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        發電機無功功率隨有功功率變化情況的分析

        本文參考相關文章資料對發電機無功功率隨有功功率變化的情況作一些分析,本廠機組最大為135MW,但為了詳盡闡述所以篇幅較長,共勉學習。

        一.問題的提出
          
            《電機學》一書中詳細闡述了調節發電機有功功率和無功功率時兩者之間的相互影響,最終得出一個眾所周知的結論,即調節無功時,有功不變,調節有功時,無功反方向變化。但是在實際生產過程中,絕大多數機組,在沒有人為干預的情況下,調節有功時,無功功率基本不會出現《電機學》理論中所描述的那種規律發生反方向變化的,當然不排除輕微反方向變化以及無功不變的現象出現,但是大多數情況下兩者是同方向變化的,即增加有功,無功也增加,減少有功,無功也減少。這種現象引起了不少疑問,在此便詳細分析一下實際生產過程中,機組的無功功率到底是如何隨著有功功率變化的,為什么會出現與理論書中結論相反的情況。

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        二.無功變化的理論分析
          
        (一)純電機角度的分析:
            第一種方法利用電樞反應的原理進行分析,如果忽略勵磁調節器的話,在《電機學》的同步電機電樞反應章節中有提到,增加無功,有功不變,增加有功,無功變小。這是因為,勵磁如果是恒定不變的,那么在增加有功的時候,勵磁用于交軸電樞反應的部分就多了,因為有功功率是靠電機的交軸電樞反應來實現的,那么用于直軸電樞反應的部分就少了,而無功功率正是由直軸電樞反應來實現的,這樣加有功的時候無功就會降低,當然電壓也就會適當降低。等于是固定不變就那么多的勵磁電流,要么用作交軸反應來實現有功,要么就用作直軸反應來實現無功,在加有功時,交軸電樞反應用的勵磁多了,那么勵磁分給直軸電樞反應來實現無功的部分就少了。所以由于電樞反應,增加有功功率會產生去磁作用,最終導致發電機欠磁,無功功率降低,電壓降低。
            第二種方法利用發電機功角變化來進行分析,前提同樣是勵磁保持恒定,發電機能否送出無功以及送出無功的多少與電壓差ΔU有關,這個電壓差ΔU是指發電機的電動勢E0和端電壓UN的同相部分的電壓差,注意是同相部分的電壓差,具體可參照《電機學》中的同步發電機遲相運行時的相量圖,相量圖是以發電機端電壓UN為一個參考相量,即NU為一個垂直向上的箭頭,其保持固定不動。電動勢E0在UN箭頭的逆時針側,且為一個長度大于UN的箭頭,兩者之間形成一個夾角δ即發電機功角。所謂同相部分的電壓差,就是指把E0箭頭向參考量UN或者說是垂直軸上的一個投影,這個投影的長度比UN箭頭要長,E0箭頭在垂直軸上的投影長度減去UN箭頭的長度即為兩者同相部分的電壓差ΔU,只有這個電壓差才會產生無功電流,并且是電壓差ΔU越大,發電機輸出的無功功率就越大,如果電壓差ΔU變小,則發電機輸出的無功功率就減小。又根據發電機功角特性可知,當發電機送出有功功率時,電動勢E0就與端電壓UN錯開一個δ角即發電機功角,當有功越大時,δ角越大,此時可以想象E0又往逆時針的方向轉了一個更大的角度,那么它在垂直軸上的投影高度就更短了,所以用它減去UN所得到的無功電壓差ΔU就變小了,因而無功自動減小,當然電壓也就會適當降低。反之,當有功減小時,功角δ也隨之減小,無功會自動增加,電壓也會適當升高。
            總之,無論從純電機的任何一個方面去推論,前提只要勵磁電流是恒定不變的,也就是忽略勵磁調節器的作用,有功增加時,發電機無功出力就會自動減小,在外界無功用戶不變的情況下,則會出現無功缺額,發電機電壓會出現下降現象,直到外界用戶在電壓下降時所耗無功自動減小重新與發電機無功出力達到平衡,電壓則會下降到一個新的平衡點穩定運行。反之有功減少時,無功出力會自動增加,在外界無功用戶不變的情況下,則會出現無功過剩,發電機電壓會出現升高現象,直到外界用戶在電壓升高時所耗無功自動增加重新與發電機無功出力達到平衡,電壓則會升高到一個新的平衡點穩定運行。

