同步发电机的并联运行

1、6.4 同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行 Parallel connection operation of synchronous generator教学要求教学要求1熟悉同步发电机并联合闸的条件和方法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、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掌握有功功率和无功功率的调节4理解理解V形曲线的物理意义形曲线的物理意义概述概述v无限大电网无限大电网无穷大电网：无穷大电网：1）S2）ZS 0 3）US = C 4） fS= Cv同步发电机并联运行的优点

2、同步发电机并联运行的优点1.1.电能的供应可以互相调剂，合理使用。电能的供应可以互相调剂，合理使用。2.2.增加供电的可靠性。增加供电的可靠性。3.3.提高供电质量，电网的电压和频率能保持在提高供电质量，电网的电压和频率能保持在要求的恒定范围内。要求的恒定范围内。4.4.系统愈大，负载就愈趋均匀，不同性质的负系统愈大，负载就愈趋均匀，不同性质的负载，互相起补偿作用。载，互相起补偿作用。5.5.联成大电力系统，有可能使发电厂的布局更联成大电力系统，有可能使发电厂的布局更加合理。加合理。v同步发电机的并联运行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通常是指同步发电机与无限大电网并联运

3、行。联运行。6.4.1 投入并联的条件和方投入并联的条件和方法法n条件：条件：n1.电压大小相位电压大小相位(波形波形)相同相同n2.频率相同频率相同 n3.电压幅值相同电压幅值相同n4.电压相位相同电压相位相同n5.相序相同相序相同(相序一致是绝对相序一致是绝对条件条件)n方法方法n1.准确同步法准确同步法n2.自同步法自同步法1 1、电机和电网间有环流，定子绕组端部受力变形。、电机和电网间有环流，定子绕组端部受力变形。2 2、产生拍振电流和电压，引起电机内功率振荡。、产生拍振电流和电压，引起电机内功率振荡。3 3、电机和电网之间有高次谐波环流，增加损耗，温、电机和电网之间有高次谐波环流，增

4、加损耗，温度升高，效率降低。度升高，效率降低。4 4、电网和电机之间存在巨大的电位差而产生无法消、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。除的环流，危害电机安全运行。条件不满足时对电机的影响条件不满足时对电机的影响方法：方法： 1. 1. 准确同步法：准确同步法： 将同步发电机调整到符合并联条件后进行并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。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，若三相相灯侧接灯泡，称相灯，若三相相灯同明同暗同明同暗，说，说明

5、相序正确；当三组相灯同时熄灭时，表示电明相序正确；当三组相灯同时熄灭时，表示电压差压差 ，即可并网合闸。，即可并网合闸。(1)(1)暗灯法（直接接法）：暗灯法（直接接法）：0UUUCBA 132VASAGCGBSCSBGGS 3电网GSSAUSBUSCUGBUGAUGCU1U2U3U暗灯法接线和向量图暗灯法接线和向量图 当不满足并网条件时，暗灯法所见的现象当不满足并网条件时，暗灯法所见的现象a.a.频率不等频率不等：相灯将呈现同时暗、同时亮的交替变：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频率

6、。动机转速从而改变发电机频率。b.b.电压不等电压不等：三个相灯没有绝对熄灭的时候，而：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。改变发电机的端电压。c.c.相序不等相序不等：三个相灯明暗呈交替变化状态，：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说明发电机与电网的相序不同, ,需对调发电机或需对调发电机或电网的任意两根接线。电网的任意两根接线。d. d. 相角不等相角不等：三组相灯不同时熄灭，不能合闸：三组相灯不同时熄灭，不能合闸并网，需微调节转速。并网，需微调节转速。 (2) (2) 灯

7、光旋转法：灯光旋转法：（交叉接法）（交叉接法）132VASAGCGBSCSBGGS 3电网 此方法比暗灯此方法比暗灯法容易实现并网法容易实现并网操作，一个相灯操作，一个相灯熄灭时，另两个熄灭时，另两个相灯亮度一样；相灯亮度一样；另外可根据灯光另外可根据灯光旋转方向判断频旋转方向判断频率大小。率大小。A A、通过、通过调节发电机励磁电流调节发电机励磁电流的大小使得的大小使得端电压与端电压与电网电压相等电网电压相等；B B、电压调整好后，如、电压调整好后，如相序相序一致，灯光旋转，否则一致，灯光旋转，否则说明相序不一致，应调整发电机出线相序或电网引说明相序不一致，应调整发电机出线相序或电网引线相序

