并列發電機組之間的無功功率分配
發布時間：2024-06-08 點擊：482
并列發電機組之間的無功功率分配
并列運行發電機組指的是在同一母線上并列運行的發電機，或在同一高壓母線上并列運行的發電機一變壓器組。當改變并列運行中一臺發電機的勵磁電流時，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。這些變化與同步發電機的外特性密切相關，對外特性有一定要求。
柴油發電機組并車線路示意圖
1．無差特性的發電機與正調差特性的發電機并列運行
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，不僅母線電壓要發生變化，而且2號機的無功功率也要發生變化。
由以上分析可見，一臺無差特性發電機可以與一臺或多臺正調差特性發電機在同一母線上并列運行，但發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，所以兩機間會發生無功功率的擺動，不能穩定運行。
圖1 無差特性與正調差特性發電機組并聯圖
2．負調差特性發電機與正調差特性發電機并列運行
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；或者在兩發電機組間無功功率發生擺動，發電機組無法穩定運行。因此，不允許負調差特性發電機參與直接并列運行。
圖2 負調差特性與正調差特性發電機組并列圖
3．兩臺正調差特性發電機并列運行
兩臺正調差特性發電機并列運行時，各臺發電機承擔的無功功率由各自的調差系數δ確定，同時各臺發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，兩臺發電機均具有正調差系數。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電機并列運行可維持無功功率的穩定分配，能穩定運行，保持并列點母線電壓在給定值水平。
理想的情況是，發電機組間無功功率的分配與發電機組容量成正比，無功功率增量也應與發電機組容量成正比。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，發電機無功功率（電流）的增量與電壓偏差成正比，與調差系數成反比，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，要使發電機組間無功功率按發電機組容量分配（即兩機的q值相等），其條件是：兩機（或多機）的調差系數δ相等，同時兩機（或多機）的ug0相等（因發電機組并聯，ug0一定相等）。調差系數8不相等時，調差系數愈小，發電機承擔的無功功率比例愈大。
4．并列運行發電機組間無功功率分配計算
下面分析多臺發電機并列運行時，當總無功功率增量δq∑時，母線電壓下降，各調節器動作增加勵磁電流，相應輸出無功功率的增加是各臺發電機組的無功功率增量與各發電機組無功調差系數δi的關系。
總無功功率增量標幺值為δq∑
與單臺發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，即多臺發電機組并聯運行，可等值為一臺發電機組，其等值發電機調差系數為
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】兩臺發電機發電機組并聯運行，1號機額定功率600mw，調差系數為0.04。2號機額定功率300mw，調差系數為0.05。兩臺發電機組功率因數均為0.85。若發生無功負荷增量為總無功容量的20％時，問各發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）得等值調差系數為
由式（6-21）得母線電壓波動為
δu* =－δ∑δq∑* =－0.0429×0.2=0.00858
由式（6-22）得各發電機組承擔的無功負荷增量（相對各發電機組額定容量）為
可見，調差系數小的發電機組承擔的無功負荷增量標幺值較大。
5．發電機一變壓器組并列運行
當采用發電機一變壓器組并列運行時，若發電機采用正差特性，母線將隨無功增加而變得很低。發電機采用負差調節特性，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，仍可看作兩發電機并列運行，故發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，這樣才能穩定兩機無功功率的分配。
圖4 兩臺發電機并列運行接線圖
圖5 兩臺發電機并列運行外特性曲線圖
注意到勵磁調節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。
根據式（6-23）、式（6-24）可分別作出以u′g1、u′g2為縱坐標的發電機外特性曲線，如圖5中虛線1′、2′所示，具有負調差系數。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在5％左右，所以圖5中特性曲線1′、2′為負調差系數，這樣可維持并列點高壓母線的電壓水平，對提高電力系統的穩定性是很有益的。
總之，對于機端直接并列運行的發電機，無差特性的發電機不得多于一臺，負調差特性的發電機不允許參與并列運行；為使無功功率按發電機組容量分配，并列運行發電機的外特性曲線ug＝f（q*）應重合，并具有正調差系數；發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。為維持高壓母線的電壓水平，對
