第15章同步发电机并联运行理论基础

1、基本要求：基本要求：3 3掌握同步发电机并网运行时功率及转矩平衡方程式掌握同步发电机并网运行时功率及转矩平衡方程式1 1掌握同步发电机并网空载运行的基本电磁关系掌握同步发电机并网空载运行的基本电磁关系2 2掌握同步发电机并网负载运行的电磁转矩掌握同步发电机并网负载运行的电磁转矩 原动机的拖动转矩原动机的拖动转矩 等于空载矩等于空载矩 ，发电机不向，发电机不向电网输出有功功率。电网输出有功功率。0T1T10TT260n 0I 10mFePppP1 1同步发电机同步发电机时的功率及转矩时的功率及转矩同步发电机的理想条件同步发电机的理想条件: :发电机的端电压大小、频率以及相位与电网完全发电机的端电

2、压大小、频率以及相位与电网完全相同，同步发电机定子绕组完全没有电流。相同，同步发电机定子绕组完全没有电流。U1fFB0,0EU I0ECjIXIaF00,90EU 减少励磁UB0E0cEUjIXF增加励磁0cEUIjX1fFCjIXFU0EIBaF00,90EU 1fF 原动机输出转矩不变时，改变发电机的励磁原动机输出转矩不变时，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电流只能使电枢绕助产生落后或领先的纯无功电流，发电机不输出有功功率。流，发电机不输出有功功率。 发电机空载运行时，气隙磁动势基波和励磁发电机空载运行时，气隙磁动势基波和励磁磁动势基波同相位。磁动势基波同相位。

3、原如果在合闸前，发电机空载电压与电网电原如果在合闸前，发电机空载电压与电网电压不等，除了合闸时产生冲击电流外，发电机还压不等，除了合闸时产生冲击电流外，发电机还会有无功电流，即向电网发出无功功率。会有无功电流，即向电网发出无功功率。+A1fFfNNSfSF+A1fFfNNSfSF结论结论： 空载运行时，气隙磁动势和励磁磁动势同相位，定转子之间产生相吸引的力，作用力通过转子的圆心，因此不产生电磁力矩。 调节原动机的输出转矩 ，引起转子加速。首先出现的是转子位置（以 为标志）领先气隙旋转磁密 。由于电网频率不会改变， 的频率也不会变，所以气隙磁密 维持恒定的同步速度。10TTBBE1fF 并联到电

4、网上的发电机，能够调节的物理量：励磁电流和原动机输出转矩。代表转子位置的空间向量 在空载时与 同相位； 增大瞬间，转子加速使得 领先 一个角度B1fFB1T1fF qBB sinTdB+A1fFfNNSfSBqB.A1fFB qfffB l iB sinl N I2 2ffTf rpB sinl N IrpC sin 制动力矩制动力矩A1fFB10TTT电磁转矩的出现，同步发电机转矩平衡式变为：1010MTTTPPp 功率平衡式： 输入功率电磁功率输出功率1PMP2P11PT210cuPPpp0pcup1P2PMPMPT2osPmUIc22cosemcuPPPmUImI R0coscosUIR

5、E20cosemcuPPPmE I思考：内功率因数角？思考：内功率因数角？0EUIcjIXIr 并联运行的同步发电机，当输入转矩增加时，电并联运行的同步发电机，当输入转矩增加时，电机的电磁制动转矩随之增大，电机的电磁功率和输出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。有功功率增大。本节内容：本节内容： 1 1、同步发电机的功角特性；、同步发电机的功角特性； 2 2、调节有功功率时无功功率的变化；、调节有功功率时无功功率的变化； 2 2、同步发电机并网运行时的静态稳定问题。、同步发电机并网运行时的静态稳定问题。 0cE sinIX cos0cE sinIcosX02emcUEP

6、PmsinXUIcj IX0E1.隐极发电机：若忽略电阻 ，则2emPPmUIcosr2（2） 一定时，改变励磁电流 ，若 则fiMP12ffii12（ 1 1 ） 保 持 励 磁 电 流） 保 持 励 磁 电 流 不变时，不变时， 值与值与 角角按正弦曲线变化。按正弦曲线变化。MPfi2fi请比较请比较 和和 的大小的大小f1if2i1fi12MP02emcUEPPmsinX09001800090009001800MP1dIUIqqjI xddjI x0EqI2emPPmUIcos 当忽略电枢电阻时，凸极式电磁功率亦等于输出功率。 2022dqemddqXXUEPmsinmUsinXX X第