8、，保证相序一致；线相序，保证相序一致；C C、调节发电机的、调节发电机的转速转速改变频率，直到灯光旋转十改变频率，直到灯光旋转十分缓慢，频率分缓慢，频率f f2 2 f f1 1，灯灯I I完全熄灭，另两组灯等亮完全熄灭，另两组灯等亮度时迅速合闸并车度时迅速合闸并车。并联后并联后最终由最终由自整步作用牵入自整步作用牵入同步运行。同步运行。旋转法并车方法旋转法并车方法 此方法比暗灯法容易实现并网操作，一个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。根据灯光旋转方向判断频率大小。 准确同步法（灯光法）

9、又称理想整步法，合准确同步法（灯光法）又称理想整步法，合闸时无明显的冲击电流；对并车条件逐一检查闸时无明显的冲击电流；对并车条件逐一检查和调整，操作复杂，费时较多。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，往往用定，准确同步法很难操作，往往用自同自同步法实现并联运行步法实现并联运行。(2) (2) 自同步法自同步法 在相序一致的情况下将在相序一致的情况下将励磁绕组通过适当的电励磁绕组通过适当的电阻短接阻短接，再用原动机把发电机，再用原动机把发电机拖动到

10、接近同步转拖动到接近同步转速速( (相差小于相差小于2 25 5) )，在，在没有接通励磁电流的情况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，下合闸将发电机接入电网，并立即加入励磁，依依靠定子磁场和转子磁场之间靠定子磁场和转子磁场之间形成的引力（电磁转形成的引力（电磁转矩）矩）将转子拉入同步转速，并车过程即告结束。将转子拉入同步转速，并车过程即告结束。自同步法操作过程自同步法操作过程注意事项注意事项 励磁绕组必须通过一限流电阻短接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、转子绕组间产生压；直

11、接短路，将在定、转子绕组间产生很大的冲击电流。很大的冲击电流。操作简单，方便快捷；操作简单，方便快捷； 自同步法的优点自同步法的优点合闸时有冲击电流。合闸时有冲击电流。 自同步法的缺点自同步法的缺点6.4.2 6.4.2 同步电机并网运行的理论基础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并联运行。就是发电机的端电压和频率与电网完全相等全相等. 与与 同相位，有电枢电流，但无有功功率输出，仍同相位，有电枢电流，但无有功功率输出，仍认为是空载。在理想条件下并联到电网，原动机只供给发电认为是空载

12、。在理想条件下并联到电网，原动机只供给发电机转动所需的损耗功率，即风阻摩擦、机械损耗及铁耗等。机转动所需的损耗功率，即风阻摩擦、机械损耗及铁耗等。0T1T也就是，原动机的拖动转矩也就是，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功率。电网输出功率。 10TT260n 10mFePppP.0E.U空载时改变发电机的励磁电流空载时改变发电机的励磁电流 ： 1增大励磁，则增大励磁，则 ，电流落后电压，电流落后电压 电角电角 度（向电网输送感性无功，相当于吸收容性无功），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。发电机对电网起电容器作用。

13、2减小励磁，则减小励磁，则 ，电流领先电压，电流领先电压 电角度，电角度， 发电机从电网吸收感性无功功率，此时发电机对电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。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。领先的纯无功电流，没有能使发电机输出有功功率。0EU0900EU090 并联到电网上的发电机，能够调节的物理量有两个：并联到电网上的发电机，能够调节的物理量有两个：励磁电流；原动机输出转矩。励磁电流；原动机输出转矩。原动机的输出转矩增加，原动机的输出转矩增

14、加， 转子加速，首先出现的是转子加速，首先出现的是转子位置（以转子位置（以 为标志）领先气隙旋转磁密为标志）领先气隙旋转磁密 ，由于，由于电网频率不会改变，电网频率不会改变， 的频率也不会变，所以气隙磁密的频率也不会变，所以气隙磁密 的旋转速度也不能变，维持恒定的同步速度。代表转子位的旋转速度也不能变，维持恒定的同步速度。代表转子位置的空间向量置的空间向量 在空载时与在空载时与 同相位，当同相位，当 增大增大瞬间，转子加速使得瞬间，转子加速使得 领先领先 一个角度一个角度 。10TT1fFBBBE1T1fF1fF二、负载运行二、负载运行 若转子极对数为若转子极对数为P，则整个转子上有个，则整个

