大型同步发电机进相运行的分析
QFQS—200发电机进相运行稳定性分析
QFQS—200发电机进相运行稳定性分析随着大容量机组的投入、地区电网的联合、分布式电网的并入、供电电缆的广泛使用、输电配电线路的增加，系统中枢点母线电压普遍升高，线路无功功率明显过剩。
这已经成为电力系统突出的问题。
过多的无功功率不仅会影响电网电压的质量，还会影响设备的运行质量。
在电力系统中选取合适的大容量发电机组进相运行，即在保持发出有功功率不变的情况下，调节励磁电流，使发电机进入欠励磁状态。
进相运行的机组功率因数从正转负，向系统发出容性无功，进而降低系统运行电压。
本文以一台*****2汽轮发电机为研究对象，利用MATLAB/Simulink軟件，建立带有自动励磁调节器的发电机进相运行系统模型。
首先，分3种工况进行仿真，与电厂相同工况运行的实际试数据相对比，验证模型的正确性。
然后，针对发电机带有120MW负载的工况，分析进相深度对系统稳定性的的影响。
最后，在此模型基础上增加一台汽轮发电机组，研究两台机组进相运行的特点与优势。
1 进相运行制约条件发电机进相能力一般与本身的结构参数、特性以及冷却方式有关。
在维持有功功率恒定情况下，调节励磁电压，进而改变发电机的定子感应电势。
在功率因数由正转负的过程中，无功功率从感性转变为容性。
随着励磁电流越来越低，进相程度加深，功角越来越大，这必然会影响系统稳定性。
功角的变化会导致发电机端部漏磁增加，使定子端部发热加重。
发电机进相运行过程中，机端电压也会跟着降低，一般规定最低电压不能超过90%的额定电压。
所以进相运行要受到稳定极限、定子铁芯温升、机端最低电压的条件制约。
随着制造工艺水平的提高与氢冷技术的大量采用，定子端部因为漏磁通的影响导致局部过热不再是大容量发电机进相运行主要限制条件。
在发电厂通常采用提高母线电压的方式缓解厂用电的电压问题，但辅助设备的增加使厂用负荷加大，即使母线提高电压，机端电压降低的影响也越来越大，不能忽视。
功角增大可能威胁系统的静态稳定，一旦机组运行在临界区域时会影响系统的暂态稳定，而且相邻发电机运行方式差别较大还易引起系统的低频振荡。
发电机进相运行相关问题探讨
区域治理智能电力与应用发电机进相运行相关问题探讨李明瀚辽宁华电铁岭发电有限公司，辽宁 铁岭 112000摘要：发电机进相运行对于保证整个电力系统稳定运行等方面起着非常重要的作用，而发电机在实际进相运行中，受到了多方面的影响，为了全面保障发电机在电力系统中发挥有效的促进作用，积极强化对当前发电机进行运行相关问题的分析，对于实际工作的进行起着非常重要的意义。
关键词：发电机；进相运行；相关问题；探究分析发电机进相运行主要体现在当发电机以定子电流运行的情景下，如果电流滞后于端电压，那么则会导致整个系统运行出现在过励磁运行的状态，那么则是迟相运行。
与以上状态相反的则是发电机进项运行，即表现为发电机的定子电流是超前于端电压，一般表现为欠励磁运行状态。
对于发电机运行而言，如果其处于迟相运行和进相运行状态中间时，那么将会导致发电机都会存在有功功率，但是迟相运行状态下的无功功率属于感性无功功率，进相无功功率属于容性无功功率，工作人员对两种状态做好监测工作，会明显发现功率表的数值是不同的。
而且，发电机进相运行状态在电厂规程里，是作为一种异常状态而存在的，会导致发电机吸收感性无功功率。
但是，随着发电机运行范围发生变化，进相运行状态在功率因数变化的基础上，也被视为一种正常的运行状况。
这主要体现在发电机进相运行情景下，发电机的各个系统都是保持在同速运转的情景下，而如果各电气参数始终保持对称，那么则是属于正常现象。
所以，在当前诸多电厂中，发电机保持为一种进相运行的状态也是属于正常状态。
为了明确进相运行状态是否会受到多方面的影响，尽力保证发电机的正常化运行，强化对发电机进相运行相关问题的分析，对于实际工作的进行具有非常重要的意义[1]。
一、电厂电压限制问题分析发电机进相运行中，发电厂电压设定额数对于进相运行结果和状态起着非常重要的影响作用。
如，某电厂的电压最大限制为80MVAR，但是为了明确进相真正的能力，需要在常用电厂所使用的备用电源启动前提下，进行科学化的试验工作。
第二章大型发电机进相运行
由上式可P知M看出E，xqUd在G Esiqn、UG、xd不（变1－的1情3）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
