第十六章-同步发电机的并列运行.ppt

同步电机 第四篇 第十六章同步发电机的并列运行 第十六章同步发电机的并列运行 本章基本要求 掌握同步发电机并列运行的条件和方法 掌握同步发电机并列运行时有功功率功角特性及有功功率的调节和静态稳定概念 掌握同步发电机并列运行时无功功率功角特性及无功功率的调节和U形曲线 本章重点和难点 重点是并列运行条件和方法 功角特性 有功功率的调节和静态稳定 无功功率的调节和U形曲线 难点是功角特性和U形曲线 1 单机供电的缺点 不能保证供电质量 电压和频率的稳定性 和可靠性 发生故障就得停电 无法实现供电的灵活性和经济性 这些缺点可通过多机并联来改善 2 通过并联可将几台电机或几个电站并成一个电网 现代发电厂都是把几台同步发电机并联起来接在共同的汇流排上 一个地区总有多个发电厂并联起来组成一个强大的电力系统 电网 3 电网供电优点 提高了供电可靠性 一台电机故障或检修不会引起停电事故 提高了供电的经济性和灵活性 若水电厂与火电厂并联 在枯水期和旺水期两种电厂可以调配发电 用电高峰期和低谷期可灵活决定投入电网的发电机数量 提高发电效率和供电灵活性 提高了供电质量 电网容量大 相对于单台发电机或个别负载可视为无穷大 单台发电机投入与停机 个别负载变化对电网影响甚微 衡量供电质量的电压和频率可视为恒定不变的常数 同步发电机并联到电网后其电压 频率和电网一致不能单独变化 无穷大电网的两个基本特征 电网上并列运行的发电机总容量比任意一台发电机的容量大得多 任意一台发电机有 无功功率的变化对电网的电压和频率影响甚微 也就是说电网的频率和电压是不变的恒值 无穷大电网的含义 是指电网的容量相对于待并网的发电机容量为无穷大 1 S 2 ZS 0 3 US C 4 fS C 无穷大电网的特点 发电厂里的发电机总是并联在一起运行的 发电厂与发电厂之间也是并联在一起组成电力系统 同步发电机的并列运行是指发电机在无穷大电网上的运行 第一节并列条件与方法 并列运行的含义 将两台或更多台发电机分别接在电力系统对应的母线上 或通过变压器 输电线接在电力系统的公共母线上 共同向负荷供电 把同步发电机并联至电网的过程称为投入并列 或称为并联 并车 整步 在并列时必须避免产生巨大的冲击电流 以防止同步发电机受到损坏 电网遭受干扰 如图所示 并列运行的优点 1 提高供电的可靠性 2 提高供电的经济性 3 提高电能的质量 主要是U和f 并列方法 1 准同步法2 自同步法 同步发电机与电网并列投入时 必须避免产生巨大的冲击电流 以防止同步发电机受到损坏 电磁冲击 机械冲击 电网遭受干扰 因而 要实现并列运行 需要满足一定的并列条件 根据待并列的发电机励磁情况的不同 并列的方法和条件也不同 并列条件 一 准同步并列法 1 准同步并列法的含义 准同步并列法就是将发电机调整到完全符合并列条件后的合闸操作过程 即让待并列发电机首先应处在空载励磁状态下工作 然后调节发电机使其满足一定的条件再并入电力系统 2 准同步并列法的条件 待并发电机端电压UF与系统电压U大小相等 即UF U 待并发电机端电压的相位与电力系统电压的相位相同 待并发电机的频率fF与电力系统频率f相等 即fF f 待并发电机的相序与电力系统相序相同 1 电压大小不等时 合闸投入如图所示 此时 ab两端存在有电位差为 合闸时由于电位差的作用发电机将产生冲击电流 即 冲击电流为无功分量 虽不会加重原动机的负担 但会在电枢绕组中产生很大的冲击力 使电枢绕组端部受冲击力的作用而变形 2 电压相位不同时 合闸投入如图所示 同理此时 ab两端存在有电位差为 合闸时由于电位差的作用发电机也将产生冲击电流Ih 电位差可达发电机电压的两倍 若此时并列 会产生很大的冲击电流 可达额定电流的20 30倍 发电机会因遭受巨大的冲击电磁力而损坏 3 电压频率不同时 合闸投入 1 拍振电压产生拍振电流使电枢绕组端部受力变形 使电枢绕组发热 2 有功电流Ih和转子磁场作用在转轴上时而产生制动转矩 时而产生驱动转矩 导致发电机振动 由上分析可知 频率差过大发电机不能并列 频率差较小时 靠 自整步 作用 可以把发电机拉入同步 通常使待并发电机的频率稍高于电力系统的频率 并且在电压差为零的时间将待并发电机合闸投入 4 电压相序不同时 合闸投入 因此 发电机实际并列时 除了相序必须一致外 其它条件允许有一定的偏差 如 U不超过10 相位差不超过10 频率偏差不超过0 2 0 5 0 1 0 25Hz 