15、转子上有个 2P等值励等值励磁电流，作用在转子的总电磁转矩为磁电流，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用一个等值集中的励磁电流 (每对极只有一匝每对极只有一匝)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于气隙磁密一个 电角度，使励磁电流电角度，使励磁电流if所在处的所在处的气隙磁密不为零气隙磁密不为零 ，有磁场有电流就必然产生电磁力，有磁场有电流就必然产生电磁力，转子受力为：转子受力为： fffb l iB Sinl i2 2fTf rpB Sinl irpC Sin 转矩平衡等式的每项都乘以机械角速度，就转矩

16、平衡等式的每项都乘以机械角速度，就变成功率平衡式。变成功率平衡式。 2. 转矩平衡和功率平衡： 10TTT 电磁转矩的出现，同步发电机转矩平衡式变为：电磁转矩的出现，同步发电机转矩平衡式变为：1010MTTTPPp 同步发电机有功功率的流程图同步发电机有功功率的流程图P PememP P1 1P P2 2p pmecmecp padadp pFeFe图图6-44 6-44 功率流程图功率流程图emcuemadFemecemPPPPPPPPPPP12011)(三、三、 有功功率的调节和静态稳定有功功率的调节和静态稳定 电网并联运行的同步发电机，当电网并联运行的同步发电机，当增加原动机的拖动转矩时

17、，电机的电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。率和输出有功功率增大。1.隐极发电机：若忽略电阻隐极发电机：若忽略电阻RaUI tXI j0E sincossincos0202temtemXUEmPPIXEmUIPP（1）保持励磁电流）保持励磁电流If不变时，不变时，Pem 值与值与 角角按正弦曲线变化，正半波代表发电机工况。按正弦曲线变化，正半波代表发电机工况。（2） Pem一定时，改变励一定时，改变励磁电流磁电流 ，若，若 ， 则则12 .请比较请比较 和和 的大小的大小1fi2fi2f1fII 90900 0

18、0 0P Pemem1801800 0 2. 凸极式发电机凸极式发电机忽略电枢电阻电磁功率等于输出功率。忽略电枢电阻电磁功率等于输出功率。dIqIUIqqjI xddjI x0E2sin)11(2sincos202dqdemXXmUXUEmmUIPP d0dqqXcosUEIsinXUI sinIcosI)cos(IcosIdq第一项第一项是励磁电流在气隙磁场中产生电磁力所引起是励磁电流在气隙磁场中产生电磁力所引起的，的，E0与励磁电势与励磁电势If成正比，称为励磁电磁功率成正比，称为励磁电磁功率（基本电磁功率）基本电磁功率）。第二项第二项在隐极机中不存在，与在隐极机中不存在，与 If无关，与

19、端电压无关，与端电压 U即即合成等效磁极及纵横轴磁阻的差异有关即合成等效磁极及纵横轴磁阻的差异有关即 ，称作称作凸极电磁功率凸极电磁功率（附加电磁功率）（附加电磁功率）。dqXX2sin)11(2sin20dqdemXXmUXUEmP凸凸 极极 机机 的的 功功 角角 特特 性性 曲曲 线线1800090018000900180009000900P Pemem 结论结论1 1：励磁电流励磁电流If为常数，调节发电机输出有功功率，无为常数，调节发电机输出有功功率，无功功率会改变，输出有功功率减少时，输出落后性功功率会改变，输出有功功率减少时，输出落后性无功功率会增大。无功功率会增大。结论结论2：

20、电网上的同步发电机，保持：电网上的同步发电机，保持If为常数，调节为常数，调节发电机输出有功功率，电动势向量发电机输出有功功率，电动势向量 的轨迹是一个圆，的轨迹是一个圆，电枢电流向量的轨迹也是一个圆电枢电流向量的轨迹也是一个圆(圆心不是圆心不是0)，称同，称同步电机的圆图。步电机的圆图。.0E0max01)sin2)903)1800ememememPPPP0max0:1)sin2)903)18004)0emememememPPPPP附加凸极与不成正比两种电机功角特性的区别两种电机功角特性的区别隐极隐极6.4.3 同步发电机与电网并联运行同步发电机与电网并联运行 时的静态稳定时的静态稳定 同步

