水轮发电机的运行课件

1、水轮发电机并列的方法和条件有功功率的调节和静态特性无功功率的调节和U形曲线水轮发电机的调相运行第九章 水轮发电机的并列运行水轮发电机并列的方法和条件第九章 水轮发电机的并列运行引 言 并列操作：在水电厂中，将水轮发电机用开关（断路器）投入电力系统的操作。并列操作是较为频繁的一项操作。并列运行：水轮发电机出口开关处于闭合状态、使其与电力系统相连、并与系统中其它发电机共同承担电力系统负荷的运行状态。引 言 并列操作：在水电厂中，将水轮发电机用开关（断水轮发电机的运行课件并联运行的优点 1、提高供电的可靠性（互为备用）2、提高供电的经济性（水火调节、负荷经济分配）3、提高电能的质量（大容量系统、主要

2、是U和f）4、减少机组的备用容量（热备用）并联运行的优点 1、提高供电的可靠性（互为备用）无穷大电网： 1）容量S2）内阻抗Z0 3）电压U =常数 4）频率f=常数本节讨论机组并入无穷大系统的情况无穷大电网：本节讨论机组并入无穷大系统的情况 9.1 并联运行的条件和方法1.准同期法（正常并列时采用） 并列前发电机转子已励磁，并列操作复杂，需较长时间，但冲击电流小。2.自同期法 （系统故障时采用） 并列前发电机转子未励磁，并列操作简单，迅速，但冲击电流大。 9.1 并联运行的条件和方法1.准同期法 9.1 并联运行的条件和方法一、准同期法概念：由水轮机将待并发电机转速升至额定转速附近后，再加励

3、磁，通过调节发电机转速（调速器调节水轮机流量）和励磁（自动调节励磁装置调节转子电流），使发电机端电压的大小、相位、频率与电网一致后，将发电机并入电网。 9.1 并联运行的条件和方法一、准同期法 9.1 并联运行的条件和方法（一）条件1.待并发电机电压与系统电压大小相同，允许相差5的额定电压值。 2.待并发电机电压与系统电压相位相同，允许相角差控制在10以内。3.待并发电机频率与系统频率相同，允许相差0.050.1HZ以内。 4.待并发电机相序与系统相序相同。一、准同期法检修安装已能保证第4个条件，实际运行操作中，只需要前面三个条件满足即可。 9.1 并联运行的条件和方法（一）条件一（二）条件不

4、满足时对电机的影响：1.电机和电网之间有冲击电流，定子绕组端部受力变形，严重时损坏发电机。2.电机和电网之间有冲击电流，定子绕组端部受力变形，严重时损坏发电机。3.产生拍振电流和电压，引起电机内功率振荡和机组的剧烈振动。 容量较大的机组，如果并列时条件不满足，甚至会危急电网的安全运行。一、准同期法（二）条件不满足时对电机的影响： 容量较大的机组冲击电流：通常要求，冲击电流不超过发电机出口短路电流的5%-10%冲击电流：通常要求，冲击电流不超过发电机出口短路电流的5%-冲击电流： 通常要求，冲击电流不超过发电机出口短路电流的5%-10%11冲击电流： 通常要求，冲击电流不超过发电机出口短路电（二

5、）条件不满足时对电机的影响：1.待并发电机电压与系统电压大小不等一、准同期法（二）条件不满足时对电机的影响：一、准同期法（二）条件不满足时对电机的影响：2.待并发电机电压与系统电压相位不相同 一、准同期法（二）条件不满足时对电机的影响：一、准同期法（二）条件不满足时对电机的影响：3.待并发电机频率与系统频率不相同一、准同期法（二）条件不满足时对电机的影响：一、准同期法 自整步：当发电机与系统的频率差较小时，依靠拍振电流产生的电磁转矩将机组拉入与系统同步的现象。拍振电流有功分量产生制动电磁转矩拍振电流有功分量产生驱动电磁转矩与 相位差小于90度输出有功功率与 相位差大于90度吸收有功功率 自整步

6、：当发电机与系统的频率差较小时，依靠拍振电流产生的拍振电压拍振电压（三）准同步并列方法一、准同期法电压表PVl和PV2分别监视电网和待并发电机的电压，调节待并发电机的励磁电流，可使发电机电压与电网电压相等。频率表PFl和PF2分别监视电网和待并发电机的频率，调节待并发电机的水轮机转速，可使发电机的频率与电网频率相等。待并发电机的电压相位与电网电压相位可由同步表PS监视，同步表指针向“快”的方向摆，表明待并发电机的频率高于电网频率，反之亦然。 灯光法同步表法（三）准同步并列方法一、准同期法电压表PVl和PV2分别监（三）准同步并列方法 调节待并发电机的励磁电流和原动机的转速，使仪表读数PV2、P

