并网同步发电机有功、无功动因及调节策略

/王晓东/

0 引言

同步发电机以其结构简单、运行可靠、发电效率高、制造维护成本低等的高性价比成为现代电力工业发电设备的首选，无论火力发电、水力发电还是原子能发电几乎全部采用同步发电机，而随着电力电子技术的发展，同步发电机也日益成为风力发电的主力机型。因此，从不同侧面、不同视角对同步发电机有功、无功动因进行深度解析，必将会对发电厂功率调节优化和电力系统稳定运行产生积极影响。

1 同步发电机的电动势方程

为简化分析，本文以隐极同步发电机为研究对象（凸极同步发电机多一个直轴与交轴磁阻不等形成xd≠xq引发的与励磁无关的附加功率），依据同步发电机转、定子绕组与变压器一、二次线圈电磁关系相似性理论并按发电机惯例规定正方向，则可得到同步发电机等值电路。同步发电机单相等值电路见图1。

根据等值电路并按基尔霍夫电压定律，可得同步发电机电动式方程：

图1

2 同步发电机时空图

根据交流绕组磁动势理论分析：当某相电流达到最大正值时，三相合成磁动势的基波向量的幅值（其中kw1为绕组系数，N为相绕组串联总匝数，p为电机极对数，I为相电流）恰好转到该相绕组轴线上且以同步转速旋转若将相电流的时轴选在该相相轴上，则该相电流时间相量I与空间向量电枢（定子）三相合成磁动势重合，这样依据同步发电机电动势方程就可得到时空图。同步发电机时空图见图2。

图2 同步发电机时空图

图3 交、直轴磁动势分量的等效磁极

3 同步发电机交、直轴磁动势分量等效磁极与有功、无功动因

依据励磁（转子）绕组所受电磁力和电枢（定子）绕组感应电动势方程

（式中fM(f2)为励磁（转子）绕组所受电磁力偶；Ba为电枢（定子）绕组产生的磁感应强度；Bf为励磁（转子）绕组产生的磁感应强度；B为气隙（合成）磁感应强度；L1为定子导体长度；L2为转子导体长度；v为导体切割磁力线速度）

不计磁路饱和，因磁化系数μ为常数，由磁动势方程和磁路欧姆定律：

（1）同步发电机交轴磁动势分量及有功功率动因

（2）同步发电机直轴磁动势分量及无功功率动因

且无功电流分量愈大，或者说发出的无功功率分量愈大，则电压下降的趋势愈明显，即

4 同步发电机能量流及有功、无功功率调节策略

根据同步发电机时空图，并以原动机输入到转子转轴机械能转化、传递成定子绕组输出电能的中间媒介气隙磁场能为参照，可将空间向量磁动势及其等效磁极分解为两组：①定子绕组磁动势（和气隙磁动势的等效磁极；②气隙磁动势和励磁（转子）磁动势的等效磁极。同步发电机气隙与转子、定子与气隙磁动势等效磁极见图4。

根据能量守恒原理，交、直轴磁动势分量对电机转轴电磁力和出口端电压的影响结果以及图4，分析可知：

图4 同步发电机定子、气隙、转子磁动势等效磁极

（1）原动机施加到电机转子转轴上的机械驱动转矩T2，

除去空载损耗折算的空载转矩，全部用来克服有功电流作用在转子转轴上制动转矩TM而做功（拖动气隙磁动势等效磁极做功），所做的功完全转化为能量传递中间媒介的气隙电磁能；按照力和反作用力等效原则，气隙电磁能等效的驱动电磁转矩TM去除定子铜耗对应的制动转矩，完全用来克服发电机输出电能作用在气隙磁动势等效磁极转轴上制动转矩T1而做功（推动定子磁动势等效磁极做功））转化成同步发电机电能输出。功率流程见图5。

图5 同步发电机功率流程

（2）同步发电机有功功率调节策略

原动机施加到电机转子转轴上的机械驱动转矩T2，除去空载损耗p0（=pΩ+pFe+pcuf）折算转矩T0，完全用来平衡有功电流作用在转子转轴上制动转矩TM，即T2=TM+T0，若发电机有功电，根据转矩方程T2-（TM+T0）＝（式中J为转动惯量，Ω=2πn/60为转子机械角速度），知：电机转速，若要维持电网转速或频率不变（电能质量衡量指标之一，只有采用加大原动机流量开度（减小原动机流量开度）的调节策略。

（3）同步发电机无功功率调节策略

5 结束语

同步发电机作为现代电力工业不可替代的主力机型，其有功、无功功率调节研究一直是基于功角特性视角，本文则从电动势方程切入，以电机时空量为指针，并将定子、气隙、转子磁动势等效成相应磁极，然后依据能量守恒原理并加以严谨的数学分析，从磁动势视角对有功、无功动因深度解析，为有功、无功更有效地调节提供策略依据。

[1]胡虔生.电机学[M].北京:中国电力出版社,2005.

[2]叶水音.电机学[M].北京:中国电力出版社,2005.