CH18+同步发电机并联运行

2020/5/10,1,第十八章同步发电机并联运行,2020/5/10,2,第一节投入并列运行的条件与方法第二节并网运行的同步发电机电磁功率与功角特性第三节并网运行时有功功率的调节与静态稳定第四节并网运行时无功功率的调节与V型曲线,本章主要内容,2020/5/10,3,思考,1、同步发电机单机供电有什么缺点？供电系统怎样克服单机供电的这些缺点？,2020/5/10,4,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。这些缺点可以通过多机并联来改善。,单机供电的缺点,2020/5/10,5,并联可将几台电机或几个电站并成一个电网。现代发电厂中都是把几台同步发电机并联起来接在共同的汇流排上，一个地区总是有好几个发电厂并联起来组成一个强大的电力系统(电网)。,同步发电机并联运行,2020/5/10,6,电力系统示意图,2020/5/10,7,同步发电机并联运行的优点,提高供电可靠性，一台电机发生故障或定期检修不会引起停电事故。提高供电经济性和灵活性。提高供电质量。同步发电机并联到电网后，它的运行情况受到电网的制约，也就是说它的电压、频率要和电网一致而不能单独变化。,2020/5/10,8,同步发电机与电力系统并联合闸时，为避免产生冲击电流和并联后能稳定运行，需满足一定条件，而待并联的发电机励磁情况不同，并联方法和条件也不同。,第一节投入并联运行的条件和方法,2020/5/10,9,什么是同步发电机的投入并联？,同步发电机并联运行,把同步发电机并联至电网的过程称为投入并联，或称为并列、并车、整步。,2020/5/10,10,无穷大电网,无穷大电网的定义：,很多场合都可认为同步发电机是与无穷大电网并联。,1）S2）ZS03）US=C4）fS=C,2020/5/10,11,同步发电机投入并联运行的条件,从图中可以看出同步发电机投入并联运行的条件是什么？,2020/5/10,12,同步发电机投入并联运行的条件,1,1,2,2,3,3,4,4,5,5,2020/5/10,13,待并发电机的励磁电势应与电网电压相等。,同步发电机投入并联运行的条件,并联合闸瞬间，待并发电机与电网的对应相的电压应同相位，亦即发电机与电网回路电势为零。,待并发电机与电网相序相同。,待并发电机电压波形与电网电压波形相同。,待并发电机的频率与电网频率相等。,2020/5/10,14,相序一致是绝对条件，其它的相对。因为电机可承受一些小的冲击电流，断路器合闸瞬间，电压差不应超过额定电压的5%10%，频率差不应超过额定频率的0.2%0.5%，相位误差不应大于5。并车准备工作：检查并车条件和确定合闸时刻。通常用电压表测量电网电压，调节发电机励磁电流使发电机输出电压U=U1。借助同步指示器检查并调整频率和相位以确定合闸时刻。,同步发电机投入并联运行的条件,2020/5/10,15,并联条件不满足时对发电机的影响,电机和电网之间有环流，使定子绕组端部受力变形。电机和电网之间有高次谐波环流，增加损耗，电机温度升高，效率降低。产生拍振电流和电压，引起电机内功率振荡。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。,2020/5/10,16,同步发电机的并车方法,1.准确同步并车将发电机调整到完全符合并联条件后的合闸并网操作过程称为准确同步法。发电机在并车合闸前已加励磁，当发电机电压的幅值、频率、相位分别与并车点系统侧电压的幅值、频率、相位接近相等时，将发电机合闸，完成并车操作。,2020/5/10,17,将待并网的同步发电机由原动机拖动接近同步速度。调节励磁电流，使发电机空载电压与电网电压相等。确认相序相同，调原动机转速使发电机电压频率约等于电网频率。在对应相电压相位相同的瞬间，合闸并网，完成并网操作。,准同步并车的操作步骤,2020/5/10,18,准同步并联法的操作步骤,为得到合闸并网瞬间，常采用同步指示装置。