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并列發(fā)電機組之間的無功功率分配 |
并列運行發(fā)電機組指的是在同一母線上并列運行的發(fā)電機,或在同一高壓母線上并列運行的發(fā)電機一變壓器組。當改變并列運行中一臺發(fā)電機的勵磁電流時,該機的無功功率就會變化,同時還會影響并列運行發(fā)電機組間無功功率的分配,甚至還會引起并列運行的母線電壓改變。這些變化與同步發(fā)電機的外特性密切相關,對外特性有一定要求。
柴油發(fā)電機組并車線路示意圖 |
1.無差特性的發(fā)電機與正調差特性的發(fā)電機并列運行
如圖1所示,1號機為無差特性1,2號機為正調差特性2。當兩機在同一母線并列運行時,母線電壓等于1號機端電壓并保持不變。2號機無功功率為Q2;1號機的無功功率取決于用戶所需的無功功率。當無功負荷變動時,2號機的無功功率保持不變,仍為Q2,1號無差機將承擔全部無功負荷的變動。
移動2號機特性曲線2,可改變兩機間無功功率的分配。移動1號機特性曲線1,不僅母線電壓要發(fā)生變化,而且2號機的無功功率也要發(fā)生變化。
由以上分析可見,一臺無差特性發(fā)電機可以與一臺或多臺正調差特性發(fā)電機在同一母線上并列運行,但發(fā)電機組間的無功功率分配是不合理的,所以實際上很少采用。
兩臺無差特性的發(fā)電機,即使端電壓調得完全相同,也不能在同一母線上并列運行,因為兩機間無功功率分配是任意的,所以兩機間會發(fā)生無功功率的擺動,不能穩(wěn)定運行。
圖1 無差特性與正調差特性發(fā)電機組并聯(lián)圖 |
2.負調差特性發(fā)電機與正調差特性發(fā)電機并列運行
如圖2所示,1號機為負調差特性1,2號機為正調差特性2。當兩機在同一母線上并列運行時,若并列點母線電壓為UG1,則1號機無功功率為Q1;2號機無功功率為Q2,但這是不能穩(wěn)定運行的。因為當無功需求增加時,1號負有差機將升高電壓,2號正有差機將降低電壓,導致AER處上限工作;同樣,當無功需求減小時,導致AER處下限工作;或者在兩發(fā)電機組間無功功率發(fā)生擺動,發(fā)電機組無法穩(wěn)定運行。因此,不允許負調差特性發(fā)電機參與直接并列運行。
圖2 負調差特性與正調差特性發(fā)電機組并列圖 |
3.兩臺正調差特性發(fā)電機并列運行
兩臺正調差特性發(fā)電機并列運行時,各臺發(fā)電機承擔的無功功率由各自的調差系數(shù)δ確定,同時各臺發(fā)電機組無功功率之和等于總無功功率,由此也確定了電壓。
如圖3所示,兩臺發(fā)電機均具有正調差系數(shù)。若并列點母線電壓為UG1,則兩機無功功率分別為Q1、Q2,Q1與Q2具有確定的關系。如果由于某種原因無功功率發(fā)生了變化,如無功功率增加,電壓下降為UG1,兩機無功功率分別為Q1、Q2。
圖3 兩臺正調差特性發(fā)電機組并列運行圖 |
無功功率減小時,也有類似過程。這說明,兩臺或兩臺以上均具有正調差特性發(fā)電機并列運行可維持無功功率的穩(wěn)定分配,能穩(wěn)定運行,保持并列點母線電壓在給定值水平。
理想的情況是,發(fā)電機組間無功功率的分配與發(fā)電機組容量成正比,無功功率增量也應與發(fā)電機組容量成正比。對其中的任一機,當機端電壓為UG、無功功率為Q時,在圖3中根據(jù)相似三角形原理可寫出關系式
當機端電壓為U′G、無功功率為Q′時,同樣可得
式(6-12)減式(6-13),可得
用標幺值表示為
式中 ΔQ* ——以額定無功功率為基準的無功變化量標幺值,ΔQ* =(Q′-Q)/QN;
ΔUG* ——機端電壓變化量標幺值,ΔUG* =(U′G-UG)/UGN=ΔUG/UGN。
或寫成
ΔUG* = -δΔQ* ...................................... (6-16)
當母線電壓波動時,發(fā)電機無功功率(電流)的增量與電壓偏差成正比,與調差系數(shù)成反比,而與電壓整定值無關。式中“-”號表示無功功率增加時端電壓降低,無功功率減小時端電壓升高(δ>0)。
將式(6-12)改寫為
由式(6-17)可以看出,要使發(fā)電機組間無功功率按發(fā)電機組容量分配(即兩機的Q值相等),其條件是:兩機(或多機)的調差系數(shù)δ相等,同時兩機(或多機)的UG0相等(因發(fā)電機組并聯(lián),UG0一定相等)。調差系數(shù)8不相等時,調差系數(shù)愈小,發(fā)電機承擔的無功功率比例愈大。
4.并列運行發(fā)電機組間無功功率分配計算
