1、6.4 同步发电机的并联运行,教学要求,1熟悉同步发电机并联合闸的条件和方法,2掌握同步发电机并联运行的基本电磁关系、功率及转矩平衡方程式,3掌握有功功率和无功功率的调节,4理解V形曲线的物理意义,电网的容量相对于并联的同步发电机容量来说要大得多，如果对并联在电网上的同步发电机进行有功功率和无功功率调节时，对电网的电压和频率不会有什么影响。无限大电网的特点是端电压和频率均可认为是恒定的。,概述,无限大电网,同步发电机并联运行的优点,1.电能的供应可以互相调剂，合理使用。,2.增加供电的可靠性。,3.提高供电质量，电网的电压和频率能保持在要求的恒定范围内。,4.系统愈大，负载就愈趋均匀，不同性质
2、的负载，互相起补偿作用。,5.联成大电力系统，有可能使发电厂的布局更加合理。,同步发电机的并联运行,通常是指同步发电机与无限大电网并联运行。,3.发电机的电压相序与电网的电压相序相同（发电机相序决定于原动机的转向，一般是固定的）。,6.4.1 并联合闸的条件和方法,4.在合闸时，发电机的电压相角与电网电压的相角一样。,一、条件：并联投入时，避免产生大的电流冲击和转轴受到突然的扭矩。并联合闸必须满足四个条件：,1.发电机频率等于电网的频率（各国电网频率大致有两种：50Hz或60Hz，我国为50Hz）,2.发电机的电压幅值等于电网电压的幅值，且波形一致。,若以上条件中的任何一个不满足则在开关两端会
3、出现差额电压，如果闭合开关，在发电机和电网组成的回路中必然会出现瞬态冲击电流。 上述条件中相序一致是绝对条件，其它条件是相对的，因为通常电机可以承受一些小的冲击电流。,二、方法：,1. 准确同步法：将同步发电机调整到符合并联条件后进行并网操作，分为暗灯法和旋转灯光法两种。,电网与同步发电机之间的三相并联开关两侧接灯泡，称相灯，若三相相灯同明同暗，说明相序正确；当三组相灯同时熄灭时，表示电压差 ，即可并网合闸。,(1)暗灯法：,暗灯法接线和向量图,当不满足并网条件时，暗灯法所见的现象,a.频率不等：相灯将呈现同时暗、同时亮的交替变化现象，说明发电机与电网的频率不同，需调节原动机转速从而改变发电机
4、频率。,b.电压不等：三个相灯没有绝对熄灭的时候，而是在最亮和最暗范围闪烁，需调节励磁电流从而改变发电机的端电压。,c.相序不等：三个相灯明暗呈交替变化状态，说明发电机与电网的相序不同,需对调发电机或电网的任意两根接线。,d. 相角不等：三组相灯不同时熄灭，不能合闸并网，需微调节转速。,(2) 灯光旋转法：,此方法比暗灯法容易实现并网操作，一个相灯熄灭时，另两个相灯亮度一样；另外可根据灯光旋转方向判断频率大小。,A、通过调节发电机励磁电流的大小使得端电压与电网电压相等； B、电压调整好后，如果相序一致，则灯光旋转，否则说明相序不一致，这时应调整发电机的出线相序或电网的引线相序，严格保证相序一致
5、； C、通过调节发电机的转速改变的频率，直到灯光旋转十分缓慢时，频率f2f1，当灯I完全熄灭，另两组灯等亮度时迅速合闸并车。并联后最终由自整步作用牵入同步运行。,旋转法并车方法,条件不满足时对电机的影响,1、电机和电网之间有环流，定子绕组端部受力变形。 2、产生拍振电流和电压，引起电机内功率振荡。 3、电机和电网之间有高次谐波环流，增加损耗，温度升高，效率降低。 4、电网和电机之间存在巨大的电位差而产生无法消除的环流，危害电机安全运行。,此方法比暗灯法容易实现并网操作，一个相灯熄灭时，另两个相灯亮度一样；另外可根据灯光旋转方向判断频率大小。,准确同步法（灯光法）又称理想整步法，合闸时无明显的冲
6、击电流；对并车条件逐一检查和调整，操作复杂，费时较多。,当电网出现故障，一般要求迅速将发电机投入，因电网电压和频率出现不稳定，准确同步法很难操作，往往用自同步法实现并联运行。,(2) 自同步法,在相序一致的情况下将励磁绕组通过适当的电阻短接，再用原动机把发电机拖动到接近同步转速(相差小于25)，在没有接通励磁电流的情况下合闸将发电机接入电网，并立即加入励磁，依靠定子磁场和转子磁场之间形成的引力（电磁转矩）将转子拉入同步转速，并车过程即告结束。,自同步法操作过程,10Rf,注意事项,励磁绕组必须通过一限流电阻短接，因为直接开路，将在其中感应出危险的高压；直接短路，将在定、转子绕组间产生很大的冲击
