淺析發電機出口電壓低時對系統和設備的影響

毛鵬飛

黑龍江省哈爾濱市阿城區騰飛污水處理有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150300

1 出口電壓低對發電機的靜態穩定性的影響

電力系統是一個由發電機組、變壓器、輸配電線路、用電設備等很多單元組成的復雜的大系統，電力系統靜態穩定是指電力系統受到小干擾后，不發生自發振蕩或非周期性失步，自動恢復到起始運行狀態的能力。電力系統幾乎時時刻刻都受到小的干擾，電力系統的靜態穩定問題實際上就是確定系統的某個運行穩態能否保持的問題。實際的電力系統中發電機臺數很多，負荷情況也是錯綜復雜。如果要詳細記錄各種因素，是非常復雜的，因此我們采用簡化的模型對系統中各電源或同步發電機組并列運行的穩定性進行定性分析。

2 同步發電機的功角δ與靜態穩定的關系

在穩態運行時的同步發電機在分析穩定問題時，對發電機作某些近似簡化，認為發電機是理想電機。對發電機的電磁暫態過程作某些近似簡化。只計及發電機定子電流中的正序基波(假定轉子轉速接近同步轉速)周期分量產生的電磁轉矩(或功率)，而忽略暫態過程中定子電流的其它分量。對于發電機轉子回路暫態過程的簡化，可用恒定的次暫態(或暫態)電勢作為發電機等值電勢。最極端的是假設自動調節勵磁裝置的作用極強，則近似認為發電機端電壓不變。

以暫態電動勢和暫態電抗表示發電機，則根據隱極同步發電機的功—角特性方程，大容量系統的母線電壓U為常數。如果近似地認為自動調節勵磁裝置能保持E’q不變，則發電機的電磁功率也僅是功角δ的函數。δ角是空載電動勢E’q (即q軸)對于母線電壓U的相對角，又稱功角。由此可以畫出簡化系統中的隱極發電機，在E’q為常數情況下的有功功率和功角δ的關系曲線，如圖1所示。

圖1

由功—角特性方程分析可知靜態穩定判據為dPE’q/dδ＞0，其功率極限值出現在功角大于90°處。對于目前所討論的同步發電機，其靜態穩定的判據dPE’q/dδ的大小還可以說明發電機維持同步運行的能力，即說明靜態穩定的程度。當PE’q達到其極限值時即是穩定與不穩定的分界點Pmax，稱為靜態穩定極限。在所討論的簡化系統情況下，靜態穩定極限對應的功角正好與最大功率或稱功率極限的功角一致。電力系統不應在接近穩定極限的情況下運行，而應保持一定的儲備。我國的電力系統安全準則規定，電力系統運行中應有足夠的靜態穩定儲備。按功角δ判據計算的靜態穩定儲備系數KP%≥15%～20%，其中:

由有功功率和功角δ的關系曲線可知：靜態穩定儲備系數K是功角δ的單調降函數，即隨著功角δ的增加，靜態穩定儲備系數K將減少。也就是說在正常運行時，發電機出口電壓較低將影響發電機的靜態穩定儲備，對電力系統的安全運行有一定的潛在危害。

3 電壓低對交流異步電動機的影響

同步發電機組并列運行的穩定性是電力系統靜態穩定的主要方面，但不是唯一因素。負荷穩定問題是電力系統穩定的另一重要問題。實際上，負荷的穩定性和發電機組并列運行的穩定性是密切相關的。各類負荷中占比重最大的是異步電動機，這里將著重討論異步電動機的穩定問題。這里假設機械轉矩不隨轉速變化，即Mm為常數。電動機可能有兩個運行點a和b，可以分析得知只有a點是靜態穩定的，而b點是不穩定的。由電磁轉矩表達式及轉矩特性曲線電動機穩定運行的判據為：dME/ds＞0，其穩定極限和轉矩極限也是一致的。在機械轉矩Mm達到極限值情況時，其對應的轉差率為臨界轉差率，在這種情況下，只要有一點擾動，電動機的轉差率就不斷增加而使電動機停頓。在正常穩態運行時異步電動機的電磁轉矩ME與機械轉矩MT相等，如MT和U=U0(正常電壓)時ME的交點a0，相應的轉差率為s0。這時，按等值電路求得的異步電動機等值阻抗與正常運行時的等值阻抗相對應。當網絡受到擾動，異步電動機端電壓突然變化時，異步電動機的電磁轉矩也突然變化。一方面當端電壓突然降至U1，在突變瞬間轉差率仍為s0，機械轉矩仍為a0點，而電磁轉矩則降至a1點，即ME和MT不平衡。異步電動機能否達到新的平衡取決于ME和MT的變化情況。為便于分析，我們假設機械轉矩MT保持不變，則異步電動機能否達到新的平衡完全取決于MEmax。若MEmax＞MT則異步電動機將能達到新的平衡，否則將失去平衡，轉速急劇下降直至停轉。我們忽略電壓變化所引起的等值阻抗的變化，則最大轉矩MEmax與電壓U的平方成正比，即異步電動機能否達到新的平衡完全取決于其端電壓電壓降低時，其穩定極限將下降。另一方面，靜態特性，如果近似地認為網絡電壓(含異步電動機端電壓)變化過程中異步電動機電磁轉矩和機械轉矩始終平衡。當端電壓由U0降至U1時轉差率由s0變為s1，即為新的電磁轉矩和機械轉矩特性的交點。由此，可根據不同電壓方便地計算得到不同的轉差率、及不同的臨界轉差率轉差率。最后得出結論：隨著異步電動機端電壓U的下降轉差率s上升，異步電動機的最大轉矩MEmax隨端電壓U2正比下降。將使異步電動機的靜態穩定裕量迅速減少，增加了系統的不穩定因素。

4 結論

發電機出口電壓降低時，將影響發電機的靜態穩定儲備，對電力系統的安全運行有一定的潛在危害。另外發電機的定子電流將因其功率角的增大而增大。如這電流原已達額定值，則電壓降低后，將使其超過額定值。為使發電機定子繞組不致過熱，不得不減少發電機所發功率。相似地，系統電壓降低后，也不得不減少變壓器的負荷。這將影響設備運行的經濟性。

[1]陳珩.電力系統穩態分析.水利電力出版杜.

[2]劉學軍.繼電保護原理.中國電力出版社.