发电机飞轮效应与汽轮机调速器系统的稳定性

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大型现代水轮发电机具有较小的惯性常数，可能面临涡轮调节系统稳定性的问题。这是由于涡轮机水的行为，当控制设备运行时，由于其惯性会在压力管道中产生水锤。这通常以液压加速时间常数为特征。在孤立运行时，当整个系统的频率由汽轮机调速器决定时，水锤会影响调速，不稳定表现为振荡或频率摆动。对于与大型系统的互连操作，频率基本上由后者保持恒定。水锤然后影响供给到系统的功率并且稳定性问题仅在功率在闭环中控制时出现，即，在那些参与频率调节的水力发电机的情况下。

涡轮调速器齿轮的稳定性受水团水力加速时间常数引起的机械加速时间常数与调速器增益的比值影响很大。降低上述比率会产生不稳定效应，并且需要降低调速器增益，这会对频率稳定产生不利影响。因此，对于水力机组的旋转部件，需要最小的飞轮效应，这通常只能在发电机中提供。或者，可以通过提供泄压阀或稳压罐等来减少机械加速时间常数，但通常成本很高。水轮发电机组调速能力的经验标准可以基于机组的转速上升，这可能发生在独立运行的机组的整个额定负载的拒绝上。对于在大型互连系统中运行并需要调节系统频率的动力装置，如上计算的百分比速度上升指数被认为不超过 45%。对于较小的系统，提供较小的速度上升（参见第 4 章）。

从进水口到德哈尔发电厂的纵断面
（来源：作者论文 – 2nd world Congress, International Water Resources Association 1979） 对于 Dehar 发电厂，显示了连接平衡存储与动力装置的液压水系统，动力装置由进水口、压力隧道、差动调压罐和压力管道组成. 将压力管道中的最大压力上升限制在 35% 估计的装置在拒绝满载时的最大速度上升在调速器关闭时大约为 45%
在 282 m (925 ft) 的额定扬程下，发电机旋转部件的正常飞轮效应为 9.1 秒的时间（即，仅考虑温升固定）。在运行的第一阶段，发现速度上升不超过 43%。因此认为正常的飞轮效应足以调节系统的频率。

发电机参数和电气稳定性
影响稳定性的发电机参数是飞轮效应、瞬态电抗和短路比。德哈尔420 kV超高压系统发展初期，由于系统薄弱、短路水平较低、功率因数超前运行以及需要经济地提供输电出口和固定尺寸和尺寸，稳定性问题很容易成为关键问题。发电机组参数。Dehar EHV 系统的网络分析仪（在瞬态电抗后面使用恒定电压）的初步瞬态稳定性研究也表明只能获得边际稳定性。在德哈尔电厂设计初期，就考虑指定具有正常电压的发电机。
通过优化其他因素的参数，尤其是励磁系统的参数来达到稳定性要求，这将是经济上更便宜的替代方案。在对英国系统的研究中还表明，改变发电机参数对稳定裕度的影响相对较小。因此，为发电机指定了附录中给出的正常发电机参数。给出了进行的详细稳定性研究

线路充电能力和电压稳定性
远程水力发电机用于对长空载超高压线路充电，其充电千伏安大于机器的线路充电容量，机器可能会自激，电压上升无法控制。自励的条件是 xc < xd 其中，xc 是容性负载电抗，xd 是同步直轴电抗。在额定电压下，将单条 420 kV 空载线路 E2 /xc 充电至 Panipat（接收端）所需的容量约为 150 MVAR。在第二阶段，当安装第二条等效长度的 420 kV 线路时，​​在额定电压下同时对两条无负载线路充电所需的线路充电容量约为 300 MVAR。

设备供应商提供的德哈尔发电机在额定电压下可用的线路充电容量如下：
(i) 70% 额定 MVA，即 121.8 MVAR 线路充电是可能的，最小正激励为 10%。
(ii) 高达 87% 的额定 MVA，即 139 MVAR 线路充电容量是可能的，最小正激励为 1%。
(iii) 高达额定 MVAR 的 100%，即大约 5% 的负励磁可以获得 173.8 的线路充电容量，10% 的负励磁可以获得的最大线路充电容量是额定 MVA 的 110%（191 MVAR ) 根据 BSS。
(iv) 只有通过增加机器的尺寸，才能进一步提高线路充电能力。在 (ii) 和 (iii) 的情况下，手动控制励磁是不可能的，必须完全依赖快速作用的自动电压调节器的连续操作。为了增加线路充电容量而增加机器的尺寸在经济上既不可行也不可取。因此，考虑到运行第一阶段的运行条件，决定通过在发电机上提供负励磁来为发电机提供额定电压下 191 MVAR 的线路充电容量。导致电压不稳定的临界工作状态也可能是由接收端负载断开引起的。这种现象的发生是由于机器上的容性负载受到发电机转速上升的进一步不利影响而发生的。如果发生自激和电压不稳定，则可能发生。