Pmax
EqUG xd
（1－14）
对式（1-14）求导得
dPM EqU cos d xd
（1－15）
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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
在 dPM 0 时，发电机能保持静态稳定；
d
在 dPM 0 时，发电机会失去静态稳定。 d
因此，dPM 可以做为发电机静态稳定的判据。
d
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。
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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。
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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。
300 时，增加比较缓慢。
300 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。
同步发电机进相运行分析
同步发电机进相运行分析摘要：本文主要阐述当发电机进相运行时，对发电机静态稳定的影响及稳定储备系数的限制。
同时对发电机端部发热情况的分析，以及对厂用电电压的影响及减少发电机端部漏磁的措施。
关键词：发电机；进相；迟相；无功功率；静态稳定；磁通1.概述随着电力系统的不断发展，高压输电线路和电缆长度不断增加，以及为弥补高峰负荷时无功的不足，在电网中分散装设许多静电电容，这些都使系统的电容性无功功率增加，因而在低负荷运行时，系统或系统的某部分，容性无功可能超过负载感性无功和网络无功损耗之和，并在电网的某些枢纽点上会产生电压上升，以致超过容许范围。
例如元宝山发电责任公司三台600MW机组由于处在电网末端，发电机出口母线电压经常升高，造成发电机进相运行使其定子端部的压指、压圈等部件产生过热而受到损坏，因此元电在500KV母线并联一组可调电抗器来吸收多余的无功功率，但这总有一定限度，且增加了设备投资。
因此早在五十年代，国外就开始试验研究大容量发电机进相运行，以吸收无功功率进行电压调整。
近些年来我国也广泛开展了进相运行的研究工作。
实践表明，发电机进相运行是切实可行的。
进相运行，实际就是发电机在欠激状态下运行。
发电机在过激时，会向系统送出无功，这时定子电流落后于端电压。
而欠激磁时会吸收系统无功，或者说向系统送出电容性无功，补偿系统电容性负荷，定子电流超前于端电压。
发电机这种欠励磁进相运行方式，对发电机静态稳定和端部发热都产生不利的影响。
因此在《发电机运行规程》中不能不作出一定的限制，要求在有自动电压调整器时，容许短时间在cosΦ＝﹙0.95～1﹚范围内运行。
对于进相运行时，容许的有功和无功出力一般要通过试验，根据静态稳定和端部发热情况决定。
2.进相运行对静态稳定的限制以隐极同步发电机与无穷大电网并联为例，若发电机直接与电网，其功角特性为：Pdc=m（E0U/Xd）sinδ.上式中：Pdc（发电机电磁功率）；E0（发电机空载电势）；U（发电机端电压）；Xd（发电机同步电抗）；δ（功角）。
同步发电机的进相运行
一、发电机安全运行极限
E0
I
jIxt
U P
mE0U xt I f
mU 2 xd
I
mIU I S
Q
实际稳定极限
定子发热极限
P 原动机输出极限
B
G
A 转子发
热极限
F
隐极同步发电机安全运行极限图
DQ
I
cos 0.8 超前
cos 0
900
cos 0.8滞后 P2
P2
P2 0
超前
欠励
• 为了顺利地实行进相运行，可考虑厂用变压器采 用带负荷调压的变压器，或者把进相运ห้องสมุดไป่ตู้机组的厂 用电转由厂用高压备用变压器供给。
同步发电机的进相运行
• 进相运行的概念
• 发电机向电网输出有功功率和吸收无功功率
• 进相运行的意义