7、F2和PVl、PFl分别相同，同步表PS指针偏转缓慢。当同步表指针由“慢”向“快”的方向接近“快”与“慢”之间的红线时，表示待并发电机与电网已达同步，满足了并列条件，可迅速合上断路器QF，完成并列操作。（三）准同步并列方法 调节待并发电机的励磁电流和原动机的 准同步并列手段 手动准同步、自动准同步、半自动准同步 规程规定：发电机并列应以自动准同步并列方式为基本操作方式，如自动准同步并列方式不良应改为手动准同步并列方式。 准同步并列手段微机自动准同期装置的组成微机自动准同期装置的组成 9.1 并联运行的条件和方法二、自同步法 准同步并列法可以避免过大的冲击电流。但是操作复杂，并列时间长。当电网发

8、生故障时，电压、频率波动大，采用准同步法并列较为困难。此时发电机可采用自同步法将发电机迅速投入电网，以利于电网的稳定运行。概念：由水轮机将待并发电机转速升至额定转速后，合上发电机出口断路器将发电机并入电网，然后迅速加励磁电流，利用“自整步”的作用将发电机拉入电网同步。 9.1 并联运行的条件和方法二、自同步法 9.1 并联运行的条件和方法二、自同期法 1、合上QF2将电阻串入发电机的励磁绕组回路（为什么？）；2、启动发电机，使其转速升高到接近同步转速时合上QF1 ，将发电机并入电网；3、立即进行直流励磁（QF2倒向左侧）。4、利用“自整步”电磁转矩把转子自动投入同步。 9.1 并联运行的条件和

9、方法二、自同期法9.2 有功功率的调节和静态稳定一、有功功率的调节 1、功率平衡和转矩平衡 2、功角特性 3、有功功率的调节二、静态稳定9.2 有功功率的调节和静态稳定一、有功功率的调节9.2 有功功率的调节和静态稳定一、有过功率的调节1、功率平衡和转矩平衡9.2 有功功率的调节和静态稳定一、有过功率的调节9.2 有功功率的调节和静态稳定一、有功功率的调节1、功率平衡和转矩平衡水轮机输出转矩（驱动性质）发电机空载转矩（制动性质）发电机电磁转矩（制动性质）机械角速度9.2 有功功率的调节和静态稳定一、有功功率的调节水轮机输 定义：并联于无穷大电网的同步发电机，当电网电压和频率恒定、参数（xd、x

10、q）为常数、空载电势E0不变（即 If 不变）时，PM=f()为有功功率功角特性。 后面还要介绍QM=f()为无功功率功角特性。9.2 有功功率的调节和静态稳定一、有功功率的调节2、有功功率功角特性 定义：并联于无穷大电网的同步发电机，当电网电压和频率恒定忽略d轴q轴忽略d轴q轴水轮发电机（凸极机）的有功功率功角特性： 汽轮发电机（隐极机）的有功功率功角特性 基本电磁功率（基本分量）磁阻功率（附加分量）水轮发电机（凸极机）的有功功率功角特性： 汽轮发电机（功率极限PM.max条件0900PMPM.max1800发电机有功功率功角特性曲线PM18000900PM.max 隐极机 凸极机功率极限P

11、M.max条件0900PMPM.max1800发两种电机功角特性的区别水轮发电机汽轮发电机电动机运行状态两种电机功角特性的区别水轮发电机汽轮发电机电动机运行状态功角的双重物理意义1、是电动势 和电压 间的时间相角差2、是励磁磁势 和合成磁势 间的空间相角差功角的双重物理意义1、是电动势 和电压 间的时间相忽略d轴回顾：时空向量图时轴/q轴忽略d轴回顾：时空向量图时轴/q轴忽略功角的示意图A忽略功角的示意图ANSFRNSFfM1nMn1功角意义的图示B功角是转子磁极轴线和记及定子漏磁势后气隙合成磁势FR轴线的空间夹角。 FR转速不变。（类弹簧效应 ：励磁电流不变时，在静态稳定条件下，越大磁拉力越

