有功功率调节与无功功率补偿方法分析

1.有功功率的调节

在风力同步发电机中，风力机输入的机械能首先克服机械阻力，通过发电机内部的电磁作用转化为电磁功率，电磁功率扣除发电机绕组的铜损耗和铁损耗后即为输出的电功率，若不计铜损耗和铁损耗，可认为输出功率近似等于电磁功率。同步发电机内部的电磁作用可以看成是转子励磁磁场和定子电流产生的同步旋转磁场之间的相互作用。转子励磁磁场轴线与定、转子合成磁场轴线（也即E₀和）之间的夹角称为同步发电机的功率角δ，电磁功率P_em与功率角δ之间的关系称为同步发电机的功角特性，如图6-16所示。

图6-16 同步发电机的功角特性

a）凸极机 b）隐极机

当由风力驱动的同步发电机并联在无穷大电网时，要增大发电机输出的电能，必须增大风力机输入的机械能。当发电机输出功率增大，即电磁功率增大时，若励磁不作调节，从图6-16可见，发电机的功率角也增大，对于隐极机而言，功率角为90°（凸极机功率角小于90°）时，输出功率最大，这个最大的功率称为失步功率，又称为极限功率。因为达到最大功率后，如果风力机输入的机械功率继续增大，功率角超过90°，发电机输出的电功率反而下降，发电机转速持续上升而失去同步，机组无法建立新的平衡。例如，一台运行在额定功率附近的风力发电机，突然一阵飓风，可能导致发电机的功率超过极限功率而使发电机失步，这时，可以增大励磁电流，以增大功率极限，提高静态稳定度，这就是有功功率的调节。

当功率角变为负值时，并网运行的风力同步发电机将运行在电动机状态，此时，风力发电机相当于一台大电风扇，发电机从电网吸收电能。为避免发电机电动运行，当风速降到临界值以下时，应及时将发电机与电网脱开。(www.xing528.com)

2.无功功率的补偿

电网所带的负载大部分为感性的异步电动机和变压器，这些负载需要从电网吸收有功功率和无功功率，如果整个电网提供的无功功率不够，电网的电压将会下降；同时，同步发电机带感性负载时，由于定子电流建立的磁场对电机中的励磁磁场有去磁作用，发电机的输出电压也会下降，因此，为了维持发电机的端电压稳定和补偿电网的无功功率，需增大同步发电机的转子励磁电流。同步发电机的无功功率补偿可用其定子电流I和励磁电流I_f之间的关系曲线来解释。在电磁功率P_em一定的条件下，同步发电机的定子电流I和励磁电流I_f之间的关系曲线也称为V形曲线，如图6-17所示。

图6-17 同步发电机V形曲线

从图6-17中可以看出：当发电机工作在功率因数为1时，发电机励磁电流为额定值，此时定子电流为最小；当发电机励磁大于额定励磁电流（过励）时，发电机的功率因数为滞后的，发电机向电网输出滞后的无功功率，改善电网的功率因数；而当发电机励磁小于额定励磁电流（欠励）时，发电机的功率因数为超前的，发电机从电网吸引滞后的无功功率，使电网的功率因数更低。另外，这时的发电机还存在一个不稳定区（对应功率角大于90°），因此，同步发电机一般工作在过励状态下，以补偿电网的无功功率和确保机组稳定运行。