• 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采越高，输电距离越 来越长，加之许多配电网络使用了电缆线路，从而引 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，就会使电网的电压上升，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。
正常励磁
滞后 I f
过励
E0 jIxt U
I
四、进相运行对厂用电压的影响
• 厂用电引自发电机出口或发电机电压母线。在进相 运行时，随着发电机电压的降低，厂用电电压也要 降低。
• 一般情况下，当发电机电压低于额定值的5％、厂 用电电压低于额定值的10％的条件下，应能保证厂 用大型电动机的连续运行。对于一个发电厂来说， 通常选作进相运行的发电机只是某一、两台，所以 可以保持机端电压在额定值的95％以上。需要特别 注意的是在进相运行时，厂用电支路又发生故障， 此时应能保证大型厂用电动机(例如给水泵电动机) 的自启动。此外也要考虑厂用低压电动机由于过电 流而引起的过热问题。
同步发电机进相运行
同步发电机进相运行发电机进相运行是利用系统现有设备，吸收电网负荷低谷时的过剩无功功率，实现无功平衡，满足降压实际需要而采取的有效措施。
在进相运行限额值的范围内运行是安全的。
标签：必要性；状态分析；特点1.发电机进相运行的必要性在高电压、远距离输电的大电网中，当电力负荷处于低谷时，在轻负荷的高电压长线路和部分网络中，会出现系统电压升高甚至电压超上限的情况，并有日趋严重的态势。
这不但破坏了电能质量、影响电网的经济运行，也威胁电气设备特别是磁通密度较大的大型变压器的安全运行以及用电安全。
因此急需寻求有效的降压措施。
适时将发电机进相运行，就能降低电压，抑制和改善网络运行电压过高的情况。
该方法技术措施易于实现，运行操作方便、灵活，可获得显著的经济效益，已成为一种切实可行的调压方式，在系统中已经得到广泛的应用。
2.同步发电机进相运行的状态分析发电机进相运行是一种同步低励磁正常稳定运行方式，相对于发电机静子电流IG滞后于静子电压UG的迟相运行而言，进相运行时功率因数是超前的，即发电机静子电流IG超前于静子电压UG。
该方式运行时，发电机发出有功功率的同时，可不发或从系统吸收无功功率。
假定发电机直接接于无限大容量电力系统。
端电压UG保持不变，设发电机电势为Eq，定子电流为IG功率因数角为Φ，功角为δ，发电机同步电抗为Xd。
如果调节励磁电流If，Eq随之发生变化，功率因数角Φ同时发生变化。
如果增加发电机励磁电流If，Eq则变大，此时发电机负荷电流产生去磁电枢反应，功率因数角Φ是滞后的，即发电机定子电流IG滞后于发电机的定子电压UG，发电机同时向系统输送有功、无功功率。
发电机这种运行状态称之为迟相运行状态。
反之如果减少发电机励磁电流If，使发电机电势Eq减小，发电机负荷电流将产生助磁电枢反应，功率因数角Φ变为超前，即发电机定子电流IG超前于定子电压UG，发电机向系统输送有功功率，但从系统吸收无功功率。
发电机这种运行状态称之为进相运行状态。
同步发电机及其进相运行
同步发电机及其进相运行同步发电机正常运行时发出感性无功，但由于系统无功过剩、电压偏高，为维持系统电压稳定，实际有时会有一定程度的进相，即吸收感性无功。
近期河源电厂1、2号机都出现不同程度的进相，由于河源电厂AVC系统为广东电网新投入系统，技术并不特别成熟，实际运行时常出现AVC自动退出、DCS值与NCS值不符、越定值运行等异常情况，且机组并未做过相关的进相运行试验，给运行监视调整带来一定难度。
本文以电磁感应为基础，从同步发电机内部磁场分布入手，得出同步发电机电压、功率方程，进而得出发电机的静稳定极限曲线，为之后的进相运行探究提供理论基础。
一、隐极同步发电机电压方程发电机并网前，转子中通入励磁电流以后，将会在发电机内部建立一个旋转磁场--主磁场，主磁场切割电枢绕组（即定子绕组），将在电枢绕组感生激磁电动势E0，忽略高次谐波，E0=4.44fN1k w1Φ0，忽略铁磁磁饱和，主磁通Φ0正比于励磁电流I f，所以E0∝I f。
发电机并网后，定子绕组形成回路，产生频率为50Hz的交变电流I，I同时也会在发电机内部感应出与转子同步、与主磁场保持静止的旋转磁场—电枢磁场，即产生电枢反应，同样，电枢磁场也会在电枢绕组感生电枢电动势E a。
主磁场与电枢磁场合成气隙磁场。