21、发电机输出容量的大小，不仅受到发热的限制，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。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，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。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。（1 1）静态稳定问题：发电机在某一稳定运行状态，）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（即发电机和电网并联

22、运行时，电压U U和频率和频率f f都为都为恒定值，励磁电流恒定值，励磁电流I If f不变，其输入功率和输出功率不变，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，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。机的运行是稳定的。（2 2）动态稳定问题：发电机突然加负载、切除）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、负载等正常操作运行时，或者在发生突

23、然短路、电压突变、发电机失去励磁电流等非正常运行，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。变化时，电机是否还能保持同步运行的问题。2 静态稳定分析静态稳定分析(1) 隐极机隐极机90900 00 0P Pemem1801800 0 静态稳定判据：静态稳定判据： d dP Pemem/d/d0 0(2) 凸极机凸极机1800090018000900180009000900P Pemem m m ：最大电磁功率的功角。：最大电磁功率的功角。 凸极电机凸极电机 m m=45=45

24、90900 0；隐极机隐极机 m m= =90900 0隐极机隐极机： = = m m= =90900 0时，时，P Pemem=P=Pemmaxemmax 凸极机凸极机：令令dPdPemem/d/d =0=0，求得，求得 = = m m ，P Pemem=P=Pemmaxemmax 分析：分析： =0 0 m m: : 增大增大 P Pemem增大增大 = = m m时时P Pemem=P=Pemmaxemmax ，能稳定运行。能稳定运行。 m:m: 增大增大 P Pemem减小，发电机将失去同步，不能稳定运行。减小，发电机将失去同步，不能稳定运行。3、同步发电机的极限功率、同步发电机的极限

25、功率Pemmax发电机发电机失去同步失去同步后，必须后，必须立即减小立即减小原动机原动机输入的机输入的机械功率械功率，否则将使转子达到极高的转速，以致离心，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。而烧坏定子绕组。因此保持同步十分重要。4、过载能力过载能力 发电机输出的最大功率与额定功率的比值为同过发电机输出的最大功率与额定功率的比值为同过载能力。载能力。 k kM M=P=Pemmaxe

26、mmax/P/PN N 隐极机隐极机：不计：不计R Ra a P PN N P PemNemN 则则k kM M=P=Pemmaxemmax/P/PN N=1/sin=1/sin N N5 5、比整步功率、比整步功率（整步功率系数）（整步功率系数）P Psynsyn： 隐极机：隐极机：P Psynsyn= =d dP Pemem/d/d = =m mE E0 0UcosUcos /X/Xt t凸极机：凸极机：P Psynsyn=m=mE E0 0UcosUcos /X/Xd d+mU+mU2 2* *(1/(1/X Xq q-1/-1/X Xd d)cos2)cos2 6、比整步转矩（整步转矩

27、系数）比整步转矩（整步转矩系数）T Tsynsyn隐极机：隐极机：T Tsynsyn= =m mE E0 0UcosUcos /(X/(Xt t ) )凸极机：凸极机：T Tsynsyn=m=mE E0 0UcosUcos /(X/(Xd d ) )+mU+mU2 2/ / * *(1/(1/X Xq q-1/-1/X Xd d)cos2)cos2 6.4.5 无功功率的调节和无功功率的调节和V形曲线形曲线 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

28、负担。发电机在理想条件下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（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。联合闸到电网上去。I If f不变不变，调节有功功率调节有功功率， ( (即调节原动机的汽门、油门或即调节原动机的汽门、油门或水门水门) )， 将变化，有功功率变化将变化，有功功率变化。调节无功功率调节无功功率I If f ，保持原动机的拖动转矩不变，保持原动机的拖动转矩不变( (即不调节即不调节原动机的汽门、油门或水门原动机的汽门、油门或水门) )，发电机输出的，发电机输出的有功功率保持不有功功率保持不变变。 1 1、I I随随I If f变化关系变化关系P Pemem=m=mE E0 0UsinUsin /X/Xt t= =const 即即E E0 0sinsin = = const P P2 2=mUIco