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1．無差特性的發電機與正調差特性的發電機并列運行
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，不僅母線電壓要發生變化，而且2號機的無功功率也要發生變化。
由以上分析可見，一臺無差特性發電機可以與一臺或多臺正調差特性發電機在同一母線上并列運行，但發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，所以兩機間會發生無功功率的擺動，不能穩定運行。
圖1 無差特性與正調差特性發電機組并聯圖
2．負調差特性發電機與正調差特性發電機并列運行
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；或者在兩發電機組間無功功率發生擺動，發電機組無法穩定運行。因此，不允許負調差特性發電機參與直接并列運行。
圖2 負調差特性與正調差特性發電機組并列圖
3．兩臺正調差特性發電機并列運行
兩臺正調差特性發電機并列運行時，各臺發電機承擔的無功功率由各自的調差系數δ確定，同時各臺發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，兩臺發電機均具有正調差系數。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電機并列運行可維持無功功率的穩定分配，能穩定運行，保持并列點母線電壓在給定值水平。
理想的情況是，發電機組間無功功率的分配與發電機組容量成正比，無功功率增量也應與發電機組容量成正比。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，發電機無功功率（電流）的增量與電壓偏差成正比，與調差系數成反比，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，要使發電機組間無功功率按發電機組容量分配（即兩機的q值相等），其條件是：兩機（或多機）的調差系數δ相等，同時兩機（或多機）的ug0相等（因發電機組并聯，ug0一定相等）。調差系數8不相等時，調差系數愈小，發電機承擔的無功功率比例愈大。
4．并列運行發電機組間無功功率分配計算
下面分析多臺發電機并列運行時，當總無功功率增量δq∑時，母線電壓下降，各調節器動作增加勵磁電流，相應輸出無功功率的增加是各臺發電機組的無功功率增量與各發電機組無功調差系數δi的關系。
總無功功率增量標幺值為δq∑
與單臺發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，即多臺發電機組并聯運行，可等值為一臺發電機組，其等值發電機調差系數為
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】兩臺發電機發電機組并聯運行，1號機額定功率600mw，調差系數為0.04。2號機額定功率300mw，調差系數為0.05。兩臺發電機組功率因數均為0.85。若發生無功負荷增量為總無功容量的20％時，問各發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）得等值調差系數為
由式（6-21）得母線電壓波動為
δu* =－δ∑δq∑* =－0.0429×0.2=0.00858
由式（6-22）得各發電機組承擔的無功負荷增量（相對各發電機組額定容量）為
可見，調差系數小的發電機組承擔的無功負荷增量標幺值較大。
5．發電機一變壓器組并列運行
當采用發電機一變壓器組并列運行時，若發電機采用正差特性，母線將隨無功增加而變得很低。發電機采用負差調節特性，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，仍可看作兩發電機并列運行，故發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，這樣才能穩定兩機無功功率的分配。
圖4 兩臺發電機并列運行接線圖
圖5 兩臺發電機并列運行外特性曲線圖
注意到勵磁調節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。
根據式（6-23）、式（6-24）可分別作出以u′g1、u′g2為縱坐標的發電機外特性曲線，如圖5中虛線1′、2′所示，具有負調差系數。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在5％左右，所以圖5中特性曲線1′、2′為負調差系數，這樣可維持并列點高壓母線的電壓水平，對提高電力系統的穩定性是很有益的。
總之，對于機端直接并列運行的發電機，無差特性的發電機不得多于一臺，負調差特性的發電機不允許參與并列運行；為使無功功率按發電機組容量分配，并列運行發電機的外特性曲線ug＝f（q*）應重合，并具有正調差系數；發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。為維持高壓母線的電壓水平，對
發電機組廠家分享汽油、柴油和煤油的區別是什么?
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看排煙情況判斷沃爾沃柴油發電機組問題
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柴油發電機組潤滑油變質是怎么回事？需要更換嗎？
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康明斯發電機轉速低的原因及處理方法