于是，采用发电机惯例，以输出电流作为电枢电流的正方向，机端电压方程为：E0+E a-I（R a+jXσ）=U，（式1-1）其中R a为电枢绕组电阻，Xσ为漏抗；不难理解，电枢电动势E a正比于电枢反应磁通Φa，不计磁饱和时，Φa又正比于电枢电流I，即E a∝Φa∝I，根据法拉第电磁感应定律，E a滞后于Φa90°电角度，而Φa与I同相位，所以E a可以写成：E a=-jIXa，Xa为电枢反应电抗；代入式1-1，可得：E0-jIX a-I（R a+jXσ）=U，整理得：U = E0-IR a-jI（Xa+Xσ）= E0-IR a-jIX s，式中X s= Xa+Xσ，称为同步电机的同步电抗，它是表征同步电机运行时电枢反应和电枢漏磁这两个效应的一个综合参数，不计磁饱和时为常值，可以得到隐极同步发电机的等效电路图：图1 同步发电机等效电路图和相量图：图2 同步发电机相量图图2中E0与I夹角Ψ0为内功率因数角，E0与U夹角δ为功率角，U与I夹角φ为功率因数角。
发电机进相运行分析
发电机进相运行分析发电机正常运行时,向系统提供有功的同时还提供无功,定子电流滞后于端电压一个角度,此种状态即迟相运行.当逐渐减少励磁电流使发电机从向系统提供无功而变为从系统吸收无功,定子电流从滞后而变为超前发电机端电压一个角度,此种状态即为发电机的进相运行工况。
发电机进相运行时各电气参数是对称的，并且发电机仍保持同步转速，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，只是拓宽了发电机正常的运行范围。
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期运行的。
一、发电机进相运行的限制因素1、发电机的静态稳定限制;2、发电机出口电压的限制;3、6kV厂用电压的限制;4、发电机定子端部温度的限制;5、发电机定子电流过负荷限制;二、发电机进相运行的条件1、发电机进相应在系统低谷负荷时段，电压偏高时进行。
2、主要辅机运行正常，机组运行稳定。
3、发电机组完成进相试验，具备进相运行条件三、发电机进相运行的种类发电机进相运行分两种，一种是调度要求的发电机正常进相，另一种是机组异常情况下的进相。
第一种进相的情况，由于系统无功功率过剩的原因，调度要求发电机进相运行，要注意以下情况：1. 厂用母线的电压，不能低于额定电压的10%。
如6.3KV母线电压不得降至5.7kV以下,380V母线电压不得降至361V，对于发电机出口电压一般不需考虑，因为此时发电机出口电压一般是比较高的。
2. 要加强对发电机各部分温度的监视。
定子铁芯温度不高于120℃;定子线圈层间温度不高于120℃;定子线圈出水温度不高于75℃。
3. 要确保发电机冷却系统运行正常。
4. 进相运行时间要按各厂的规定及发电机各部温升情况决定。
第二种进相运行的情况，在发电机滞相运行时，如果是由于某种原因造成发电机低励失磁，但低励失磁保护又未动作，此时发电机由同步运行状态逐步进入异步运行。
在一定条件下，异步运行将破坏电力系统的稳定，并威胁发电机本身的安全。
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大型同步发电机进相运行的分析
刘俊宝
河北大唐国际王滩发电有限公司河北唐山063611
摘要：介绍了同步发电机进相得原理，综述了同步发电机主要考虑的端部发热温升、厂用电压限制、功角稳定、低了励限制等几方面的限制因素。
同时，提出了同步发电机进相得注意事项，并论述了同步发电机进相运行时，操作人员的处理措施，为运行操作人员进行事故处理时提供了良好的理论基础。
关键词：同步发电机；进相运行；制约因素；事故处理
中图分类号：TB857文献标识码：A
同步发电机进相运行的原理
发电机正常运行时,向系统提供有功的同时还提供无功,定子电流滞后于端电压一个角度,此种状态即迟相运行.当逐渐减少励磁电流使发电机从向系统提供无功而变为从系统吸收无功,定子电流从滞后而变为超前发电机端电压一个角度,此种状态即进相运行.根据发电机的进相深度，发电机处于静态稳定或暂态稳定运行状况，未达到发电机诗词保护动作区，发电机可维持短时运行。
制约发电机进相运行的主要因素
1）发电机定子端部发热温升。
发电机进相运行，定子电流增加，定子发热增大；发电机进相，端部漏磁通变化比增大，使得端部发热最严重。
当发热量大于散热量时，发电机定子线圈温度持续上升。
（2）电网功角稳定
