第二章大型发电机进相运行

投入自动励磁调节器后，发电机 进相运行时的静态稳定大大提高， 有功功率增大时，仍未失去稳定， 只是定子电流超过额定值使进相 深度受到了限制。
12
第二章同步发电机的进相运行
原因分析：
（1）发电机直接接在无限大电网上，即认为外部阻抗xs=0。 由于带自动电压调节器后，在一定的励磁电流If下，不是 保持Eq不变而是保持暂态电势 不变所致，此时PM的表达式为：
第二章同步发电机的进相运行
第一节 发电机的进相运行的必要性
随着电力系统的不断发展，大型发电机组日益增多，同时输 电线路的电压等级越来越高，输电距离越来越长，加之许多配电 网络使用了电缆线路，引起了电力系统电容电流的增加，增大了 剩余无功功率。尤其是在节假日、午夜等低负荷情况下，由线路 引起的剩余无功功率，使电网的电压上升，以致超过容许的范围。 过去一般是采用并联电抗器或利用调相机来吸收此部分剩余无功 功率，但有一定的限度，且增加了设备投资。近些年我国也广泛 地开展了进相运行的试验研究。实践说明，进相运行是一项切实 可行的办法，不需要额外增加设备投资，就可吸收无功功率，进 行电压调整。适当进行进相运行，能降低电压，抑制和改善电网 电压过高状况。该项技术措施易于实现，运行操作方便、灵活， 可获得显著的经济效益。 1
发电机进相运行时就其本体而言有两个特点： 1）发电机端部的漏磁较迟相运行时增大，会造成定子端部 铁心和金属结构件的温度增高，甚至超过允许的温度限值； 2）进相运行的发电机与电网之间并列运行的稳定性较迟相 运行时降低，可能在某一进相深度时达到稳定极限而失步。因 此，发电机进相运行时容许承担的电网有功功率和相应允许吸 收的无功功率值是有限制的。
Pmax E qU G xd
（1－14）
对式（1-14）求导得
dPM EqU cos （1－15） d xd
7
第二章同步发电机的进相运行
可以看出：在
dPM 0 时，发电机达到静态稳定极限； d
dPM 0 时，发电机能保持静态稳定； 在 d
dPM 在 0 时，发电机会失去静态稳定。 d dPM 因此， 可以做为发电机静态稳定的判据。 d
第二章同步发电机的进相运行
P 例（1）一台TB-100-2型发电机， n 100 MW ,U N 13.8kV ， 在手动励磁和投入自动励磁调节器两种条件下的实测结果列表：
该机的自动励磁调节器投入运行后，在接近额定有功功率 时，吸收的无功功率由手动励磁时的42.2Mvar增到63Mvar。当 有功功率降低时，电机的运行功角已超过自然稳定极限进入人 工稳定运行区运行。 10
第二章同步发电机的进相运行
第二节 发电机进相运行的分析 1.什么是同步发电机的进相运行状态？
进相运行是相对于发电机迟相运行而言的，此时 定子电流超前于端电压，发电机处于欠励磁运行状态。 发电机直接与无限大容量电网并联运行时，保持其有 功功率恒定，调节励磁电流可以实现这两种运行状态 的相互转换。
2
第二章同步发电机的进相运行
U
图1-15 发电机进相运行相量图
3
第二章同步发电机的进相运行
发电机迟相运行时，供给系统有功功率和感性无 功功率，其有功功率和无功功率表的指示均为正值； 而进相运行时供给系统有功功率和容性无功功率，其 有功功率表指示正值，而无功功率表则指示负值，故 可以说此时从系统吸收感性无功功率。发电机进相运 行时各电磁参数仍然是对称的，并且发电机仍然保持 同步转速，因而是属于发电机正常运行方式中功率因 数变动时的一种运行工况，只是拓宽了发电机通常的 运行范围。同样，在允许的进相运行限额范围内，只 要电网需要是可以长时间运行的。
2. 发电机进相运行的相量关系
实际并入电网的同步发 电机是通过变压器、线路与 电网相联的。发电机进相运 行的相量关系如图1-15所示。
G
Eq jIxd
UG
s
I
此时发电机的功角为δG， 发电机电势与电网电压相量 之间的夹角为δs。

I
xd
jIxs
U
0
Ul
