第604_同步发电机并联运行

1、6.4 同步发电机的并联运行教学要求：教学要求：1 1熟练掌握同步发电机并联合闸的条件和方熟练掌握同步发电机并联合闸的条件和方法法 熟练熟练掌握同步发电机并联运行的基本电磁关掌握同步发电机并联运行的基本电磁关系系 、功率及转矩平衡方程式、功率及转矩平衡方程式3 3熟练熟练掌握有功功率和无功功率的调掌握有功功率和无功功率的调节节4 4理解静稳定的物理概念和理解静稳定的物理概念和V V形曲线的物理意形曲线的物理意义义并联运行的优点：并联运行的优点：1.电能的供应可以互相调剂，合理使用。2.增加供电的可靠性。3.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。4.系统愈大，负载就愈趋均匀，

2、不同性质的负载，互 相起补偿作用。5.联成大电力系统，有可能使发电厂的布局更加合理 现代供电方式是由多台同步发电机、多座发电厂并联运行，组成一个大的电力系统，为负载供给电能。6.4.1 投入并联的条件和方法投入并联的条件和方法一、发电机投入并联时的理想条件：一、发电机投入并联时的理想条件：发电机电压的瞬时值电网电压瞬时值发电机电压的瞬时值电网电压瞬时值我们知道由发电厂生产的电能首先考虑的就是并网运行，然后供给各个用户，那么这里就存在着一个很重要的问题，就是在怎样的条件下，发电机才能并网运行？ 并联投入时，避免产生冲击电流和转轴受到突然的并联投入时，避免产生冲击电流和转轴受到突然的扭矩。扭矩。l

3、 发电机的电压相序与电网的电压相序相同（发电机发电机的电压相序与电网的电压相序相同（发电机相序决定于原动机的转向，一般是固定的）相序决定于原动机的转向，一般是固定的）在合闸时，发电机的电压相角与电网电压的相角一样在合闸时，发电机的电压相角与电网电压的相角一样二、并联合闸必须满足四个条件：二、并联合闸必须满足四个条件：l 发电机频率等于电网的频率（各国电网频率大致有发电机频率等于电网的频率（各国电网频率大致有两种：两种：50Hz50Hz或或60Hz60Hz，我国为，我国为50Hz50Hz）l 发电机的电压幅值等于电网电压的幅值，且波形一致发电机的电压幅值等于电网电压的幅值，且波形一致那么，如果上

4、述条件不满足，将会怎样呢？那么，如果上述条件不满足，将会怎样呢？1 1）如果电压的有效值不等：）如果电压的有效值不等：02E02EhIUUUU1产生一个电压差：产生一个电压差：当开关当开关K K闭合时再整个回路中必然出现瞬态冲击电流。闭合时再整个回路中必然出现瞬态冲击电流。2)2)如果电压的相位不相同：如果电压的相位不相同：亦产生一个电压差，出现冲击电流。亦产生一个电压差，出现冲击电流。3 3）如果频率不等如果频率不等：同理，在频率不相等的情况下并：同理，在频率不相等的情况下并网运行，也将会产生瞬态冲击电流。网运行，也将会产生瞬态冲击电流。4 4）如果如果发电机的电压相序与电网的电压相序不同发

5、电机的电压相序与电网的电压相序不同BGUAGUCGU23XUINh31.1.准同期法准同期法132VASAGCGBSCSBGGS 3电网灯光旋转法灯光旋转法 （1）接线图如右：）接线图如右：第第1组灯对接组灯对接 ，第第2、3组灯交组灯交叉连接。叉连接。 为示零电压表为示零电压表三、三相同步发电机的并联方法VBGCSCGBSAGASUUUUUUUUU321发电机和电网的角速度分别为发电机和电网的角速度分别为s, G， UAs ，UBs ，UCs表示电网电压，表示电网电压， UAG，UBG，UCG表示发电机电压。表示发电机电压。每组灯的电压每组灯的电压:BSUASUCSUBGUAGUCGU132

6、123BSUASUCSUBGUAGUCGU123BSUASUCSUBGUAGUCGU132（）（）123（）（）123（）（）（2）灯光现象）灯光现象BSUASUCSUBGUAGUCGU132123BSUASUCSUBGUAGUCGU123BSUASUCSUBGUAGUCGU132（）（）123（）（）123（）（）正因为我们所看到的是旋正因为我们所看到的是旋转的灯光因此叫做转的灯光因此叫做灯光旋转法灯光旋转法。这显然不是我们所希望看到的，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，可以通过调整发电机的转速，以达到改变频率的目的以达到改变频率的目的（1）（2）（3）（4）（5）（6）