        (二)考慮勵磁調節器的影響:
            1.從機組本身的因素分析調節器的影響:
            從純電機的角度分析完,可以得出一個結論,當發電機勵磁恒定時,增加發電機有功,則會使無功功率自動減少,最終發電機電壓會適當降低,或者從另外一個新的角度來分析,當發電機有功增大時,發電機定子電流也增大,那么發電機定子繞組的阻抗壓降就會增大,最終還是引起了發電機機端電壓降低。
            自動勵磁調節器(在此只考慮調節器在自動通道恒電壓方式下)是以發電機端電壓作為被調量的,也就是說勵磁調節器的作用就是要維持機端電壓不變,所以由上面分析可知,在機組穩定運行,勵磁不變的時候,如果增加有功功率則會使發電機的端電壓適當降低,那么此時考慮到勵磁調節器的存在,當發電機端電壓降低,則會使勵磁調節器自動增加勵磁來維持機端電壓。所以正是由于該調節作用,使得發電機在有功增加時,無功會基本維持不增不減。當然由于純電機角度的分析因素的作用一般也會呈現略微減少的趨勢,但是有時也會略微升高??傊{節器的特性參數不同及外部變工況,所以不是一個固定的規律。但基本上是可以維持有功增加時無功不變的,至少不可能會出現純電機角度分析結論那種明顯規律的反向變化。
            由于發電機勵磁調節器的存在,當發電機有功增加時,無功不會出現純電機角度所分析的那樣明顯減少。當然勵磁調節器特性是不完全一樣的,但即使勵磁調節器調節作用不足以抵消增加有功所帶來的去磁作用,也絕對能夠抵消絕大部分去磁作用了,所以最多會有一個輕微的無功減少趨勢。當然如果勵磁調節器調節作用大于增加有功所帶來的去磁作用,那么不僅此時可以完全彌補有功增加所帶來的去磁影響,甚至無功還會有增加的趨勢??梢?,由于調節器本身特性的差異,可能會出現不同的結果。不過無論結果怎樣,從根本上講,由于調節器本身是用來維持機端電壓的,所以調節器在發電機增加有功時會自動增加勵磁,那還是因為發電機端電壓在受到有功增加的去磁影響后而降低了,這時調節器增加勵磁只是為了恢復正常的電壓,也就是說僅僅是為了彌補增加有功出現的勵磁缺額,所以發電機此時增加的勵磁基本上全部都用在了有功功率的增加上,最終使發電機在有功功率增加后也不出現欠磁,從而維持端電壓不變。
            發電機在有功增加時會使端電壓降低,由于勵磁調節器會自動增磁維持發電機端電壓,正是因為此時調節器自動增磁,則不會出現有功增加,無功明顯減少的現象。當然,這時也會有一個新的問題,就是眾所周知增加勵磁時發電機無功功率會自動增加,那么在增加有功時,勵磁也是在自動并且大量增加的,那么無功此時會大量增加嗎?這里可以解釋一下,《電機學》的發電機無功功率調節章節中分析調節勵磁改變無功的前提是發電機輸出有功不變,也就是說增加勵磁無功增加的前提是發電機其它條件基本不變的,至少發電機有功是不變的,那么增加的勵磁便全部用在了升高電壓增大無功上,所以才會有了增加勵磁,無功增加的結論。但是在增加有功的情況下大量增加勵磁,發電機仍然只是為了維持著機端電壓不降低,發電機的端電壓只要不變,則說明無功功率的供需是基本平衡的,那么此時認為外界無功用戶是基本不變的,發電機此時的無功出力也不會有什么大的變化。最終這種情況下增加的勵磁主要還是用在了增加的有功上,對無功影響不大,所以這里在增加勵磁時,無功是不會明顯增加的??傊?,在忽略了調節器特性差別后,我們假設外界條件不變的情況下,可以得出的結論為,調節有功功率時,勵磁調節器只能夠基本維持無功不變。也不排除輕微增加或者輕微減少的情況,但可以肯定不會明顯增加或者明顯減少。當然實際情況中要考慮到大量外部因素,無功可能會因外界其它因素而明顯變化,下面便具體分析。

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