[发明专利]同步电机

说明书

本发明涉及一种在同步电机中控制功率与/或电压的方法，并涉及用于功率与/或电压控制的同步电机。

在下文中“同步电机”指的是同步发电机。同步发电机首先用于电网中以“小时级”供应有功和无功功率。有功功率也可以按照“秒-分级”被控制(频率控制)，无功功率也是如此(电压控制)。同步电机还对故障电流提供“毫秒级的”贡献，使得在电网中的故障状态可以用选择的方式很快地得以解决。

同步电机在电网中是一个重要的无功功率来源。当系统中无功功率需要增加时，这倾向于降低同步电机的端电压。为了保持电压恒定，一般通过同步电机的电压调节器增加磁场电流。这样，同步电机则的产生所需的无功功率，以便在所需的端电压下达到无功功率平衡。

只要功率的产生相应于同步电机的容量曲线中允许区域中的一点，就发生上述过程，容量曲线即关于无功和有功功率的限制曲线，见图1，其表示在过激操作时的关系。在过激操作时，即，在同步电机的产生无功功率时，允许的工作区域被基于发热的转子和定子电流极限所限制。目前的同步电机一般被这样定额，使得转子和定子电流极限在相应于额定功率因数下的额定功率的容量曲线中的一点彼此相交，见图1。同步发电机的额定功率因数一般为0.8-0.95。在功率因数大于额定功率因数的过激操作时，对于同步电机的容量曲线限制包括定子电流限制，在功率因数小于额定功率因数的过激操作时，对于同步电机的容量曲线限制包括转子电流限制。

在常规技术中，如果定子或转子电流限制被超过，则电流限制器，如果被安装并被使用的话，将进行工作。这些限制器通过减少激磁来降低电流。因为在达到破坏温度之前需要一段时间，所以在电流被降低之前定子或转子的电流限制器介入被延迟几秒。延迟一般取决于电流的大小，但是通常小于1分钟，例如见1995年9月的IEEE Transaction on Energy  Conversion，第10卷第3期，VERIFICATION OF LIMITER PERFORMANCE IN MODERNEXCITATION CONTROL SYSTEMS。通过减少磁场电流实现电流减少将引起发电机的无功功率的产生和端电压的减少。对于在电机附近的系统部分的结果是局部无功功率的产生减少，并且当电压下降时，从系统的相邻部分更难于输入功率。

如果输电网不能在通常的电压下传输所需的功率，则有使电力系统遭受电压瘫痪的危险。为避免发生这种事故，在靠近负载处进行本地发电是有利的。如果不能这样，即功率必须从系统的其它部分供给，则在尽可能高的电压下输电是有利的。当电压下降时，输电线的无功功率的产生(分路电容)减少。为了保持负载电压的恒定，因而也保持负载的功率恒定，使用变压器抽头变换器。如果负载的功率消耗是恒定的，并且输电电压低于正常值，则输电线中的电流较高，输电线的无功功率消耗较大(串联电感)，见Cigrebrochure 101，1995年10月。

在许多电力系统中，如果电流限制器为上述的某种同步电机而工作，则无功功率的产生被限制，这可能导致系统的电压瘫痪。

在电力系统正常工作时，利用基本上是整体的电网，如果需要，通过安装附加的无功功率的产生源，例如机械转换的分流电容器与/或可控硅控制的静态无功补偿器(SVC)，一般可以避免这些情况。不过，因为大范围的电压瘫痪通常具有严重的后果，所以需要考虑异常的操作条件。如果电网是弱的，由于故障或电网的重要元件的维护，安装的无功功率的产生源可能不再足够，从而引起上述可以导致瘫痪的情况。安装附加的能够处理这些异常操作状态的可控无功功率的产生源，例如SVC装置的成本，是可观的。因而需要一种廉价的可控的无功功率的产生备用源，这些备用源应当能够提供无功功率，使得至少在10到20分钟内电压能够保持在规定的值上，从而给系统操作员一个采取保护行动的机会，例如启动汽轮机或卸掉负载。