冲击电流的影响 1 电枢绕组端部受电磁力变形 2 转轴上受冲击转矩的作用 使机轴扭曲变形 3 电枢绕组发热 4 导致发电机振动 准同步并列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 准同步并列法的条件小结 1 待并发电机端电压UF与系统电压U大小相等 即UF U 2 待并发电机端电压的相位与电力系统电压的相位相同 3 待并发电机的频率fF与电力系统频率f相等 即fF f 4 待并发电机的相序与电力系统相序相同 5 同步操作方法 按准同步条件进行并列操作的方法分为 1 同步表法2 灯光法 同步表法 1 原理接线 如图所示 2 同步表法的操作过程 3 同步表法目的 同步表法目的是在仪表的监视下 调节待并发电机的电压和频率 使之符合电力系统并列的条件 4 同步表法操作说明 同步表法的操作过程 包括各物理量的调节及并列断路器的投入 可由运行人员手动完成 也可用一套自动准同步装置来完成 5 各种规格型号的同步表 各种规格型号的同步表 灯光法 灯光法就是用三只灯泡跨接于电力系统电网与发电机的对应相之间 通过观察灯光明暗来判断同步情况和确定投入并列的时机 灯光法通常分为 直接接法 熄灭灯光法 和交叉接法 旋转灯光法 两种 1 熄灭灯光法 2 并列操作方法 调节发电机励磁电流大小使其端电压与电网电压相等 1 原理接线图 调节相序 如果相序一致 灯光应表现为明暗交替 如灯光不是明暗交替说明相序不一致 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 调节转速n 改变频率 直到灯光明暗交替频率很低 等待灯光完全变暗的瞬间到来 即可合闸并车 并联后的依靠自整步作用牵入同步 3 熄灭灯光法检查相序原理相量图 2 旋转灯光法 1 原理接线图 说明 如图可见 灯1的接法不变 灯2和3交叉接于发电机的端点 首先利用灯光熄灭法检查相序是否一致 而后 按旋转灯光法原理图改变接线方式观察灯光的明暗情况来判断 2 并列操作方法 若灯1熄灭 而2 3同时明亮时 应该是发电机和电网完全重合时 即同相位 同频率 同大小 可以合闸 3 旋转灯光法原理相量图 问题 当频率不相等或不同相序时 灯光又是怎样的情况呢 频率不等时的灯光明暗情况 此时 发电机和电网的角速度 1不相等 其中 令A1 B1 C1表示电网电压 A B C表示发电机电压 灯光明暗情况如图所示 a 灯1灭 2 3亮b 灯2灭 1 3亮c 灯3灭 2 1亮 正因为我们所看到的是旋转的灯光因此叫做灯光旋转法 这显然不是我们所希望看到的 可以通过调整发电机的转速 以达到改变频率的目的 这样 当满足要求时 可以合闸 灯光法总结 1 在灯光熄灭法 直接接法 中 频率不同时 灯光是同时明灭的 相位不同时 是旋转的 2 在旋转灯光法 交叉接法 中 当频率和相位不相同时 灯光是依次旋转的 相序不同时的灯光明暗情况 若相序不同就进行并网运行 将看到的现象是三个灯同时明暗 因为我们采用的是交叉接法 如果相序是对的 应该是依次旋转的 而现象却是同时明暗 这就证明实际上是直接接法 这时只需调换发电机接到开关K上B C两相的接法 就可以改正相序 综上所述 准同步并列虽可避免过大的冲击电流 但操作复杂 要求有较高的精确性 需要较长时间进行调整 也要求操作人员具有熟练的技能 特别在电力系统发生故障时 采用该方法较为困难 二 自同步并列法 如图所示 在相序正确的前提下 起动未加励磁的发电机 当其转速接近同步速 相差2 5 时 合上同步开关 将发电机并网 然后加上发电机励磁将发电机牵入同步 需要注意的是 励磁绕组必须通过一限流电阻短接 灭磁电阻 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电流 自同步法的优点是 操作简单 方便快捷 缺点是 合闸时有冲击电流 一般不采用 在没有接通励磁电流的情况下将发电机接入电网 再接通励磁并调节励磁强弱 依靠定子磁场和转子磁场之间的电磁转矩将转子拉入同步转速 并车过程即告结束 自同步 自整步 法 利用同步指示灯进行并联的方法 在现代的电厂中已不再采用 而代之以各种半自动或全自动的并车装置 不过它们的基本功能还是一致的 合闸瞬间必须注意的是 励磁绕组必须通过一限流电阻短接起来 因为励磁绕组如果开路 将在其中感应出危险的高电压 励磁绕组如果直接短路 将在定 转子绕组中产生很大的冲击电流 自同步法的优点是 