康文龙
中海油珠海天然气发电有限公司 广东珠海 519050
摘要：本文首先对同步发电机电枢反应理论进行了介绍，然后结合具体案例对电厂汽机发电机励磁突变引起发电机有功功率变化现象进行了分析，最后总结了励磁对发电机运行稳定性的影响，为电厂运行提供了参考和借鉴
关键词：发电机励磁；功率；稳定性
1 同步发电机电枢反应相关理论简介
根据电机学理论，同步发电机的空间磁场有两部分组成：转子励磁形成的转子磁场Ff和定子电流形成的电枢反应磁场Fa，它们的合成磁场为FR。根据电枢反应理论，定子的有功分量产生的Fa与Ff垂直（交轴），无功分量产生的Fa与Ff平行（直轴）。交轴Fa对转子产生力矩，阻碍转子转动，直轴Fa对转子能够影响合成磁场FR的大小但不能对转子产生力矩。其中转子磁场Ff与合成磁场FR的夹角为功角δ 。
把发电机电枢反应等效成图中的电路模型，其中机端电动势E与转子磁场Ff对应（转速一定时，E是关于Ff的函数），电网电压U与FR对应，电感Xd为电枢反应等效出来的同步电抗。最终得出下图的机端电动势E、电网电压U、定子电流I、同步电抗Xd、功角δ、功率因素角θ之间的矢量关系。
根据矢量关系，我们可以推导出下面有功功率和无功功率的表达式：
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根据上述分析可知：
（1）发电机励磁Ff（E）变化对有功功率的影响：根据发电机空间磁场原理，发电机保持一定转速转动，原因是角加速度为0，即原动机动力等于有功功率产生制动力矩。下面我们假设增加励磁Ff能够增加有功功率，那么制动转矩将增加，此时若不改变原动机动力，则转子转速会一直下降直到0，所以这是不可能发生的。故增加励磁Ff虽然改变了功角δ，改变了转子磁场相对电枢磁场的位置，但最终将达到一个的原动机的功率等于有功功率的平衡状态。所以在平衡状态下，励磁不影响有功功率。即原动机动力不变时，有功P=EUsinδ/Xd=常数。
（2）发电机励磁Ff（E）变化对无功功率的影响：根据上述推导的关于无功Q 的公式可以看出，显然当机组并入大电网时（即U变化很小），增加励磁Ff（即增加E），能够增加无功Q。
（3）增加原动机动力对有功功率的影响：从发电机磁场空间可以看出，原动机动力增加，转子将加速，这时候发电机功角增大，此时交轴电枢磁场对转子的制动力也会增加，有功功率增加。最终平衡状态时，原动力等于制动力，转子稳定在新的功角δ位置下运行。同时根据公式P=EUsinδ/Xd看出，当δ越大，P越大。并且当E越大，δ变化量对P的影响越大：因此图1所示，我们可以把转子磁场Ff和合成磁场FR之间的联系比作一个弹簧，转子磁场通过弹簧拉动合成磁场转动，当励磁越大时，弹簧弹性越强，δ越小。
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（4）增加原动机动力对无功功率的影响：根据上述关于无功功率Q 的公式，在不改变励磁的情况下（E不变），在平衡状态时，增加原动机动力即增加了δ，减少了无功功率Q。因此自动励磁调节器正常运行时，有功功率增加，励磁也会随着增加来维持机端电压。
综上所述，我们可以得到一句耳熟能详的定理：励磁改变机组无功，不影响有功；有功变化影响无功变化。
2 关于电厂汽机发电机励磁突变引起发电机有功功率变化现象的分析
案例1：11月12日，#2发电机功率由114MW突升至133.4MW，励磁电压由122.5V突降至-4.68V（坏点），励磁电流由942A突降至784A，机端电压由14.949KV突降至14.37KV，DCS报“#2发电机励磁系统低励限制”；异常瞬间恢复；
案例2：9月22日，4:59，#2发电机励磁电压、励磁电流、机端电压均快速下降（其中励磁电压由133.98V先变坏点后降至85V，励磁电流由1010A降至826A，机端电压由15.2KV降至14.57KV，#2汽机负荷由117MW升高至130MW），PSS切除，#2发电机强励动作，约10s后恢复正常。就地检查#2发电机励磁控制屏无报警，#2发电机碳刷无异常。
根据上述两个案例，我们可以看出励磁的突然变化引起了发电机用功功率的变化：因为我厂汽轮机主汽调门不参与功率调节，处于全开状态，而锅炉的蒸汽量与蒸汽参数不可能突变，所以汽轮机发电机原动力在有功功率突变的瞬间不可能发生变化。
因此这个现象表面上与上述理论产生了矛盾。
下面就此现象进一步分析：发电机有功P=EUsinδ/Xd=常数，这个等式只是在发电机原动力和电磁制动力矩平衡状态下成立，而平时我们的励磁调节是个平缓的过程，所以每个状态都是平衡状态，所以发电机有功P没有变化。
但励磁突然变化时，会引起E的突然变化，有功P=EUsinδ/Xd突然变化，发电机的制动力突然变化，此时原动机出力不变，所以转子会加速或减速至一个新的平衡位置（形成新的功角δ），在这个位置上P=EUsinδ/Xd才恢复至原来数值并于原动机出力相等。因此在达到新的平衡状态前，有功功率大小P=EUsinδ/Xd是在波动的。这个现象就好像拉扯转子磁场与合成磁场的弹簧因为弹性突然变化，弹簧会晃动最终稳定在一个新的位置。
3 励磁对发电机运行稳定性的影响
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根据有功功率P=EUsinδ/Xd得出P关于δ的曲线，如图2 所示。
当δ小于90°时，若由于系统频率波动引起发电机功角δ突变时，以突然上升为例：功角δ突然增大，δ由a变为a ‘，同时意味着转子磁场与合成磁场被拉开，根据公式P=EUsinδ/Xd，有功功率将增大，制动力也增大，因此转子被减速，最终原动力和制动力平衡，δ稳定在a’’。
当δ大于90°时，若出现上述相同情况，δ由b变为b‘，根据公式P=EUsinδ/Xd，有功功率反而减少，更加有助于转子磁场与合成磁场的拉开，所以转子磁场将无法与合成磁场同步，形成发电机失步。
因此，δ大于90°是发电机不稳定区域。根据公式P=EUsinδ/Xd，当有功功率P不变时，励磁越小，E越小，sinδ越大，δ越接近90°，越容易失步。所以为了避免发电机失步，必须保证一定的励磁。
4总结
励磁系统是同步发电机极为重要的关键组成部分，其性能的优劣，直接影响机组运行特性。因此在运行过程中，要不断总结，保证机组安全、经济、稳定运行。