12、大，电磁功率和电磁转矩也越大）NSFRNSFfM1nMn1功角意义的图示B功角是转子9.2 有功功率的调节和静态稳定一、有功功率的调节3、有功功率的调节NSM1nNSFRNSFfM1nM+ M0n1Ff= FRE0= U.M0SN=0.E0.UPM18000900PM.maxI&空载输出有功n19.2 有功功率的调节和静态稳定一、有功功率的调节NSM19.2 有功功率的调节和静态稳定一、有过功率的调节3、有功功率的调节PM18000900PM.max说明：（1）励磁电流不变，励磁磁动势也不变，故空载电动势也不变。（2）改变水轮机的功率可以改变功角，使发电机输出功率改变，但不能无限制地增加水轮机

13、的输出功率，因为发电机有一个极限功率，或发电机有一个静态稳定的问题。9.2 有功功率的调节和静态稳定一、有过功率的调节PM19.2 有功功率的调节和静态稳定二、发电机的静态稳定1、静态稳定的概念PM1800 指电网或水轮机方面出现某些微小扰动时，发电机运行状态将发生改变，但在这种干扰消失后，发电机将回到原来的运行状态。稳定不稳定900009.2 有功功率的调节和静态稳定二、发电机的静态稳定PM9.2 水轮发电机有功功率的调节和静态稳定二、发电机的静态稳定1、静态稳定的概念PM1800稳定不稳定90000原工作于a点：干扰发生：平衡于c点：干扰消失：回到a点工作于稳定极限的左侧9.2 水轮发电机

14、有功功率的调节和静态稳定二、发电机的静态9.2 有功功率的调节和静态稳定二、发电机的静态稳定1、静态稳定的概念PM1800稳定不稳定90000原工作于b点：干扰发生：不会平衡于b点以下的某点e：干扰消失：不会回到b点工作于稳定极限的右侧9.2 有功功率的调节和静态稳定二、发电机的静态稳定PM9.2 有功功率的调节和静态稳定二、发电机的静态稳定2、静态稳定判据与稳定储备系数PM1800稳定不稳定90000静态稳定判据静态过载能力（稳定储备系数）比整步功率9.2 有功功率的调节和静态稳定二、发电机的静态稳定PM说明：1、Km越大发电机稳定性越好。 2、增大Km的方法：励磁绕组温度升高电机尺寸增大、

15、造价增大说明：1、Km越大发电机稳定性越好。励磁绕组温度升高电机尺寸汽轮发电机（隐极机）静态稳定简介静态稳定判据静态过载能力（稳定储备系数）比整步功率0900PMPM.max1800稳定不稳定即条件：相同励磁电流。汽轮发电机（隐极机）静态稳定简介静态稳定判据静态过载能力（稳例题 16-1例题 16-19.3 水轮发电机无功功率的调节和静态稳定一、无过功率的功角特性二、无功功率的调节三、同步发电机的U形曲线 水轮发电机并网运行时，不仅要向系统发送有功功率，而且还要发送无功功率。如果系统无功功率不足时，会导致系统电压下降。9.3 水轮发电机无功功率的调节和静态稳定一、无过功率的功角一、无功功率的功

16、角特性 定义：并联于无穷大电网的同步发电机当电网电压和频率恒定、参数（xd、xq）为常数、空载电势E0不变（即 If 不变）时，Q=f()为无功功率功角特性。9.3 水轮发电无功功率的调节和静态稳定一、无功功率的功角特性 定义：并联于无穷大电网的同步发忽略d轴q轴忽略d轴q轴凸极发电机无功功率的功角特性 隐极发电机无功功率的功角特性凸极发电机无功功率的功角特性 隐极发电机无功功率的功角特凸极发电机无功功率的几个特殊点凸极发电机无功功率的几个特殊点励磁电流改变时的水轮发电有功功率和无功功率功角特性PM1800900001、调节水轮机的输出，会引起有功功率的变化，也会引起无功功率的变化。汽轮发电机

17、类似励磁电流改变时的水轮发电有功功率和无功功率功角特性PM18励磁电流改变时的水轮发电有功功率和无功功率功角特性PM1800900002、调节励磁电流会引起无功功率的变化，但不会引起有功功率的变化（能量守恒）汽轮发电机类似励磁电流改变时的水轮发电有功功率和无功功率功角特性PM18二、无功功率的调节 1、不带有功功率时，无功功率的调节忽略正常励磁过励磁欠励磁汽轮发电机类似二、无功功率的调节 1、不带有功功率时，无功功率的调节忽略正结论：发电机不带有功负载情况下A、正常励磁时，输出电流为零，也不输出无功；B、过励磁时，发感性无功，过励越多，则发出的感性无功和电流越大；C、欠磁时，发容性无功，欠励越