P jQ xs
4
第二章同步发电机的进相运行
3. 发电机进相运行特点
发电机进相稳定运行是电网需要时采用的运行技术，其运 行能力主要是由电机本体的条件确定。我国1989年颁布的《发 电机运行规则》第47条指出：“发电机是否能进相运行应遵守 制造厂的规定。制造厂无规定的应通过试验确定。进相运行的 可能性决定于发电机端部结构件的发热和在电网中运行的稳定 性。”
P发电厂一台QFQS-200-2型发电机 200 MW ,15.75kV ,8.625kA。 退出自动励磁调节器进相运行时，实测励磁电流与功角和机端 电压的关系如图。
70 0 时， f ( I e ) 曲线变得很陡，
表明励磁电流降到此值以后，若再发 生微量的减少，都会引起功角有较大 的增加，电机出现失步情况。
4）系统电压越高，无功储备越大，则发电机进相时 端电压 下降越少，发电机进相运行能力越强。 5）机机组所带的有功功率越多，则功角越大，静态稳定储备 越低。
19
第二章同步发电机的进相运行
2）端部漏磁引起的发热
发电机端部的漏磁是由定子绕组端部漏磁与转子绕组端部漏 磁组成的合成磁通。定子端部铁心、结构件的过热主要是由于端 部漏磁引起的。它的大小除与发电机的结构、型式、材料、短路 比等因素有关外，还与定子电流的大小、功率因数的高低等因素 有关。 由于大型内冷式汽轮发电机的电磁负荷设计值较一般外冷 式发电机明显增大，导致其端部漏磁明显加大。尽管在设计中采 用了一系列的技术措施，如定子压指、压圈，转子护环采用无磁 性钢，定子铁心端部加电屏蔽和磁屏蔽，边段铁心做成阶梯形， 端部小齿开槽等，来增加漏磁路的磁阻，以避免漏磁通集中，减 少由漏磁场感应产生的涡流损耗，降低端部温度，以维持温升在 允许的范围之内，但是随着运行方式由迟相逐渐过渡到进相，端 部合成磁通将会增大，引起发电机定子边段铁心及端部结构件上 的感应涡流增大，而产生附加发热。 20
2 UG 1 1 UG 1 1 ) 0为 ( 单位的点上，其半径长度为 2 ( x x ) ， 2 x s xd s d
如图1-16所示。此部分是进相运行时由静稳定决定的
理论上的最大容许值，考虑实际运行中突然过负荷等
因素的影响，比最大容许值还要低些。
18
第二章同步发电机的进相运行
结论：
1）带自动电压调节器后，进相能力明显增加。 2）发电机短路比大，即xd小，进相能力强。 3）发电机与系统联接紧密时，则进相能力强，而边 远地区 孤立的电厂，发电机进相能力小，甚至不能进相。
17
第二章同步发电机的进相运行
在静态稳定的极限(δs=90°时)，式中cosδs 项为 零。将上两式整理得
U 1 1 P Q ( 2 x s xd
2 2 G
U 1 1 ) ( 2 x s xd
2 G
2
)
2
（1－23）
由式（1-23）可以看出，计及外部电抗时进相运 行的静稳定极限为一圆特性。其圆心在Q轴上距原点
PM
式中：
' EqU ' Xd
UG sin sin 2 ' 2 Xd Xq
2
' Xd Xq
（1－16）
xd 为瞬变电抗；
Eq 为暂态电动势。
由于 xd xq ，所以功角特性曲线相当于一个与sinδ成比例 的部分和一个与sin2δ成比例的部分的合成。
13
第二章同步发电机的进相运行
设在迟相运行时，发电机的功角为δ1；进相运行时为δ2，在 运行方式由迟相逐渐过渡到进相时，由于If下降，引起Eq下降 （U也相应下降一些），而xd基本保持不变，则功角δ必然要增加， 即从δ1增到δ2 。此时最大功率点Pmax会下移。在δ=90°时， PM= Pmax，达到静态稳定极限。此时若再减少励磁电流，则会失 去稳定。
（2）外部阻抗xs≠0
从图1-15中的相量图可以导出：
P UI cos UI cos( )
（1－17） （1－18）
Q UI sin UI sin( )