下面分析多臺發(fā)電機并列運行時,當總無功功率增量ΔQ∑時,母線電壓下降,各調節(jié)器動作增加勵磁電流,相應輸出無功功率的增加是各臺發(fā)電機組的無功功率增量與各發(fā)電機組無功調差系數(shù)δi的關系。
總無功功率增量標幺值為ΔQ∑
與單臺發(fā)電機組無功功率增量標幺值與電壓增量標幺值關系對比,可得多臺發(fā)電機組無功功率總增量標幺值與電壓增量標幺值關系,即多臺發(fā)電機組并聯(lián)運行,可等值為一臺發(fā)電機組,其等值發(fā)電機調差系數(shù)為
總無功增量率為
總無功負荷變化時引起的母線電壓變化為
ΔUG* =-δ∑ΔQ∑* ...................................... (6-21)
各發(fā)電機組無功功率的變化量為
ΔQi =ΔQi*QNi =-(ΔUG*/δi)QNi...................................... (6-22)
【例6-1】 兩臺發(fā)電機發(fā)電機組并聯(lián)運行,1號機額定功率600MW,調差系數(shù)為0.04。2號機額定功率300MW,調差系數(shù)為0.05。兩臺發(fā)電機組功率因數(shù)均為0.85。若發(fā)生無功負荷增量為總無功容量的20%時,問各發(fā)電機組承擔的無功負荷增量是多少?母線電壓波動是多少?
解 1號機額定無功功率
QGN1 = PGN1tgφ1 = 371.76(Mvar)
2號機額定無功功率
QGN2 = PGN2tgφ2 = 185.88(Mvar)
由式(6-19)得等值調差系數(shù)為
由式(6-21)得母線電壓波動為
ΔU* =-δ∑ΔQ∑* =-0.042 9×0.2=0.0085 8
由式(6-22)得各發(fā)電機組承擔的無功負荷增量(相對各發(fā)電機組額定容量)為
可見,調差系數(shù)小的發(fā)電機組承擔的無功負荷增量標幺值較大。
5.發(fā)電機一變壓器組并列運行
當采用發(fā)電機一變壓器組并列運行時,若發(fā)電機采用正差特性,母線將隨無功增加而變得很低。發(fā)電機采用負差調節(jié)特性,電壓隨無功增加而上升,而變壓器上由無功產生的壓降也增加,因此發(fā)電機一變壓器組在高壓側母線上為正有差特性,有利于維持電壓。
如圖4所示,若將變壓器T1、T2的阻抗合并到發(fā)電機G1、G2的阻抗中,則對并列點高壓母線來說,仍可看作兩發(fā)電機并列運行,故發(fā)電機的外特性曲線必須是下傾的,如圖5中實線1和實線2,這樣才能穩(wěn)定兩機無功功率的分配。
圖4 兩臺發(fā)電機并列運行接線圖 |
圖5 兩臺發(fā)電機并列運行外特性曲線圖 |
注意到勵磁調節(jié)器輸入電壓為機端電壓UG1、UG2,考慮到變壓器壓降jI′GQ1XT1、jI′GQ2XT2,高壓側并列母線的電壓為
U=U′G1-I′GQ1XT1 ...................................... (6-23)
U=U′G2-I′GQ2XT2...................................... (6-24)
式中 U——高壓側并列母線電壓值;
U′G1、U′G2 ——折算到高壓側的機端電壓值;
I′GQ1、I′GQ2——折算到高壓側的發(fā)電機G1、G2的無功電流;
XT1、XT2——折算到高壓側的變壓器T1、T2的電抗值。
根據(jù)式(6-23)、式(6-24)可分別作出以U′G1、U′G2為縱坐標的發(fā)電機外特性曲線,如圖5中虛線1′、2′所示,具有負調差系數(shù)。容易看出,若外特性1′、2′具有正調差特性,相對并列點電壓的發(fā)電機外特性曲線1、2傾斜角會更大,于是無功功率的變化引起高壓母線有較大的波動。一般情況下,并列點電壓外特性的調差系數(shù)在5%左右,所以圖5中特性曲線1′、2′為負調差系數(shù),這樣可維持并列點高壓母線的電壓水平,對提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性是很有益的。
總之,對于機端直接并列運行的發(fā)電機,無差特性的發(fā)電機不得多于一臺,負調差特性的發(fā)電機不允許參與并列運行;為使無功功率按發(fā)電機組容量分配,并列運行發(fā)電機的外特性曲線UG=f(Q*)應重合,并具有正調差系數(shù);發(fā)電機一變壓器組在高壓母線上并列運行,對并列點電壓來說仍應有正調差系數(shù)。為維持高壓母線的電壓水平,對機端電壓來說可以是負調差特性,仍能穩(wěn)定無功功率的分配。
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