18、多，则发出的容性无功和电流越大。 发电机发容性无功时 ，相当于从系统吸收感性无功，会增加系统感性无功的负担；同时由于空载电动势减少，也会导致系统有功功率极限减少，降低发电机运行的静态稳定。反之，发电机发感性无功时，不仅不增加系统感性无功的负担，还能增加发电机运行的静态稳定。 所以，发电机一般不运行在欠励状态，而工作在过励状态。结论：发电机不带有功负载情况下二、无功功率的调节 2、带有有功功率时，无功功率的调节PM180090000汽轮发电机类似二、无功功率的调节 2、带有有功功率时，无功功率的调节PM三、同步发电机的U形曲线（也称V型特性曲线） 定义：在保持有功功率不变的情况下，定子电流随励磁

19、电流变化的关系曲线形似U形字母，故称为U形曲线。9.3 水轮发电机无功功率的调节和静态稳定三、同步发电机的U形曲线（也称V型特性曲线） 定义：在假设系电压U不变和发电机输出有功功率PM不变，以汽轮发电机（隐极）为例：假设系电压U不变和发电机输出有功功率PM不变，以汽轮发电机（隐极同步发电机不同运行方式时的相量图1、正常励磁2、过励磁3、欠励磁4、欠励磁并且处于稳定极限滞后超前隐极同步发电机不同运行方式时的相量图1、正常励磁2、过励磁3可见：对于隐极发电机1、过励磁时 滞后2、正常励磁时 , I最小3、欠励磁时 超前4、欠励磁并且 时，处于稳定极限，电流达静态稳定允许电流可见：对于隐极发电机2、

20、正常励磁时 U形曲线:并联于无穷大电网的同步发电机，保持有功功率不变时，表示电枢电流 I 和励磁电流 If 的关系曲线 I = f（If）水轮发电机有类似的结论U形曲线:并联于无穷大电网的同步发电机，保持有功功率不变时，进相迟相进相迟相水轮发电机的运行课件 由图可见，与与无线电容量电网并联的发动机，调节其励磁电流的大小， 则可改变发动机输出的无功功率的大小和性质： （1）当过励磁时，定子电流是滞后电流，发电机输出感性无功功率； （2）当欠励磁时，电枢电流是超前电流，发电机输出容性无功功率。 由图可见，与与无线电容量电网并联的发动机，调节其励磁 发电厂运行管理人员利用 U形曲线有助于了解定子电流

21、与励磁电流之间的关系，从而控制发电机的运行状况： （1）根据负荷大大小，给定励磁电流，就可以得知定子电流的大小以及功率因数的数值； （2）也可以在励磁电流不变时，了解负荷变化对定子电流和功率因数的影响； （3）若要维持功率因数不变，当负荷变化后，可根据U形曲线正确地调节发电机的励磁电流。 发电厂运行管理人员利用 U形曲线有助于了解定子电流与四、水轮发电机的P-Q功率极限图概念：水轮发电机的P-Q功率极限图反映了发电机安全运行的功率极限。发电机功率极限受以下几个运行极限的限制：（1）转子发热运行极限（2）定子发热运行极限（3）水轮机输出功率极限（4）静态稳定运行极限（5）最小允许励磁极限9.3

22、水轮发电机无功功率的调节和静态稳定四、水轮发电机的P-Q功率极限图概念：水轮发电机的P-Q功率PQ定子发热极限转子发热限制最小励磁极性水轮机输出功率极限理论稳定极限实际稳定极限LGFKBEN为额定工作点DOPQ定子发热极限转子发热限制最小励磁极性水轮机输出功率极限理四、水轮发电机的P-Q功率极限图1、转子发热运行极限 转子发热正比于转子的铜损，而铜损又与励磁电流平方成正比。在额定运行情况下，励磁电流为IfN。允许的最大励磁电流为Imax=IfN，对应的电动势为E0max。9.3 水轮发电机无功功率的调节和静态稳定四、水轮发电机的P-Q功率极限图1、转子发热运行极限9.3 四、水轮发电机的P-Q