Xc ≤ n2 (Xq + XT)
其中，Xc 是容性负载电抗，Xq 是正交轴同步电抗，n 是负载抑制时出现的最大相对超速。根据进行的详细研究，建议通过在线路的接收端提供永久连接的 400 kV EHV 并联电抗器 (75 MVA) 来消除 Dehar 发电机的这种情况。

阻尼绕组
阻尼绕组的主要功能是在容性负载发生线对线故障时防止过度过电压，从而减少设备上的过电压应力。考虑到远程位置和长互连传输线，规定了正交和直轴电抗之比 Xnq/Xnd 不超过 1.2 的全连接阻尼绕组。

发电机特性及励磁系统
具有正常特性的发电机已被指定，初步研究表明只有边缘稳定性，因此决定使用高速静态励磁设备来提高稳定性裕度，以实现设备的整体最经济布置。进行了详细研究以确定静态励磁设备的最佳特性，并在第 10 章中讨论。

地震注意事项
德哈尔电厂位于地震带。在与设备制造商协商并考虑到现场的地震和地质条件以及由印度政府在教科文组织的帮助下组成的科伊纳地震专家委员会的报告后，德哈尔水力发电机设计中提出了以下规定。

机械强度
德哈尔发电机设计为安全地承受在垂直和水平方向上预计在德哈尔作用于机器中心的最大地震加速力。

固有频率
机器的固有频率与 100 Hz 的磁频率（发电机频率的两倍）保持较远（更高）。该固有频率将与地震频率相去甚远，并检查与地震的主要频率和旋转系统的临界速度是否有足够的余量。

发电机定子支架
发电机定子和下推力和导向轴承基础包括多个底板。除了通过地脚螺栓在正常垂直方向外，底板还横向固定在地基上。

导向轴承设计
导向轴承应为分段式，导向轴承部件应加强以承受全部地震力。制造商进一步建议通过钢梁将顶部支架与机筒（发电机外壳）横向捆绑。这也意味着混凝土桶必须反过来加强。

发电机振动检测
建议在汽轮机和发电机上安装振动探测器或偏心计，以便在地震引起的振动超过预定值时启动停机和报警。该设备还可用于检测由于影响涡轮机的液压条件而导致的任何异常振动。

水星联系人
如果使用水银触点，地震引起的剧烈晃动很可能导致错误跳闸以启动装置的关闭。这可以通过指定抗振型水银开关或在必要时添加定时继电器​​来避免。

结论
(1) 考虑到电网规模及其对系统备用容量的影响，采用大机组尺寸，在德哈电厂的设备和结构成本上取得了实质性的节约。
(2) 采用伞形结构设计降低了发电机成本，由于开发了用于转子轮缘冲压的高强度钢，现在大型高速水力发电机已成为可能。
(3)经过详细研究后采购天然高功率因数发电机进一步节省了成本。
(4) 德哈尔调频站发电机旋转部件的正常飞轮效应被认为足以保证汽轮机调速器系统的稳定性，因为它是大型互连系统。
(5) 快速响应静态励磁系统可以满足为确保电气稳定性而向超高压网络馈电的远程发电机的特殊参数。
(6) 快速作用的静态励磁系统可以提供必要的稳定性裕度。然而，此类系统需要稳定反馈信号以实现故障后稳定性。应该进行详细的研究。
(7) 通过长超高压线路与电网互连的远程发电机的自励和电压不稳定可以通过采用负励磁和/或采用永久连接的超高压并联电抗器来增加机器的线路充电容量来防止。
(8) 可以在发电机及其基础的设计中作出规定，以较小的成本提供抗地震力的保障。

德哈发电机主要参数
短路比 = 1.06
瞬态电抗直轴 = 0.2
飞轮效应 = 39.5 x 106 lb ft2
Xnq/Xnd 不大于 = 1.2