7、电流。,操作简单，方便快捷；, 自同步法的优点,合闸时有冲击电流。, 自同步法的缺点,6.4.2 同步电机并网运行的理论基础,并联运行通常是指同步发电机与无限大电网并联运行。就是发电机的端电压和频率与电网完全相等.,由于 同相位，虽然有电枢电流I的存在，但由于没有有功功率输出，仍认为是空载。同步发电机在理想条件下并联到电网，原动机只能供给同步发电机转动时所需的损耗功率，即风阻摩擦等机械损耗以及铁耗等。,一、空载运行 （不是指I=0，而是指有功功率或有功电流为零）,也就是，原动机的拖动转矩T1等于空载矩T0，发电机不向电网输出功率。,空载时改变发电机的励磁电流,1增大励磁，则E0U ，电流落后电
8、压900 电角 度（向电网输送感性无功，相当于吸收容性无功）， 发电机对电网起电容器作用。 2减小励磁，则 E0U ，电流领先电压900 电角度，发电机从电网吸收感性无功功率，此时发电机对电网相当于电感负载。3 改变发电机的励磁电流只能使电枢绕助产生落后或领先的纯无功电流，没有能使发电机输出有功功率。,并联到电网上的发电机，能够调节的物理量有两个：一个是励磁电流，另一个是原动机输出转矩。调节原动机的输出转矩使之增加，T1T0引起转子加速，首先出现的是转子位置（以Ff1 为标志）领先气隙旋转磁密B ，由于电网频率不会改变，E的频率也不会变，所以气隙磁密B的旋转速度也不能变，维持恒定的同步速度。代
9、表转子位置的空间向量 Ff1在空载时与B同相位，当 T1增大瞬间，转子加速使得 Ff1领先B一个角度。,二、负载运行,若转子极对数为P，则整个转子上有个 2P等值励磁电流，作用在转子的总电磁转矩为 T ：,用一个等值集中的励磁电流 (每对极只有一匝)去代替实际的励磁电流。由于基波励磁磁动势领先于气隙磁密一个 电角度，使励磁电流If所在处的气隙磁密不为零 ，有磁场有电流就必然产生电磁力，转子受力为：,1同步发电机的电磁转矩 T,转矩平衡等式的每项都乘以机械角速度，就变成功率平衡式。,2. 转矩平衡和功率平衡,电磁转矩的出现，同步发电机转矩平衡式变为：,同步发电机有功功率的流程图,图6-44 功率
10、流程图,三、 有功功率的调节和静态稳定,电网并联运行的同步发电机，当增加原动机的拖动转矩时，电机的电磁制动转矩随之增大，电机的电磁功率和输出有功功率增大。,1.隐极发电机：若忽略电阻Ra,同步发电机的功角特性,（1）保持励磁电流If不变时，PM 值与角按正弦曲线变化，正半波代表发电机工况。,（2） Pem一定时，改变励磁电流 ，若 ， 则12 .,请比较 和 的大小,900,0,Pem,1800,2. 凸极式发电机,当忽略电枢电阻时，凸极式电磁功率亦等于输出功率。,mU2/2*(1/Xq-1/Xd)sin2,第一项是励磁电流在气隙磁场中产生电磁力所引起的，E0与励磁电势If成正比，称为励磁电磁
11、功率（基本电磁功率）。,第二项在隐极机中不存在，与 If无关，与端电压 U即合成等效磁极及纵横轴磁阻的差异有关即 XdXq ，称作凸极电磁功率（附加电磁功率）。,凸 极 机 的 功 角 特 性 曲 线,180,0,0,90,0,180,0,0,90,0,180,0,0,90,0,0,90,0,Pem,结论1：当励磁电流If为常数时，调节发电机输出的有功功率，发电机的无功功率也会改变，输出有功功率减少时， 输出落后性无功功率会增大。,结论2：并联在电网上的同步发电机，保持励磁电流If为常数，调节发电机输出的有功功率，电动势向量E0的轨迹是一个圆，电枢电流向量的轨迹也是一个圆(圆心不是0)，把它们
12、称为同步电机的圆图。,6.4.3 同步发电机与电网并联运行 时的静态稳定,同步发电机输出容量的大小，不仅受到发热的限制，而且受到运行稳定性的限制。,稳定问题包括由若干个发电厂或发电机的电力系统，在正常负载调配和不正常事故中，这些电机或电厂是否还能保持同步运行的问题。,稳定问题又分为静态稳定和动态稳定两种。,（1）静态稳定问题：发电机在某一稳定运行状态，（即发电机和电网并联运行时，电压U和频率f都为恒定值，励磁电流If不变，其输入功率和输出功率都不变的运行状态），如果在电网或原动机方面，突然发生一些微小干扰，在此小干扰去掉后，发电机如能恢复到原来的稳定运行状态，即认为该发电机的运行是稳定的。,（
