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发电机无功功率随有功功率变化情况的分析

本文参考相关文章资料对发电机无功功率随有功功率变化的情况作一些分析,本厂机组最大为135MW,但为了详尽阐述所以篇幅较长,共勉学习。

一.问题的提出
  
    《电机学》一书中详细阐述了调节发电机有功功率和无功功率时两者之间的相互影响,最终得出一个众所周知的结论,即调节无功时,有功不变,调节有功时,无功反方向变化。但是在实际生产过程中,绝大多数机组,在没有人为干预的情况下,调节有功时,无功功率基本不会出现《电机学》理论中所描述的那种规律发生反方向变化的,当然不排除轻微反方向变化以及无功不变的现象出现,但是大多数情况下两者是同方向变化的,即增加有功,无功也增加,减少有功,无功也减少。这种现象引起了不少疑问,在此便详细分析一下实际生产过程中,机组的无功功率到底是如何随着有功功率变化的,为什么会出现与理论书中结论相反的情况。

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二.无功变化的理论分析
  
(一)纯电机角度的分析:
    第一种方法利用电枢反应的原理进行分析,如果忽略励磁调节器的话,在《电机学》的同步电机电枢反应章节中有提到,增加无功,有功不变,增加有功,无功变小。这是因为,励磁如果是恒定不变的,那么在增加有功的时候,励磁用于交轴电枢反应的部分就多了,因为有功功率是靠电机的交轴电枢反应来实现的,那么用于直轴电枢反应的部分就少了,而无功功率正是由直轴电枢反应来实现的,这样加有功的时候无功就会降低,当然电压也就会适当降低。等于是固定不变就那么多的励磁电流,要么用作交轴反应来实现有功,要么就用作直轴反应来实现无功,在加有功时,交轴电枢反应用的励磁多了,那么励磁分给直轴电枢反应来实现无功的部分就少了。所以由于电枢反应,增加有功功率会产生去磁作用,最终导致发电机欠磁,无功功率降低,电压降低。
    第二种方法利用发电机功角变化来进行分析,前提同样是励磁保持恒定,发电机能否送出无功以及送出无功的多少与电压差ΔU有关,这个电压差ΔU是指发电机的电动势E0和端电压UN的同相部分的电压差,注意是同相部分的电压差,具体可参照《电机学》中的同步发电机迟相运行时的相量图,相量图是以发电机端电压UN为一个参考相量,即NU为一个垂直向上的箭头,其保持固定不动。电动势E0在UN箭头的逆时针侧,且为一个长度大于UN的箭头,两者之间形成一个夹角δ即发电机功角。所谓同相部分的电压差,就是指把E0箭头向参考量UN或者说是垂直轴上的一个投影,这个投影的长度比UN箭头要长,E0箭头在垂直轴上的投影长度减去UN箭头的长度即为两者同相部分的电压差ΔU,只有这个电压差才会产生无功电流,并且是电压差ΔU越大,发电机输出的无功功率就越大,如果电压差ΔU变小,则发电机输出的无功功率就减小。又根据发电机功角特性可知,当发电机送出有功功率时,电动势E0就与端电压UN错开一个δ角即发电机功角,当有功越大时,δ角越大,此时可以想象E0又往逆时针的方向转了一个更大的角度,那么它在垂直轴上的投影高度就更短了,所以用它减去UN所得到的无功电压差ΔU就变小了,因而无功自动减小,当然电压也就会适当降低。反之,当有功减小时,功角δ也随之减小,无功会自动增加,电压也会适当升高。
    总之,无论从纯电机的任何一个方面去推论,前提只要励磁电流是恒定不变的,也就是忽略励磁调节器的作用,有功增加时,发电机无功出力就会自动减小,在外界无功用户不变的情况下,则会出现无功缺额,发电机电压会出现下降现象,直到外界用户在电压下降时所耗无功自动减小重新与发电机无功出力达到平衡,电压则会下降到一个新的平衡点稳定运行。反之有功减少时,无功出力会自动增加,在外界无功用户不变的情况下,则会出现无功过剩,发电机电压会出现升高现象,直到外界用户在电压升高时所耗无功自动增加重新与发电机无功出力达到平衡,电压则会升高到一个新的平衡点稳定运行。