7、一项是励磁电流在气隙磁场中产生电磁力所引起的，与励磁电势 成正比，称为励磁电磁功率。0E第二项在隐极机中不存在，与端电压 及交直轴磁阻的差异 有关，称作凸极电磁功率。UdqXX2022dqemddqXXUEPmsinmUsinXX X电磁转矩电磁转矩: : 由于凸极机的电磁功率有两个正弦函数叠加由于凸极机的电磁功率有两个正弦函数叠加而成，其最大电磁功率发生在而成，其最大电磁功率发生在 角小于角小于 电角度电角度的位置。若的位置。若 则，则， 。09012ffii12MMPP211()sin22qdUmXX1800090018000900180009000900MP0sindE UmX0222e

8、mddqdqUEPmsinXXXmUsinX X 发电机励磁电流发电机励磁电流 = = 常常数时，励磁电势数时，励磁电势 = = 常数，常数，调节发电机输出有功功率时，调节发电机输出有功功率时，因因 角的不同，使得不仅输出角的不同，使得不仅输出的有功功率的有功功率 不同，而且输出的无功功率也不同，而且输出的无功功率也会不同。会不同。fi0E0McUEPmsinXU0ECjIXI00ECjIXI0ECjIXICUjX0结论结论1 1：当励磁电流当励磁电流 = =常数时，常数时，调节发电机输出的有功功率，发电调节发电机输出的有功功率，发电机的无功功率也会改变，输出有功机的无功功率也会改变，输出有功

9、功率增大时，输出落后性无功功率功率增大时，输出落后性无功功率会减小。会减小。fiU0EI0EICjIXCjIXCjIXI0CUjX00E结论结论2 2：并联在电网上的同步发电机，保持励磁电流并联在电网上的同步发电机，保持励磁电流为常数，调节发电机输出的有功功率，电动势向量为常数，调节发电机输出的有功功率，电动势向量的轨迹是一个圆的轨迹是一个圆( (圆心是圆心是 ) ) ，电枢电流，电枢电流 向量的向量的轨迹也是一个圆轨迹也是一个圆( (圆心是圆心是 ) )，把它们称为同步电机，把它们称为同步电机的圆图。的圆图。fi0EI00 同步发电机输出容量的大小，不仅受到发热同步发电机输出容量的大小，不仅

10、受到发热的限制，而且受到运行稳定性的限制。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。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。稳定问题又分为静态稳定和动态稳定两种。（2 2）动态稳定：动态稳定：发电机突然加负载、切除负载等发电机突然加负载、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、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，

11、以及遭受到大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。还能保持同步运行的问题。（1 1）静态稳定静态稳定：发电机在某一稳定运行状态，：发电机在某一稳定运行状态，如果在电网或原动机方面，突然发生一些微小干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，发电机若能恢复到原来扰，在此小干扰去掉后，发电机若能恢复到原来的稳定运行状态，即认为该发电机是稳定的。的稳定运行状态，即认为该发电机是稳定的。90018009009001800900180090009001800T(1)

12、 (1) 隐极机隐极机1TT2TT 若原动机拖动转矩若原动机拖动转矩 不变，当不变，当 增大一个增大一个 时，电磁转矩时，电磁转矩 也增加一个也增加一个 ，去掉干扰后，因，去掉干扰后，因 ，制动转矩比拖动转矩大，使电机自动，制动转矩比拖动转矩大，使电机自动回到原工作点（回到原工作点（ ），发电机运行是稳定的。），发电机运行是稳定的。1T1T1TTT1T(1) (1) 隐极机隐极机90018009009001800900180090009001800T1TT2TT 若原动机拖动转矩若原动机拖动转矩 不变，当不变，当 增大一个增大一个 时，电磁转矩时，电磁转矩 也增加一个也增加一个 ，去掉干扰后，

13、因，去掉干扰后，因 ，制动转矩比拖动转矩大，使电机自动，制动转矩比拖动转矩大，使电机自动回到原工作点（回到原工作点（ ），发电机运行是稳定的。），发电机运行是稳定的。1T1T1TTT1T0dTd ，发电机是静态稳定的。，发电机是静态稳定的。 或或 时为静态稳定极限。时为静态稳定极限。900dTd0dTd ，发电机是不稳定的。，发电机是不稳定的。 凸极机与隐极机相似，凸极机与隐极机相似，0dTd发电机是静态稳定的。发电机是静态稳定的。 ，为静态稳定极限，但此时，为静态稳定极限，但此时90m0dTd0dTd ，发电机是不稳定的。，发电机是不稳定的。 180009001800090018000900

