浅析发电机出口电压低时对系统和设备的影响

毛鹏飞

黑龙江省哈尔滨市阿城区腾飞污水处理有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150300

1 出口电压低对发电机的静态稳定性的影响

电力系统是一个由发电机组、变压器、输配电线路、用电设备等很多单元组成的复杂的大系统，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，自动恢复到起始运行状态的能力。电力系统几乎时时刻刻都受到小的干扰，电力系统的静态稳定问题实际上就是确定系统的某个运行稳态能否保持的问题。实际的电力系统中发电机台数很多，负荷情况也是错综复杂。如果要详细记录各种因素，是非常复杂的，因此我们采用简化的模型对系统中各电源或同步发电机组并列运行的稳定性进行定性分析。

2 同步发电机的功角δ与静态稳定的关系

在稳态运行时的同步发电机在分析稳定问题时，对发电机作某些近似简化，认为发电机是理想电机。对发电机的电磁暂态过程作某些近似简化。只计及发电机定子电流中的正序基波(假定转子转速接近同步转速)周期分量产生的电磁转矩(或功率)，而忽略暂态过程中定子电流的其它分量。对于发电机转子回路暂态过程的简化，可用恒定的次暂态(或暂态)电势作为发电机等值电势。最极端的是假设自动调节励磁装置的作用极强，则近似认为发电机端电压不变。

以暂态电动势和暂态电抗表示发电机，则根据隐极同步发电机的功—角特性方程，大容量系统的母线电压U为常数。如果近似地认为自动调节励磁装置能保持E’q不变，则发电机的电磁功率也仅是功角δ的函数。δ角是空载电动势E’q (即q轴)对于母线电压U的相对角，又称功角。由此可以画出简化系统中的隐极发电机，在E’q为常数情况下的有功功率和功角δ的关系曲线，如图1所示。

图1

由功—角特性方程分析可知静态稳定判据为dPE’q/dδ＞0，其功率极限值出现在功角大于90°处。对于目前所讨论的同步发电机，其静态稳定的判据dPE’q/dδ的大小还可以说明发电机维持同步运行的能力，即说明静态稳定的程度。当PE’q达到其极限值时即是稳定与不稳定的分界点Pmax，称为静态稳定极限。在所讨论的简化系统情况下，静态稳定极限对应的功角正好与最大功率或称功率极限的功角一致。电力系统不应在接近稳定极限的情况下运行，而应保持一定的储备。我国的电力系统安全准则规定，电力系统运行中应有足够的静态稳定储备。按功角δ判据计算的静态稳定储备系数KP%≥15%～20%，其中:

由有功功率和功角δ的关系曲线可知：静态稳定储备系数K是功角δ的单调降函数，即随着功角δ的增加，静态稳定储备系数K将减少。也就是说在正常运行时，发电机出口电压较低将影响发电机的静态稳定储备，对电力系统的安全运行有一定的潜在危害。

3 电压低对交流异步电动机的影响

同步发电机组并列运行的稳定性是电力系统静态稳定的主要方面，但不是唯一因素。负荷稳定问题是电力系统稳定的另一重要问题。实际上，负荷的稳定性和发电机组并列运行的稳定性是密切相关的。各类负荷中占比重最大的是异步电动机，这里将着重讨论异步电动机的稳定问题。这里假设机械转矩不随转速变化，即Mm为常数。电动机可能有两个运行点a和b，可以分析得知只有a点是静态稳定的，而b点是不稳定的。由电磁转矩表达式及转矩特性曲线电动机稳定运行的判据为：dME/ds＞0，其稳定极限和转矩极限也是一致的。在机械转矩Mm达到极限值情况时，其对应的转差率为临界转差率，在这种情况下，只要有一点扰动，电动机的转差率就不断增加而使电动机停顿。在正常稳态运行时异步电动机的电磁转矩ME与机械转矩MT相等，如MT和U=U0(正常电压)时ME的交点a0，相应的转差率为s0。这时，按等值电路求得的异步电动机等值阻抗与正常运行时的等值阻抗相对应。当网络受到扰动，异步电动机端电压突然变化时，异步电动机的电磁转矩也突然变化。一方面当端电压突然降至U1，在突变瞬间转差率仍为s0，机械转矩仍为a0点，而电磁转矩则降至a1点，即ME和MT不平衡。异步电动机能否达到新的平衡取决于ME和MT的变化情况。为便于分析，我们假设机械转矩MT保持不变，则异步电动机能否达到新的平衡完全取决于MEmax。若MEmax＞MT则异步电动机将能达到新的平衡，否则将失去平衡，转速急剧下降直至停转。我们忽略电压变化所引起的等值阻抗的变化，则最大转矩MEmax与电压U的平方成正比，即异步电动机能否达到新的平衡完全取决于其端电压电压降低时，其稳定极限将下降。另一方面，静态特性，如果近似地认为网络电压(含异步电动机端电压)变化过程中异步电动机电磁转矩和机械转矩始终平衡。当端电压由U0降至U1时转差率由s0变为s1，即为新的电磁转矩和机械转矩特性的交点。由此，可根据不同电压方便地计算得到不同的转差率、及不同的临界转差率转差率。最后得出结论：随着异步电动机端电压U的下降转差率s上升，异步电动机的最大转矩MEmax随端电压U2正比下降。将使异步电动机的静态稳定裕量迅速减少，增加了系统的不稳定因素。

4 结论

发电机出口电压降低时，将影响发电机的静态稳定储备，对电力系统的安全运行有一定的潜在危害。另外发电机的定子电流将因其功率角的增大而增大。如这电流原已达额定值，则电压降低后，将使其超过额定值。为使发电机定子绕组不致过热，不得不减少发电机所发功率。相似地，系统电压降低后，也不得不减少变压器的负荷。这将影响设备运行的经济性。

[1]陈珩.电力系统稳态分析.水利电力出版杜.

[2]刘学军.继电保护原理.中国电力出版社.