；靜態(tài)穩(wěn)定；暫態(tài)穩(wěn)定；動(dòng)態(tài)穩(wěn)定

同步發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中除負(fù)荷有緩慢或微小的變化外，突變也會(huì)時(shí)有發(fā)生，這會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生大的擾動(dòng)?，F(xiàn)將發(fā)電機(jī)的靜態(tài)穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定做一簡(jiǎn)要的分析。

一、靜態(tài)穩(wěn)定

電力用戶中的用電負(fù)荷隨時(shí)都在發(fā)生變化，造成電力負(fù)荷也會(huì)隨之波動(dòng)，對(duì)發(fā)電機(jī)而言，幾乎能夠立即適應(yīng)負(fù)荷的變化；但對(duì)于原動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，由于受到調(diào)速機(jī)構(gòu)靈敏度的限制和時(shí)滯等，卻不能立即適應(yīng)這種這種變化。此時(shí)發(fā)電機(jī)應(yīng)能承受這種擾動(dòng)，迅速恢復(fù)同步穩(wěn)定運(yùn)行，這是電力系統(tǒng)維持正常生產(chǎn)的基本條件。

下面用功角特性分析發(fā)電機(jī)穩(wěn)定性。

設(shè)原動(dòng)機(jī)輸入的功率為P1，在發(fā)電機(jī)的功角特性曲線上，對(duì)應(yīng)于P1可能有兩個(gè)平衡點(diǎn)a和b（見(jiàn)圖1），其對(duì)應(yīng)的功角為δa和δb。但實(shí)際上只有在a點(diǎn)才能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。因?yàn)樵赼點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，若負(fù)荷波動(dòng)引起有功率有微量的減少，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速則加快，功角將變?yōu)棣腶+△δa=δa，發(fā)電機(jī)的功率隨之增加△Pa，其工作點(diǎn)波動(dòng)到a。但此時(shí)氣門開(kāi)度未變，原動(dòng)機(jī)輸入的功率并不會(huì)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(jī)有功負(fù)荷減少的結(jié)果，破壞了發(fā)電機(jī)與原動(dòng)機(jī)之間的轉(zhuǎn)矩平衡，并且發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩超過(guò)了原動(dòng)機(jī)輸入的轉(zhuǎn)矩，剩余轉(zhuǎn)矩△M〈0，故對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸起制動(dòng)作用，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速減慢，引起功角δ向減小的方向移動(dòng)，一旦擾動(dòng)消失，發(fā)電機(jī)便回到a點(diǎn)運(yùn)行。同理，如果負(fù)荷波動(dòng)使有功功率微量的增加，剩余轉(zhuǎn)矩△M〉0，則使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速加快，使功角δ向增大的方向移動(dòng)，最后發(fā)電機(jī)也回到a點(diǎn)運(yùn)行，因此a點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行得點(diǎn)。

而b點(diǎn)則不同，當(dāng)功角增加△δb時(shí)卻帶來(lái)發(fā)電機(jī)的功率減少。由此出現(xiàn)的剩余轉(zhuǎn)矩促使轉(zhuǎn)子加速，δ角更加大，又使輸出功率減少，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩再減小，致使發(fā)電機(jī)無(wú)法達(dá)到功率平衡狀態(tài)。轉(zhuǎn)速更加快的結(jié)果，造成發(fā)電機(jī)失去同步，所以b點(diǎn)是不能穩(wěn)定運(yùn)行的點(diǎn)，實(shí)踐中也不可能存在這種運(yùn)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(jī)在切除故障線路造成的大擾動(dòng)中保持穩(wěn)定的運(yùn)行能力。發(fā)生暫態(tài)不穩(wěn)定過(guò)程的時(shí)間較短，主要發(fā)生在事故后發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子第一擺動(dòng)周期內(nèi)。

假設(shè)大擾動(dòng)是由發(fā)電機(jī)雙回路供電線路中的一條發(fā)生短路故障引起的。此時(shí)發(fā)電機(jī)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(yùn)行、短路故障存在、故障線路切除后單回路線路運(yùn)行時(shí)的功角特性曲線。由該圖可看出短路故障存在、單回線路運(yùn)行，其功率極限值均比故障前正常運(yùn)行時(shí)下降。設(shè)原動(dòng)機(jī)的功率為P1，發(fā)電機(jī)遲相穩(wěn)定運(yùn)行與曲線Ⅰ的a點(diǎn)，電磁功率Pa=P1，功角為δ1。在故障發(fā)生的瞬間，發(fā)電機(jī)的電參數(shù)急劇變化，但由于慣性原動(dòng)機(jī)來(lái)不及調(diào)整功率，功角仍未δ1，故運(yùn)行點(diǎn)移至曲線Ⅱ的b點(diǎn)，使發(fā)電機(jī)有功負(fù)荷減少。由于功率供求平衡被破壞，將產(chǎn)生剩余轉(zhuǎn)矩△M〉0，促使轉(zhuǎn)子開(kāi)始加速，功角開(kāi)始增加，運(yùn)行點(diǎn)由點(diǎn)b向點(diǎn)c變化。如果在點(diǎn)c是故障被切除，功率特性則變化為曲線Ⅲ，運(yùn)行點(diǎn)又移至點(diǎn)e運(yùn)行。同樣，由于慣性促使點(diǎn)e向點(diǎn)f變化。在向點(diǎn)f變化的過(guò)程中，發(fā)電機(jī)的負(fù)荷大于原動(dòng)機(jī)的功率。剩余轉(zhuǎn)矩 △M〈0，轉(zhuǎn)子功角變化的速度逐漸減慢，當(dāng)?shù)竭_(dá)f點(diǎn)時(shí)，消耗完加速能量而達(dá)到功角最大值δmax。其后，則由于原動(dòng)機(jī)功率受限制，功角開(kāi)始向減小的方向擺動(dòng)，在點(diǎn)b處達(dá)到功率平衡。同樣，由于慣性作用不能立即穩(wěn)定，而要越過(guò)點(diǎn)h向點(diǎn)k變化，如此在點(diǎn)h附近震蕩幾次，最后穩(wěn)定在點(diǎn)h運(yùn)行。

