发电机负载阶跃波形分析

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1、同步发电机负载阶跃录波图分析周尚军（武汉洪山电工科技有限公司，湖北武汉，430000）图1、某发电机无PSS满载时2%阶跃(A通道)图2、隐极同步发电机的电势电压相量图和等效电路很显然，根据《电机学》隐极同步电机的电势电压相量图可知，忽略定子电阻Ra时，有【E=U+j*I*Xt】Esinθ=I*Xt*cosΦEcosθ=U+I*Xt*sinΦ有功功率P=m*U*I*cosΦ=m*E*U*sinθ/Xt无功功率Q=m*U*I*sinΦ=m*U*(Ecosθ-U)/Xt视在功率S=从发电机负载阶跃的电气量录波图可以看出，

2、上阶跃时，励磁电压Uf、励磁电流If、机端电压U、无功功率Q上升（增加）在系统阻尼为正时，有功功率P衰减震荡、机端电流I衰减震荡，励磁电流If衰减震荡。与阶跃前的初始值相比，有功功率P稳态值P∞与初始值相同，机端电流I稳态值I∞小于初始值，励磁电流If稳态值If∞大于初始值。正阶跃时，给定Uref突增，Uf突增，Ug增大，If增大，Q增大。由于原动机没有调整，负载不变，所以Pe稳态值与阶跃前的初始值相同，P∞=Pm-ΣΔP。式中ΣΔP为各种有功损耗之和。由于AVR的恒机端电压闭环PID调节，被控量U很快稳定，因此Uf

3、也很快稳定。由于ΔUf=Kp*ΔU，式中，Kp为放大倍数。负载阶跃机端电压阶跃量ΔU=1%~4%（图示为2%）。依据做PSS前负载阶跃的高有功、低无功、功率因数近似为1的前提条件，励磁电压初始值Uf介于空载励磁电压Ufo与负载额定励磁电压Ufn之间，更接近空载励磁电压值Ufo。【Uf及If准确值取决于cosΦ=0.95~1的负载V型曲线】ΔUf=Ufc-Uf/Uf≈[2.5Ufn-Ufo]/Ufo=[7.5Ufo-Ufo]/Ufo=6.5Kp=ΔUf/ΔU=300+ΔQ=Δ(U*Ir)=ΔU*Ir

4、Ir=const+

5、U*ΔIr

6、U=constIr=const，所以ΔIr=0，所以ΔQ=ΔU*Ir。于是Q也很快到达新的稳定值。在Uf、Ug、Q迅速达到稳态值时，P、I及If仍然在衰减的阻尼震荡。在Uf、Ug、Q三者先达到稳态值而P、I、If仍在震荡的这个过程中，有功电流Ia=IcosΦ震荡，E*sinθ震荡；无功电流Ir=IsinΦ稳定，E*cosθ稳定。因此励磁电势E、定子电流I和功角θ、功率因数角Φ都在震荡。事实上，阶跃响应中，真正发生阶跃的是励磁电压，励磁电流在电感性回路中，响应励磁电压的阶跃变化，按照发电机负载励磁绕组时间常

7、数Tdz（介于Tdo’与Td’之间，远小于Tdo’）上升。由于励磁电压的回落趋稳变化，造成励磁电流的衰减震荡。励磁绕组回路任意时刻满足Uf=If*Rf+L*dIf/dt（基本阻感回路电压方程）忽略励磁绕组的饱和，根据电机学知识，励磁电势E与励磁电流If成正比。E=4.44*f*N*Φ*Kw【此处Φ为磁通，正比于励磁电流安匝】励磁电流If的震荡造成励磁电势E的震荡。机端电压U的趋稳造成定子电流I及功角θ、功率因数角Φ的震荡，以便维持机端电压U、同步电抗压降I*Xt及励磁电势E组成的电压电势三角形的稳定性。整个P、I、I

8、f、E、θ及Φ震荡的过程中，无功电流Ir=IsinΦ稳定，E*cosθ稳定。结论：依据负载阶跃试验的方法及阶跃响应的定义，真正发生阶跃变化的是励磁电压Uf，由于AVR的恒机端电压闭环PID调节，Ug和Q很快趋稳，Uf阶跃之后迅速回落趋稳，If震荡趋稳，进而造成励磁电势E震荡，为了维持电势电压三角形的实时稳定性，定子电流Ig及功角θ、功率因数角Φ震荡。因此有功震荡，无功上升后稳定。由于原动机机械功率不变，负载电功率不变，所以Pe的稳态值等于初始值。由于无功电流Ir不变，P稳态值与初始值相比不变，机端电压U增加，则有功电

9、流Ia稳态值减小，因此定子电流I=稳态值减小。参考文献：1、许实章：《电机学》，【M】，华中工学院出版社，19852、竺士章：《发电机励磁系统试验》，【M】中国电力出版社，20053、刘取：《电力系统稳定性及发电机励磁控制》，[M]，中国电力出版社，20074、DLT843-2010《大型汽轮发电机励磁系统技术条件》[S]中国电力出版社，2010