23、功率极限图2、定子发热运行极限 定子发热正比于定子的铜损，而铜损又与定子电流平方成正比。在额定运行情况下，定子电流为IN。允许的最大定子电流为Imax=IN。9.3 水轮发电机无功功率的调节和静态稳定四、水轮发电机的P-Q功率极限图2、定子发热运行极限9.3 四、水轮发电机的P-Q功率极限图3、水轮机输出功率极限 电厂为了保证机组的安全运行，对水轮机也规定了额定功率PmN。水轮机的额定功率稍大于发电机额定功率。发电机连续运行时的有功功率极限为：9.3 水轮发电机无功功率的调节和静态稳定四、水轮发电机的P-Q功率极限图3、水轮机输出功率极限9.3四、水轮发电机的P-Q功率极限图4、静态稳定运行极

24、限 当发电机工作于第二象限时，发电机进入调相运行状态（Q为负值），功率角较大，发电机有可能进入静态不稳定区域。 设稳定极限功率角为max.L，则理论静态稳定极限为：9.3 水轮发电机无功功率的调节和静态稳定四、水轮发电机的P-Q功率极限图4、静态稳定运行极限9.3 但考虑到稳定储备系数的要求，通常要求实际的功率极限为理论功率极限的10-15%，与此对应的功率角为max.S，则功率极限为： 但考虑到稳定储备系数的要求，通常要求实际的功率极限为5、最小允许励磁极限 机组可能在无励磁或甚至在较小的反向励磁下运行，但此种状况下运行机组将极不稳定。为了使发电机始终保持正向励磁，通常最小励磁电流是以Ifm

25、in=0.1IfN为极限，设此时的电动势为Emin。则功率极限为：5、最小允许励磁极限水轮发电机的运行课件 例题 9-2（不讲）改为水轮发电机 例题 9-2（不讲）忽略d轴q轴忽略d轴q轴水轮发电机的运行课件忽略d轴q轴1、求虚拟电势2、确定q轴和d轴4、电流分解3、求内功率因数角5、求空载电动势忽略d轴q轴1、求虚拟电势2、确定q轴和d轴4、电流分解3、 9.4 水轮发电机的调相运行 系统中由于负荷（主要是异步电动机）、变压器、甚至部分线路均要吸收或消耗感性无功。如果向系统提供的无功不足或剩余，系统电压将偏移规定的额定电压。电压偏移的危害 电压降低 电压过低 电压过高会使网络中功率和能量的损

26、耗加大有可能危及电力系统运行稳定性各种电气设备的绝缘可能受到损害，在超高压网络中还将增加电晕损耗等 9.4 水轮发电机的调相运行 系统中各种用电设备都是按额定电压设计制造的。这些设备在额定电压下运行才能取得最佳效果35KV及以上：510KV及以下：7低压照明：+5，-10农村电网：+7.5，-10 (+10，-15)允许电压偏移指标允许电压偏移指标各种用电设备都是按额定电压设计制造的。这些设备在额定电压下运 9.4 水轮发电机的调相运行系统无功功率电源 同步发电机:送出P+送出或吸收Q 同步调相机：吸收P0+送出或吸收Q 静电电容器：送出Q 静止无功补偿器:送出或吸收Q 静止无功发生器:送出或

27、吸收Q 同步电动机:吸收P+送出或吸收Q同步电机从原理上可逆。 9.4 水轮发电机的调相运行系统无功功率电源 同步一、同步电机的可逆原理NSFRNSFfnn1NSFR=0NSFfnn1NSFRNSFfnn1同步发电状态同步电动状态有功空载状态一、同步电机的可逆原理NSFRNSFfnn1NSFR=0上述的三种情况，调节励磁电流，均可使发电机处于以下三种状态：过励磁：发电机将向系统发送感性无功正常励磁：发电机将不会向系统发送无功欠励磁：发电机将从系统吸收感性无功或发送容性 无功上述的三种情况，调节励磁电流，均可使发电机处于以下三种状态：NSFRNSFfnn1同步电动状态NSFRNSFfnn1同步调相状态NSFRNSFfnn1同步电动状态NSFRNSFfnn1二、水轮发电机的调相运行水轮发电机的调相运行：并入系统运行的水轮发电机不向系统发送有功功率，仅从电网吸收少量的有功功率以克服空载损耗以维持其旋转，通过调节励磁电流以调节发电机向系统发送的无功功率的大小和方向，从而改善系的功率因数和电压质量。 二、水轮发电机的调相运行忽略正常励磁过励磁欠励磁汽轮发电机类似调相运行时的向量图（设P=0）忽略正常励磁过励磁欠励磁汽轮发电机类似调相运行时的向量图（设几点说明： 1、在电网负荷较重时，感性无功负荷需求较大，系统功率因数和电压较低，所以通常应采用过励磁调相。在电网负荷较轻时，感