操作简单 能在紧急情况下将发电机迅速并入电网 缺点是 合闸时有冲击电流 自同步并列法小结 思考题 上一节思考题答案 第二节并列运行时有功功率的调节 一 电磁功率和功角特性 1 电磁功率 同步发电机转轴上输入的机械功率 通过电磁感应作用转换为电功率输送给负载 发电机能量传递过程 如图所示 1 电磁功率PM 式中 p0为空载损耗 功率和转矩间的关系P M 其中 2 n 60为转子机械角速度 从原动机输入的驱动转矩 发电机负载时制动性质的电磁转矩 发电机的空载制动转矩 2 输出功率P2 由于在大型同步发电机中 定子铜耗是极小的一部分 为了分析简单 常常忽略 因此 从凸极同步发电机的相量图可看出 凸极同步发电机的相量图 再从凸极同步发电机的相量图可看出 最后 可得电磁功率PM为 基本电磁功率 附加电磁功率 并联于无穷大电网的同步发电机 当电网电压和频率一定 参数 为常数 空载电动势不变 即不变 时 称为同步发电机的功角特性 对于隐极同步发电机 由于xd xq xt 所以只有基本电磁功率 即 3 功角特性 1 对于隐极 汽轮 同步发电机的功角特性曲线如图所示 2 对于凸极 水轮 同步发电机的功角特性曲线 水轮发电机的功角特性分两部分 PMmax M 结论 在 900时就达到功率极限值 附加电磁功率的特点 注 通常 附加损耗只占电磁功率的百分之几 3 两种同步发电机功角特性的区别 4 功角 的双重物理意义 如图所示 一是空载电动势E0和端电压U两个时间相量之间的夹角 如图所示 二是主极励磁磁动势Ff 0 轴线和合成等效磁动势FR R 轴线两个空间相量之间的夹角 电角度 如图所示 故 夹角 的存在使得转子磁极和定子合成等效磁极间的通过气隙的磁力线被扭曲了 产生了磁拉力 在励磁电流不变时 功角 愈大 则磁拉力也愈大 相应的电磁功率和电磁转矩也愈大 二 有功功率的调节 以隐极发电机为例说明 这样 同步发电机转子因有原动机的驱动转矩克服定子合成磁极的制动转矩而作功 实现机电能量转换 即将原动机输入的机械能转变为电能输出 可见 功角 是研究同步发电机运行状态的一个重要参数 它不仅决定了发电机输出有功功率的大小 而且还反映发电机转子的相对空间位置 通过它把同步电机的电磁关系和机械运动紧密联系起来 发电机空载运行时 原动机输入的功率只用来平衡各种损耗 此时 00 E0 U 定 转子磁极轴线重合 它们之间只有径向力而无切向力 所以 PM 0在功角特性上的0点 原点上 工作 如图所示 根据隐极发电机的电磁功率公式 可知要使发电机输出有功功率P2 PM 就必须调节E0的相位角 使E0和端电压U之间的功角 00 就要加大原动机的输入功率 增大汽门或水门的开度 使原动机的驱动转矩大于发电机的空载制动转矩 使转子加速 这样主磁极的位置就逐步超前气隙等效磁极的位置 所以 E0将超前U一个功率角 如图所示 如图所示 功率角 逐渐变大使得电磁功率及其对应的制动性质的电磁转矩也逐渐增大 当电磁制动转矩M增大到与输入的驱动转矩M1相等时 转子就停止加速 一旦发电机输入功率与输出功率逐步达到新的平衡状态时 同步发电机便在A点稳定运行 可见 并联于无穷大电网的同步发电机要调节有功功率输出 只需调节原动机转矩 在功率极限角范围内 输入转矩越大 有功功率输出就越大 如图所示 无限制的增大原动机的输入功率 并不能使发电机的输出功率相应地增加 这因为发电机的电磁功率存在一个极限值 即最大的电磁功率PMmax的缘故 三 静态稳定 并列在电网上的同步发电机 在电网或原动机发生微小扰动时 运行状态将发生变化 当扰动消失后 发电机若能恢复到原来的状态下稳定运行 就称为发电机是 静态稳定 的 反之就是 静态不稳定 静态稳定 指并列在电网上稳定运行的同步发电机 当受电网或原动机方面某些微小扰动时 能在这种干扰消失后 继续保持原来稳定运行状态的能力 如图所示 假设发电机在a点运行时发电机具有静态稳定的能力 若由于干扰使功角 增大到a 点 则PM和M都增大 迫使电机减速 功角 变小 电机回到a点 如图所示 若干扰使功角 减小时 有同样结论 所以a点称为稳定运行点 如图所示 假设发电机在b点远行时 由于发电机不具有静态稳定的能力 最终将导致转子主磁极和气隙等效磁极失去同步 这种情况称为发电机 失步 详细分析见教材P198 P199 发电机静态稳定的条件 发电机静态不稳定时 发电机静态稳定的极限 比整步功率 kW rad 它是表征同步发电机抗干扰而保持静态稳定的能力 对汽轮发电机 