(二)考虑励磁调节器的影响:
    1.从机组本身的因素分析调节器的影响:
    从纯电机的角度分析完,可以得出一个结论,当发电机励磁恒定时,增加发电机有功,则会使无功功率自动减少,最终发电机电压会适当降低,或者从另外一个新的角度来分析,当发电机有功增大时,发电机定子电流也增大,那么发电机定子绕组的阻抗压降就会增大,最终还是引起了发电机机端电压降低。
    自动励磁调节器(在此只考虑调节器在自动通道恒电压方式下)是以发电机端电压作为被调量的,也就是说励磁调节器的作用就是要维持机端电压不变,所以由上面分析可知,在机组稳定运行,励磁不变的时候,如果增加有功功率则会使发电机的端电压适当降低,那么此时考虑到励磁调节器的存在,当发电机端电压降低,则会使励磁调节器自动增加励磁来维持机端电压。所以正是由于该调节作用,使得发电机在有功增加时,无功会基本维持不增不减。当然由于纯电机角度的分析因素的作用一般也会呈现略微减少的趋势,但是有时也会略微升高。总之调节器的特性参数不同及外部变工况,所以不是一个固定的规律。但基本上是可以维持有功增加时无功不变的,至少不可能会出现纯电机角度分析结论那种明显规律的反向变化。
    由于发电机励磁调节器的存在,当发电机有功增加时,无功不会出现纯电机角度所分析的那样明显减少。当然励磁调节器特性是不完全一样的,但即使励磁调节器调节作用不足以抵消增加有功所带来的去磁作用,也绝对能够抵消绝大部分去磁作用了,所以最多会有一个轻微的无功减少趋势。当然如果励磁调节器调节作用大于增加有功所带来的去磁作用,那么不仅此时可以完全弥补有功增加所带来的去磁影响,甚至无功还会有增加的趋势。可见,由于调节器本身特性的差异,可能会出现不同的结果。不过无论结果怎样,从根本上讲,由于调节器本身是用来维持机端电压的,所以调节器在发电机增加有功时会自动增加励磁,那还是因为发电机端电压在受到有功增加的去磁影响后而降低了,这时调节器增加励磁只是为了恢复正常的电压,也就是说仅仅是为了弥补增加有功出现的励磁缺额,所以发电机此时增加的励磁基本上全部都用在了有功功率的增加上,最终使发电机在有功功率增加后也不出现欠磁,从而维持端电压不变。
    发电机在有功增加时会使端电压降低,由于励磁调节器会自动增磁维持发电机端电压,正是因为此时调节器自动增磁,则不会出现有功增加,无功明显减少的现象。当然,这时也会有一个新的问题,就是众所周知增加励磁时发电机无功功率会自动增加,那么在增加有功时,励磁也是在自动并且大量增加的,那么无功此时会大量增加吗?这里可以说明一下,《电机学》的发电机无功功率调节章节中分析调节励磁改变无功的前提是发电机输出有功不变,也就是说增加励磁无功增加的前提是发电机其它条件基本不变的,至少发电机有功是不变的,那么增加的励磁便全部用在了升高电压增大无功上,所以才会有了增加励磁,无功增加的结论。但是在增加有功的情况下大量增加励磁,发电机仍然只是为了维持着机端电压不降低,发电机的端电压只要不变,则说明无功功率的供需是基本平衡的,那么此时认为外界无功用户是基本不变的,发电机此时的无功出力也不会有什么大的变化。最终这种情况下增加的励磁主要还是用在了增加的有功上,对无功影响不大,所以这里在增加励磁时,无功是不会明显增加的。总之,在忽略了调节器特性差别后,大家假设外界条件不变的情况下,可以得出的结论为,调节有功功率时,励磁调节器只能够基本维持无功不变。也不排除轻微增加或者轻微减少的情况,但可以肯定不会明显增加或者明显减少。当然实际情况中要考虑到大量外部因素,无功可能会因外界其它因素而明显变化,下面便具体分析。

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