在相同的有功出力下，进相程度（称为深度）越大，即功率因数角就越大，从而功角就越大。
从发电机的运行特性来说，功角过大，就会导致发电机进入不稳定工作区域，故此一般发电机均设有关于功角的限制实际电网发电机的功角限制为70°。
（3）低励限制设定
由于励磁电流的减小，不得不提到最小励磁电流限制，一旦励磁电流小到一定的值，将导致发电机失磁运行或可能导致发电机进入不稳定区域（可能造成失步等）。
（4）厂用电电压的限制
发电机正常运行过程中即发有功也发无功，在滞相运行过程中发电机发出感性无功，感性无功在发电机的磁场中起增磁作用，当发电机进项运行后发电机吸收网上无功，此时发电机无功变为容性无功，在发电机磁场中起去磁作用，从而导致端电压下降，进而厂用电电压也大幅下降。
发电机进相运行的注意事项
（1）发电机进相运行时，发电机励磁调节器应运行在自动方式，发电机励磁调节器低励限制器及发电机失磁保护投运正常。
（2）发电机进相运行时，应根据中调要求，按值长命令调节发电机进相深度。
若因网上电压高，发电机自动进相运行，应对发电机各参数加强监视。
（3）在增、减发电机励磁时，速度要缓慢，切忌快速大幅度调节，进相运行的限制值目前控制在-50Mvar和-80Mvar之间，且始终保持小于低励限制动作值。
（4）在降低发电机励磁时，若低励限制器动作，应立即停止降低发电机励磁，适当增加发电机励磁。
（5）发电机进相运行时，要注意监视发电机的静稳定情况，发电机各表记指示正
常无摆动，防止发电机失步发生。
（6）发电机进相运行时，应严密监视发电机定子铁芯端部的温升，防止发电机过热的发生，铁芯端部（即背部）的温度不超过120℃、铜屏蔽齿压板（即铁芯夹）温度不超过120℃。
（7）发电机进相运行时，厂用电压不应低于额定值的95%（6KV各段最低电压不低于5700V，400V各段最低电压不低于361V），发电机定子电压不应低于额定值的95%，进相运行期间应保持发电机定子电流不超过额定值。
（8）发电机进相运行时，如发现其它运行机组有功、无功有明显的摆动现象时应即刻增加该发电机励磁电流，同时汇报值长，恢复该发电机滞相运行。
（9）发电机进相运行时，若因网上出现跳机等原因引起网上无功大幅波动，不应干涉发电机励磁调节器动作。
（10）当网上电压正常后，应根据值长命令恢复发电机滞相运行。
发电机进相运行中的事故处理
（1）在发电机发生进相运行，而励磁电压、励磁电流未将到零，即发电机未失磁的情况下，电器主操作应采取一下措施：1）严禁增加有功负荷，应立即降低有功负荷至额定值得40%，调整过程应缓慢，防止过快调整负荷造成发电机失步。
2）检查发电机励磁调节柜，是否有报警信号，对发电机进相运行原因进行初步判断.若无励磁调节器故障、整流二极管故障，应对发电机进行增磁操作，逐渐减小发电机进相深度，至退出进相运行。
3)在恢复发电机正常励磁过程中，应连续监视发电机定子温度，监视母线电压，做到有问题及时发现及时处理。
4)发电机允许进相运行10分钟，若在此期间发电机未能退出进相运行，应立即解列停机。
（2）发电机失磁异步运行现象及处理措施。
发电机在进相运行中，在励磁系统调整中有可能失磁，进相至较深的进相深度时也可能转入异步运行。
发电机组装有失磁保护装置.为了使保护装置在系统发生振荡时不致误动,发电机由自动励磁切换到手动励磁，备用励磁电源投入运行（如果未自动投入，应迅速手动启动备用整流柜恢复励磁），然后降低有功负荷，增加励磁。
如果不是发电机励磁回路故障，发电机仍可拉入同步而恢复正常工作.如果备用励磁投入运行后，发电机的失磁现象仍未消除，那么经过1S，失磁保护动作将发电机自系统解列，否则应该手动解列。
（3）线路电压、厂用电电压过低处理措施：
如发电机机端电压过低或厂用电压低于5.6KV，应及时在上位机上调整无功，使机组机端电压、厂用电压恢复至正常值（5.9KV以上）。
如调整无效，应及时退出AVC装置，手动增磁，将厂用电电压恢复至规定值，如励磁系统故障无法进行增/减磁调整，必要时将厂用电倒换至启备变接待。
防止因厂用电压持续降低造成低压保护动作，引起设备跳闸。
参考文献：
[1]王成亮,王洪华.同步发电机进相研究综述[J],电力自动化设备,2012,20(11):15-17
[2]何仰赞，温增根，周勤慧.电力系统分析(下册，修订版)，华中理工大学出版社1996．7
[3]李俊．300Mw汽轮发电机进相运行实践．电力设备，2003，4(1)：1-4。