当进相运行时，在输出有功功率一定的条件下，随着励 磁电流的减少，δ 角就要增大，从而使静态稳定性降低。式 （1-16）是发电机直接接在无限大容量母线上而得出的。实际 系统中，发电机经变压器、线路接到系统，所以需要计及这些 元件的电抗（统称为外部电抗xs ）。此时静态稳定性将进一 步降低。
14
第二章同步发电机的进相运行
图 1-16 表 示 隐 极 发
电机的可能出力曲线。图 中，a的部分受定子绕组 温升限制，b的部分受转 子绕组温升的限制，c的 部分受定子端部温升的限 制，通常是由运行试验确 定。d的部分表示外电抗 为零时，进相运行的静稳 定 极 限。e的 部 分 表 示 外 电抗不为零时，进相运行 的静稳定极限。 图1-16
第二章同步发电机的进相运行
100 例（2）一台TQN-100-2型发电机， MW ,10.5kV ,0.46kA 装有快速励磁调节器，在不投入或投入自动励磁调节器时进相 能力的实测数据见下表
进入人工稳定运行区运行，提高了进相运行的能力和进相 运行工况下抗干扰的能力。 11
第二章同步发电机的进相运行
（1－21）
2 2 UG 1 UG 1 U GU 1 1 （1－22） Q ( ) ( ) cos 2 G cos s cos G 2 x s xd 2 x s xd xs
由相量图可看出δ G与δ s成正比变化，所以P与Q 均为 δs 的函数。式（1-21）和（1-22）不仅可以计算 发电机功率的大小，还可以判断系统运行的稳定情况。
隐极发电机的可能出力曲线
15
第二章同步发电机的进相运行
当发电机接有外部电抗时，由图1-15的相量图可 得出进相运行时的有功功和无功功率表达式:
P U G I cos U G I cos( G ) U G I (cos cos G sin sin G )
Q U G I sin U G I sin( G ) U G I (sin cos G cos sin G )
由相量图可知
I sin I d (U G cos G U cos s ) xs
I cos I q U G sin G xd
16 （1－20）
第二章同步发电机的进相运行
代入式（1-19）和Biblioteka Baidu1-20）经运算整理得
2 UG 1 U GU 1 P ( ) sin 2 G cos s sin G 2 x s xd xs
6
第二章同步发电机的进相运行
以隐极发电机为例，设电势为Eq，电抗xd=xq，端电压为 UG，功率角为δG，则发电机的功角关系可用下式表示
PM
E qU G xd
sin
（1－13）
由上式可知看出，在Eq、UG、xd不变的情况下， PM的变化 会引起功角δ 的变化，在功角为90o时，PM达到最大输出功率
5
第二章同步发电机的进相运行
4. 发电机进相运行所导致问题分析 发电机进相运行,从理论上分析是可行的。但由于发电机 的类型、结构、冷却方式及容量有很大的差异，发电厂的电气 主接线各异，发电厂和系统连接的紧密程度不同等原因，在进 相运行是容许发出多少有功功率和吸收多少无功功率，理论上 的计算由于不考虑电机的饱和及励磁方式的影响等，其结果是 近似的，一般要通过运行试验来决定。运行和试验时应注意的 问题如下： 1）静态稳定性的降低 当同步发电机的输入功率受到一些微小的扰动，发生瞬时 的增大或减小时，如果不考虑调节器的作用，发电机能在这种 瞬时扰动后很快恢复到原来的平衡运动状态，这称为发电机的 静态稳定。反之，称为静态不稳定。
8
第二章同步发电机的进相运行
例：N水厂一台TS854/156-40型、 75MW的水轮发电机，实测有功功率 恒定时励磁电流和功角的关系如图。 功角随励磁电流减小而增大。
30 0 时，增加比较缓慢。
30 0 时，励磁电流稍有减小，
功角增加很快。
讨论：上述的功角特性是指发电机励磁系统不带自动电压调 节器而言。如果发电机在运行时带上自动电压调节器，则功角特 性会有一些不同，最大电磁输出功率Pmax会向右移动，使得Pmax 所对应的功角δ ＞90°，实现发电机在人工稳定区域运行。 9