灯光装置-最常用的同步指示装置灯光熄灭法灯光旋转法,2020/5/10,19,又称理想整步法。需对并车条件逐一检查和调整，费时较多。优点：冲击电流小，不会引起系统电压变化。不足：并列操作过程中需对发电机电压、频率进行调整，并列时间较长且操作复杂。另外，如果合闸时刻不准确，可能造成非同步合闸。上述过程属于手工操作，随着检测技术和控制技术的不断发展，手工并网已很少，而是广泛采用自动并网装置。准确同步并列法按自动化程度不同，分为手动准同步、半自动准同步和自动准同步。,准同步并联法,2020/5/10,20,自同步法：用于事故状态下的并车。,准确同步法并网时无冲击电流，但很麻烦，对危急情况不适用。,自同步法：先检查发电机相序，将励磁回路串一电阻，大小约为10倍励磁绕组电阻rm(限流)，拖动转子使：nn1，(拖动方向与n1一致)直接合闸，然后加励磁，通过自整步作用由电网将其拉入同步。,自同步并联法,特点：操作简单迅速，但冲击电流较大，所以用于事故状态下并车。,2020/5/10,21,自同步并联法,注意：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电流。,2020/5/10,22,条件：电压大小相位相同频率相同电压波形相同相序相同发电机与电网的对应相的电压应同相位,方法准同步法自同步法,并联运行的条件及方法,2020/5/10,23,第二节并列运行的同步发电机电磁功率与功角特性,2020/5/10,24,有功功率的平衡,P0：空载损耗,2020/5/10,25,P1：由原动机输入的机械功率。P0：空载损耗pm机械损耗pFe铁心损耗pf：励磁绕组铜耗由直流电源供给。,P1,Pem,P2,P0=pFe+pm,pcu,同步发电机的功率及转矩,2020/5/10,26,Pem为通过电磁感应作用转变为定子绕组上的电功率，称为电磁功率。负载运行时，定子绕组中还存在定子铜耗pCu1，p2是发电机的输出功率。励磁回路消牦功率由原动机或其他电源供给，故不包括在功率流程图中。,同步发电机的功率及转矩,2020/5/10,27,T1：发电机轴上输入的机械转矩T0：发电机空载时轴上的输入转矩T：电磁转矩,同步发电机的功率及转矩,2020/5/10,28,电机稳定运行时，驱动性质的原动机转矩与制动性质的电磁转矩和空载转矩之和平衡。,同步发电机的功率及转矩,2020/5/10,29,同步发电机的功率特性,并联于无穷大电网的同步发电机，当电网电压和频率恒定、参数为常数、空载电势E0不变（即If不变）时，电磁功率和功率角之间的关系Pem=f()为有功功率特性（也称功角特性）。,功率特性的定义,隐极同步发电机的功率特性凸极同步发电机的功率特性,2020/5/10,30,有功功率特性是同步发电机的基本特性之一，通过它可研究发电机接在无穷大电网上运行时输出功率的情况，并进一步揭示机组的稳定性和发电机与电动机之间的联系与转化。假定：发电机并联于无穷大电网，磁路不饱和，忽略电枢绕组电阻。,同步发电机的功率特性,2020/5/10,31,励磁电势与端电压的夹角,忽略漏抗，=，：转子磁极中轴线与气隙磁极中轴线的夹角（与的夹角）,超前时，取正值。,功角为正时，对应发电机运行状态；功角为负时，对应电动机运行状态。,发电机的功角,2020/5/10,32,为正时，主磁极磁场拖动气隙磁场旋转（同时对有向后拖动的力）此时Pem0，同步机向电网发出电功率，为发电机工作状态。,功角对于研究同步电机的功率变化和运行的稳定性有重要意义。,发电机的功角,2020/5/10,33,为负，气隙磁场拖动励磁磁场旋转，此时电磁转矩Pem0，发电机发出感性无功（吸收容性）。当QP0，P1P00，发电机转子加速，转子磁场超前气隙合成磁场，0。，P2=Pem0，当P1P0=Pem时，加速过程结束，稳定运行，机械功率转化成电磁功率，发电机输出有功功率P2。