比整步功率为 如图所示 在发电机稳定区域内 Psyn越大 发电机稳定增长性越好 四 静态过载能力 在实际运行中 为了供电的可靠性 发电机的极限功率应比额定功率大 电机学称最大电磁功率与额定功率的比值称为同步电机的静态过载能力 静态过载能力表达式 汽轮发电机的过载能力 通常情况下过载能力越大 电机的稳定性越好 过载能力是表达静态稳定的能力 不是发电机可以过载的倍数 发电机的过载能力一般会设计得高一点 是从提高静态稳定观点考虑的 不是从发热观点考虑的 一般要求发电机的额定运行功率角 20 35 左右 过载能力Km 1 7 3 思考题一 思考题二 思考题三 思考题答案一 思考题答案二 思考题答案三 第三节并列运行时无功功率的调节 接在电网上运行的负载类型很多 多数负载除了消耗有功功率外 还要消耗电感性无功功率 如接在电网上运行的异步电机 变压器 电抗器等 所以电网除了供应有功功率外 还要供应大量滞后性的无功功率 电力系统的负载中包括有功功率和无功功率 并列在无穷大容量电力系统上的发电机 若只向电力系统输送有功功率 而不能满足电力系统对无功功率的要求时 就会导致电力系统电压的降低 因此并列后的发电机 不仅要输送有功功率 还应输送无功功率 并列运行发电机的特征 1 电网所供给的全部无功功率一般由并列的发电机分担 2 电网的电压和频率不会因为一台发电机运行情况的改变而改变 即并列发电机的电压和频率将维持常数 3 如果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 那么发电机输出的有功功率亦将保持不变 一 无功功率的功角特征 并列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 xt 为常数 空载电势E0不变 即If不变 时 Q f 称为同步发电机的无功功率功角特性 同步发电机输出的无功功率为 由隐极发电机的简化相量图可得 隐极发电机无功功率的功角特性曲线 如图所示 几个特殊点说明 二 无功功率的调节 从能量守恒观点分析 若要调节并列运行同步发电机的无功功率 则不需调节原动机的输入功率 而只需改变励磁电流 增大励磁电流 同步发电机的无功功率也相应地增加 隐极发电机的电磁功率公式 隐极发电机的无功功率公式 假定发电机输出的有功功率不变 当增大励磁电流 进行无功功率调节时 于是 从图示分析可知 增大励磁电流后 无功功率的输出相应增加 功率角却减小了 但并不影响发电机的有功功率输出 只是会影响到电机的稳定性能 结论 调节无功功率时不影响有功功率的输出 但是若调节有功功率时 就会影响无功功率的输出 即有功功率增加时 无功功率减小 三 无功功率调节的相量分析 发电机并列运行时 改变励磁电流调节无功功率 也可用相量图来说明 以隐极发电机为例 不计定子绕组的电阻 在调节无功功率时 保持发电机输出的有功功率不变 于是 由于参数m U Xt均为定值 所以 由图可知 调节励磁电流使得电动势E0和定子电流I均发生变化 但两相量的矢端的轨迹都应是一条直线 四种不同励磁时的情况分析 1 正常励磁 2 过励磁 3 欠励磁 4 静态稳定极限 发电机 欠励 状态下增加容性无功功率输出时 不仅受到定子的限制 还要受到静态稳定的限制 从相量图分析可知 通过调节励磁电流可以达到调节同步发电机无功功率的目的 当从某一欠励状态开始增加励磁电流时 发电机输出的超前的无功功率开始减少 电枢电流中的无功分量也开始减少 达到正常励磁状态时 无功功率变为零 电枢电流中的无功分量也变为零 此时 如果继续增加励磁电流 发电机将输出滞后性的无功功率 电枢电流中的无功分量又开始增加 相量分析的结论 四 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 表示电枢电流和励磁电流的关系曲线称为 U 形曲线 如图所示 对于一个给定的有功功率输出就有一条U形曲线 有功功率越大 曲线向上移 因此可是以得到一簇 U 形曲线 U形曲线说明 1 每条曲线的最低点 cos 1 定子电流最小 且全为有功电流 这些点的连线向右倾斜 2 不稳定区域边缘 900 连线向右倾斜 3 每条曲线上的电流变化量 I为无功分量 4 励磁电流从零开始增大时 定子电枢电流变化规律为先减小后增大 发电机运行时 定子电流和励磁电流是运行人员主要监视的两个物理量 这两个量关系到定子绕组和励磁绕组的温度 又牵涉到功率因数的超前或滞后以及运行的稳