圖（2）（a）中abcd圍成的面積稱為“加速”面積，表示轉(zhuǎn)子加速期間儲(chǔ)存的動(dòng)能，即是加速轉(zhuǎn)矩對(duì)轉(zhuǎn)子所做的功。而defg圍成的面積稱“減速”面積，在減速的過(guò)程中能量全部歸還系統(tǒng)，因此它表示減速轉(zhuǎn)矩所做的功。當(dāng)加速面積小于或等于減速面積時(shí)，機(jī)組就具有暫態(tài)穩(wěn)定性。

圖（2）（b）對(duì)應(yīng)于圖（2）（a），是發(fā)電機(jī)運(yùn)行點(diǎn)變化過(guò)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(shí)段；t1～t2為故障切除后至轉(zhuǎn)子功角搖擺到最大值的時(shí)段；t2～t3為功角搖擺最大到次大值的時(shí)段。隨著功角搖擺進(jìn)入衰減過(guò)程，該機(jī)逐漸趨于穩(wěn)定。

如果故障切除較慢，假設(shè)在運(yùn)行點(diǎn)沿著曲線Ⅱ移至點(diǎn)R處切除，則發(fā)電機(jī)加速過(guò)程延長(zhǎng)，加速面積將增大。若減速面積小于加速面積會(huì)出現(xiàn)加速失調(diào)，機(jī)組失去暫態(tài)穩(wěn)定。

為了提高暫態(tài)穩(wěn)定性，應(yīng)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(shí)提供強(qiáng)行勵(lì)磁，并且勵(lì)磁電壓增長(zhǎng)速度較快，使故障切除后的發(fā)電機(jī)電勢(shì)能夠迅速提高，從而能迅速增加功率輸出，則可以實(shí)現(xiàn)減速面積的增大。強(qiáng)行勵(lì)磁對(duì)發(fā)電機(jī)暫態(tài)穩(wěn)定的影響可由圖（3）進(jìn)行分析。

圖（3）中功率曲線Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，初始工作點(diǎn)a到點(diǎn)b的過(guò)程與圖（2）（a）的情況相同。不同的是故障時(shí)強(qiáng)行勵(lì)磁立即動(dòng)作，勵(lì)磁電流開(kāi)始增加，此時(shí)功率特性曲線為bc（如果強(qiáng)勵(lì)動(dòng)作存在時(shí)延，是從b開(kāi)始增加），這樣在故障切除前能使加速面積減小（由abcd減為abcd）。在故障切除后，因勵(lì)磁電流增大，也能增大加速面積（由defg增大到defg），使發(fā)電機(jī)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(dòng)態(tài)穩(wěn)定性

動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性主要指遭受大擾動(dòng)后發(fā)電機(jī)恢復(fù)和保持穩(wěn)定狀態(tài)的能力，在動(dòng)態(tài)穩(wěn)定過(guò)程中的主要現(xiàn)象是發(fā)電機(jī)的功角及各電氣量發(fā)生隨時(shí)間增長(zhǎng)的震蕩或發(fā)生等幅震蕩，這一震蕩過(guò)程較長(zhǎng)，可以持續(xù)到幾秒到幾十秒的時(shí)間。例如故障消除后功率波動(dòng)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(lì)磁調(diào)節(jié)裝置提高制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使發(fā)電機(jī)在加速時(shí)加強(qiáng)勵(lì)磁，以減小加速面積；發(fā)電機(jī)在減速時(shí)減弱勵(lì)磁，減小加速面積。這樣，可實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)在平衡點(diǎn)附近運(yùn)行的震蕩平息，此即為勵(lì)磁調(diào)節(jié)對(duì)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的影響和作用原理。由此可見(jiàn)。自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置保持投入和良好狀態(tài)，是發(fā)電機(jī)在電網(wǎng)運(yùn)行中保持和提高穩(wěn)定性的一個(gè)極為重要的措施。