发电机内部自动改变位移角，相应改变电磁功率和输出功率，达到新的功率平衡。,2020/5/10,55,并联于无穷大电网的同步发电机要增加有功功率输出，只有增加原动机输入功率，使转子加速，功角增加，电磁功率和输出功率相应增加，直到=900，电磁功率达到功率最大值。功率极限范围内，输入转矩越大，有功功率输出就越大。Pemax也称功率极限。,有功功率的调节结论,2020/5/10,56,发电机的静态稳定,静态稳定的定义：与电网并联，运行在某一点的发电机，受一外界干扰偏离原工作点，当干扰消失后，发电机若能恢复到原来的工作点，称之为静态稳定。否则称之为不稳定。,注意：同步发电机突加负载、切除负载等正常操作时，或者发生短路、电压突变、发电机失去励磁电流等非常运行时，发电机能否继续保持同步运行的问题，则属于动态稳定问题。,2020/5/10,57,设发电机原工作点为A点，功角为A。此时T1=T+T0,发电机的静态稳定,2020/5/10,58,若原动机输入的能量增加,T1，T1T0+T,则发电机转子突然加速，电磁功率，抑制功角增大。,A,且，直到稳定。,发电机的静态稳定,2020/5/10,59,当干扰消失，输入转矩又降为T1，T1T+T0，电机加速，T，电机失去同步。B点不是稳定运行点。,输入突然增加,发电机的静态稳定,2020/5/10,61,失去同步后，同步发电机必须立即减小原动机输入机械功率，否则将使转子达到极高转速，以致离心力过大而损坏转子。失步后，发电机频率和电网频率不一致，定子绕组中出现大电流而烧坏定子绕组。保持同步十分重要。静态稳定并程度用比整步功率(隐机机为例)表示。,发电机的静态稳定,2020/5/10,62,功角0到m范围内，Pem，同步发电机稳定运行。当功角达到m时，（励磁电流不变），Pem，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，失去同步，不能稳定运行。，发电机处于极限位置。,发电机的静态稳定,2020/5/10,63,隐极机：,当900不稳定，=900稳定极限。且越小，越大，稳定性越好,越接近900稳定度越低。,结论：要提高稳定性，可增大If，减小xs。,发电机的静态稳定,2020/5/10,64,比整步功率Psyn越大，静态越稳定；空载时，=0，Psyn最大，最稳定；=/2，Psyn=0，进入不稳定状态；/2，PsynPem0；,同步发电机的V形曲线,2020/5/10,85,cos=1的连线，随有功输出的增加，该线向右倾斜，是由于有功功率与定子电流成正比，随着P增加，I也增加，IxS增大，其中端电压不变，则必须增加一些励磁电流，才能保证cos=1,即当Pem，正常励磁电流增加；,同步发电机的V形曲线,2020/5/10,86,cos=1的左边属欠励区，电机发出容性无功，cos=1的右边属过励区，电机发出感性无功；,随If，当If过小，=900，电机将失去稳定。,同步发电机的V形曲线,2020/5/10,87,V形曲线的几个特点,有功功率越大，U形曲线越高;每条曲线的最低点，cos=1，定子电流最小，不管励磁电流增加或减小，定子电流都将增大;励磁电流增大受绕组最大允许电流限制，否则电枢绕组过热损坏;各U形曲线最低点连接线，为cos=1的线，该连线向右倾斜;因为随着有功功率的增加，IxS也增加需相应增加励磁电流，以维持cos=1。,2020/5/10,88,V形曲线的几个特点,不稳定区域边缘：=900，连线向右倾斜；每条曲线上的电流变化量I为无功分量；励磁电流增大时，电枢电流变化规律为先减小后增大。,2020/5/10,89,*第五节同步发电机并网后正常运行分析,发电机并网后，向电网输送电能，电能的发、供、用在同一瞬间完成，必须保持系统功率的平衡；有功不平衡影响电网频率，无功不平衡影响电网电压。系统要稳定运行，必须随时保持系统有功、无功的平衡；,并网发电机根据负载情况调整有功和无功输出，调节时应控制发电机的有功和无功、电压和电流及励磁电流等参数处于允许运行的限度范围内。