14、0900Tm（2 2）凸极机）凸极机凸极机的额定运行点一般在凸极机的额定运行点一般在 角度范围。角度范围。0020 30（3 3）最大转矩）最大转矩 （或最大电磁功率（或最大电磁功率 ）与额定电磁转矩与额定电磁转矩 （或额定电磁功率（或额定电磁功率 ）之比）之比称为过载能力，用称为过载能力，用 表示：表示：maxTmaxMPNTNPmkmaxmax1NmNNNTPkTPsin隐极机隐极机 ， 一般为一般为1.51.52 2左右。左右。30 40ooNmk整步转矩系数整步转矩系数dTd0coscdTm E UdX隐极机：隐极机：0coscos2dqcdqXXdTmE UdXX X凸极机：凸极机：

15、整步转矩系数的正负代表了是否稳定，大小代表了稳整步转矩系数的正负代表了是否稳定，大小代表了稳定的能力。定的能力。 电力系统，除了要供给负载有功功率以外，还电力系统，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。电网中全部发电机共同负担。 调节一台并网发电机的无功功率时，可以认为调节一台并网发电机的无功功率时，可以认为电网是无限大电网，即电网电压与频率是不变的。电网是无限大电网，即电网电压与频率是不变的。U 发电机在理想条件下（发电机与电网电压、频发电机在理想条件下（发电机与电网电压、频率、初相角都

16、相等），并联合闸到电网上去。率、初相角都相等），并联合闸到电网上去。 3. 3. 欠励磁（进相运行）：（保持原动机输出不欠励磁（进相运行）：（保持原动机输出不变）减小励磁电流变）减小励磁电流 ，发电机送出领先的无功，发电机送出领先的无功电流，产生助磁电枢反应。电流，产生助磁电枢反应。fi2. 2. 过励磁过励磁( (迟相运行迟相运行) )：（保持原动机输出不变）：（保持原动机输出不变）增加励磁电流增加励磁电流 ，发电机送出落后的无功电流，发电机送出落后的无功电流，产生去磁电枢反应。产生去磁电枢反应。fi1. 1. 正常励磁：空载运行时，电枢电流正常励磁：空载运行时，电枢电流 ，发电机既没有有功

17、功率输出，也没有无功功率输发电机既没有有功功率输出，也没有无功功率输出，此时发电机的励磁电流为正常励磁。出，此时发电机的励磁电流为正常励磁。0I，所以：，所以：0emcUEPmsinX则：则：= =常数，而常数，而2emPP2PmUIcos= =常数常数均为不变量均为不变量CmUX 、 、0IcosE sin常数常数常数常数CjIX0EICjIX0E当发电机输出一定的有功功率并保持不变，当发电机输出一定的有功功率并保持不变，Icos0sinEIUI0ECjIX（3 3）电枢电流）电枢电流 与电压与电压 同相位，同相位，正常励磁正常励磁。IU（2 2）电枢电流）电枢电流 落后电压落后电压 时，时

18、， 较大，也就是励磁电流较大，也就是励磁电流 较大，较大，过励磁过励磁；fiIU0E（1 1）电枢电流）电枢电流 领先电压领先电压 时，时， 较小，也就是励磁电较小，也就是励磁电流流 较小，较小，欠励磁欠励磁；IU0EfiCjIXU0EIICjIX0ECjIXI0E0sinEIcosIfI0If00emPemPemPemPemPemPemPemPemPemP正常励磁正常励磁滞后滞后过励过励不稳定区不稳定区cos1超前超前欠励欠励cos0. 8cos0. 8 把空载和不同负载下的电枢电流和励磁电流的关系画把空载和不同负载下的电枢电流和励磁电流的关系画成曲线，此曲线叫做成曲线，此曲线叫做发电机的发电机的U U形曲线形曲线。同步发电机的U形曲线的特点： 有功功率越大, U形曲线越高，emememPPP 每条U形曲线有一个最低点，表示该输出功率下， 。把这些点连起来称为 的线。1cos1cos 线的左边属于欠励超前功率因数区，右边属于过励滞后功率因数区。1cos 在最左边，由于励磁电流过小，运行的功率角 达到 ，进入不稳定区。90o同步发电机的U形曲线的作用：已知其中两个变量，可以知道其他两个运行的量，对运行管理非常有帮助。