13、2）动态稳定问题：发电机突然加负载、切除负载等正常操作运行时，或者在发生突然短路、电压突变、发电机失去励磁电流等非正常运行，以及遭受到大的或是一定数值参数变化或负载变化时，电机是否还能保持同步运行的问题。,2 静态稳定分析,(1) 隐极机,900,0,Pem,1800,静态稳定判据：,(2) 凸极机,180,0,0,90,0,180,0,0,90,0,180,0,0,90,0,0,90,0,Pem,3、同步发电机的极限功率Pemmax m ：对应于最大电磁功率的功角,一般来说凸极电机的m在4590之间；隐极机m=900 隐极机=m=900时，Pem=Pemmax,凸极机令dPem/d=0，求得
14、=m ，Pem=Pemmax 分析：功角处于0m时，随的增大， Pem增大，=m时，Pem=Pemmax ，同步发电机在这一区间能够稳定运行。当m时，随的增大， Pem反而减小，电磁功率无法与输入的机械功率相平衡，发电机转速越来越大，发电机将失去同步，在这一区间发电机不能稳定运行。,发电机失去同步后，必须立即减小原动机输入的机械功率，否则将使转子达到极高的转速，以致离心力过大而损坏转子。另失步后，发电机的频率和电网频率不一致，定子绕组中将出现一个很大的电流而烧坏定子绕组。因此保持同步十分重要。,4、过载能力发电机输出的最大功率与额定功率的比值定义为同步发电机的过载能力。则kM=Pemmax/P
15、N 隐极机：不计Ra PNPemN 则kM=1/sinN,5、比整步功率（整步功率系数）Psyn： 隐极机：Psyn=dPem/d=mE0Ucos/Xt 凸极机：Psyn=mE0Ucos/Xd+mU2*(1/Xq-1/Xd)cos2,6、比整步转矩（整步转矩系数）Tsyn 隐极机：Tsyn=mE0Ucos/(Xt) 凸极机： Tsyn=mE0Ucos/(Xd)+mU2/ *(1/Xq-1/Xd)cos2,结论：（1）对于稳极同步发电机,发电机是静态稳定的 ，或， 静态稳定。,发电机是静态不稳定的 ，或， 静态不稳定。,时为静态稳定极限 ， 稳定极限。,6.4.5 无功功率的调节和V形曲线,电力
16、系统，除了要供给负载有功功率以外，还要供给负载大量的无功功率，电网的总无功功率由电网中全部发电机共同负担。发电机在理想条件下（发电机与电网电压、频率、初相角都相等），并联合闸到电网上去。,If不变，调节有功功率， (即调节原动机的汽门、油门或水门)， 将变化，有功功率变化。 调节无功功率If ，保持原动机的拖动转矩不变(即不调节原动机的汽门、油门或水门)，发电机输出的有功功率保持不变。 本节分析假设仅调节隐极机的无功功率。 发电机并网，其电压U和频率f将维持常数。,1、I随If变化关系 Pem=mE0Usin/Xt=const 即E0sin= const P2=mUIcos= const 即I
17、cos= const,不计Ra ,有Pem=P2 E0sin/Xt=Icos= const,2、端电压与电磁功率恒定时隐极同步发电机相量图,Icos,IXtcos,A,B,C,D,由图6-47， 的轨迹是一条与电压相量平行的直线CD。 的轨迹直线AB。, 滞后于 一个锐角，If较大， E01较大，发电机处于过励状态，输出功率中除有功功率外，还有滞后的无功功率； 减小If，在该励磁电流If处， 正好与 平行，此时无功功率为零,发电机输出的全是有功功率，发电机正常励磁。 继续减少励磁电流，则 超前于 ，发电机处于欠励状态，发电机输出功率中除了有功功率外，还有超前性的无功功率。 再减少励磁电流， 增大，当 超前于 900时，发电机达到静态稳定运行极限，再减少励磁电流，发电机将失去同步。,通过调节励磁电流If（E0变）可以达到调节同步发电机无功功率（mUIsin）的目的。,I=f(If)可通过实验方法测得。每一恒定P2可测定一条V形曲线。 P2越大，曲线位置越往上移。 曲线最低点对应于cos=1，电枢电流最小，全为有功分量，属正常励磁。 每条曲线最低点连接起来可得cos=1曲线，曲线左边，发电机出于欠励状态，曲线右边，发电机出于过励状态。,二、V形曲线 I=f(If),同步发电机的V形曲线,