,2020/5/10,90,发电机工作状态与有功输出的关系,有功调节依靠原动机输入功率调节实现。发电机并网后，若励磁不变，只开大汽门（或水门），即原动机出力，转子轴上机械转矩，输入的机械转矩T1大于电磁转矩T，转子升速，功角，电磁功率，发电机输出功率。新条件下保持,得到新的平衡，这时定子电流和无功都将改变。,2020/5/10,91,调节有功功率对发电机运行状态的影响,调原动机输入功率对无功的影响,以隐极机为例,Pem,Q,0,2020/5/10,92,Pem=0，最大值，感性；,Pem，,Q,当Pem，E0cos=U，Q=0，此时900；,当Pem，E0cosU；Q0，可见，Pem，Q，甚至由感性至容性。,调节有功功率对无功的影响,2020/5/10,93,设If不变，则E0不变。,Pem=0，=0,滞后90,1,调节有功功率对发电机定子电流的影响,2020/5/10,94,2,1,3,E0不变，P1，Pem,，,轨迹为一圆。,由,知P1，Pem,，IXs，I,感性），,Pem，（容性）。,调节有功功率对发电机定子电流的影响,2020/5/10,95,发电机工作状态与有功输出的关系,2020/5/10,96,若只开大汽门（或水门），不调励磁，发电机发出的无功由感性到容性，称为欠励磁状态，发电机向电网输送有功，同时又向电网吸收无功。发电机一般不允许欠励运行，这时应增加励磁，使定子电流大小和相位变化，发电机从欠励过渡到正常励磁。继续增大励磁，定子电流增大，发电机发出感性无功，运行在过励状态。,发电机工作状态与有功输出的关系,2020/5/10,97,一般发电机设计和运行在过励状态，即向电网输送有功的同时，输送感性无功。正常情况下，功率因数为0.8(滞后)，即发电机每发出l00kW有功，同时发出700-750kVar无功。以保证系统对有功、无功的需求。在运行期，电站可按调度要求或实际情况发送有功和无功，让水流充沛的电站多发有功。但多发有功的发电机要注意定子电流不得超过允许值，同时为了运行稳定性，功率因数一般不得超过0.95(滞后)。,发电机工作状态与有功输出的关系,2020/5/10,98,发电机工作状态与工作电压的关系,发电机并联运行时，电网电压波动导致发电机端电压波动。假定原动机输入到发电机轴上的功率不变，则发电机输出有功不变，同时励磁电流无改变，励磁电势E0不变。,2020/5/10,99,CD正比于有功输出，DC不变，则发电机有功输出不变，励磁电势E0不变，端电压U改为U，端电压U的端点轨迹在直线上。端电压从C降到C，功角变大，定子电流略增加且更加滞后，相应的无功输出也必然发生变化。电网实际运行中，允许电压波动，比如5%。,发电机工作状态与工作电压的关系,2020/5/10,100,电机电压下降5%，铁心磁密，铁心温升，允许定子电流略增，一般不超过额定值的5%，否则会因绕组铜耗增大而引起电机温升增加；电压增大5%，铁心磁密，漏磁，转子铁心表面产生附加损耗，转子过热，同时定子铁心温升，电机温升。通常端电压增高在5%以内时，定子电流减小5%，以保证发电机维持出力不变连续运行，同时温升在允许限度内。,发电机工作状态与工作电压的关系,2020/5/10,101,第六节同步发电机的振荡,同步发电机并在无穷大电网上正常运行时，定子磁极和转子磁极之间可看成由有弹性的磁力线联系。负载，功角，相当于磁力线拉长；负载，功角，相当于磁力线缩短。,2020/5/10,102,同步发电机的振荡,负载突然变化时，由于转子惯性，转子功角不能立即稳定在新的数值，而是在新的稳定值左右经过若干次摆动，这种现象称为同步发电机的振荡。,2020/5/10,103,两种类型：同步振荡：振荡幅度越来越小，功角摆动逐渐衰减，最后稳定在某一新功角下，仍以同步转速稳定运行；非同步振荡：振荡幅度越来越大，功角不断增大，直至脱出稳定范围，使发电机失步，发电机进入异步运行。,同步