7、123最亮最亮最亮最亮最亮最亮123SG灯2和3交叉接于发电机的端点，不难想象，灯1熄灭，而2，3同时明亮时，应该是发电机符合并网条件，即电压同相位，同频率，同大小，相序相同，可以合闸。？（3）合闸时刻）合闸时刻（4 4）并网的步骤：）并网的步骤： 1) 1) 调节发电机的转速，使发电机的频率接近于电网频率，从指示灯亮度的旋转变化快慢判断转速是否接近同步转速 。 2) 2) 调节同步发电机的励磁，使发电机的电压等于电网的电压，从示零电压表或指示灯判断。 3) 3) 重复1)和2)。 4) 4) 当灯1熄灭，示零电压表读数为零， 灯2，灯3有同样亮度时迅速合上并网开关，将发电机并联到电网上。 利

8、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，不过它们的基本原理还是一致的。 微机并列操作系统首先将励磁绕组通过一限流电阻短接起来。首先将励磁绕组通过一限流电阻短接起来。 调节发电机转速接近同步转速（约差调节发电机转速接近同步转速（约差 ），合上并），合上并列开关，再立即投入励磁电流，由定、转子间的电磁力自列开关，再立即投入励磁电流，由定、转子间的电磁力自动牵入同步。动牵入同步。 自整步法的优缺点：自整步法的优缺点：操作简单，能在紧急情况下将发操作简单，能在紧急情况下将发电机迅速并入电网；但合闸时有冲击电流。电机迅速并入电网；但合闸时有冲击电流。励

9、磁绕组须经一限流电阻短接，因为励磁绕组须经一限流电阻短接，因为如果开路，将在励如果开路，将在励磁绕组中感应出危险的高电压；磁绕组中感应出危险的高电压；如果直接短路，将在定、如果直接短路，将在定、转子绕组中产生很大的冲击电流。转子绕组中产生很大的冲击电流。2. 2. 自整步（自同步）法自整步（自同步）法56.4.2 6.4.2 同步发电机功率平衡同步发电机功率平衡一、功率平衡方程式输入功率：P1=Pem+pmec+pFe+pad电磁功率：Pem=pcu+P2功率平衡： P1=pmec+pFe+pcu+P2在发电机中，定子铜耗是极小的一部分，为了分析简单，常常忽略，因此： P Pemem= =P

10、P2 2= =mUImUIcoscos 同步发电机中同步发电机中有哪些损耗？有哪些损耗？正常运行时转子有没有铁耗？输入功率输入功率1P电磁功率电磁功率emP输出功率输出功率2P定子铜耗定子铜耗cup附加损耗附加损耗adp铁心损耗铁心损耗Fep机械损耗机械损耗mecp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二、转矩平衡 P1=Pem+（pmec+pFe+pad）T1=Tem+T0稳定运行时，驱动转矩制动转矩稳定运行时，驱动转矩制动转矩P1 Pem （pmec+pFe+pad）+由此可见：输入转矩输入转矩电磁转矩电磁转矩空载制空载制动转矩动转矩6.4.3 6.4.3 同步发电机的功角特

11、性同步发电机的功角特性一、一、功角特性的定义功角特性的定义)(fPem功角：功角：端电压和励磁磁势之间的相位差角，一般用端电压和励磁磁势之间的相位差角，一般用 表表示，也有用示，也有用 表示。表示。功角特性：功角特性：发电机有功功率或无功功率与功角之间的发电机有功功率或无功功率与功角之间的关系称为同步发电机的功角特性。关系称为同步发电机的功角特性。 有功功率的功角特性：有功功率的功角特性： 无功功率的功角特性：无功功率的功角特性：)(fQ 功角的物理意义功角的物理意义在空间上：合成磁场轴线与转子磁场在空间上：合成磁场轴线与转子磁场轴线之间夹角。轴线之间夹角。dIqIIRUIqqjI XddjI

12、 x0E.E.jI XiBifFNSiN0主磁极主磁极气隙合成磁场的磁极气隙合成磁场的磁极S在时间上：端电压和励磁磁势之间的在时间上：端电压和励磁磁势之间的相位差角。相位差角。二、隐极同步发电机的功角特性二、隐极同步发电机的功角特性cosemPmUIUI0ESj IXsincoscossin00XEXEddIIsin0XEPdemUm)(fPemPem为一正弦曲线当功角=90度 时，电磁功率达到最大值。semXUEmP0maxsin101semXmUEPT即式中，Pem单位是W；1单位是rad/s；T 单位是Nm。它正比于E0（即励磁电流）,反比于同步电抗。从功角特性可以决定电磁转矩与功角之间

13、的关系，由此可以得出相应的电磁转矩，为三、凸极同步发电机的功角特性coscossinsinmUImUI如同隐极电机功角特性推导方法一样，可以得到凸极同步发电机的功角特性。如果略去电阻损耗，cos()mUIcosemPmUIcossinqdmUImUIdIqIUIqqjI XddjI x0E.QE.qjI X0sincosqqddI XUI XEU0sincosqqddUIXEUIX 020sincoscossin11sin()sin22emqddqdememUEUPmUmUXXUEUmmXXXPP式中 为基本电磁功率； 为附加电磁功率emP emP最后，可得：最后，可得：0Efi第一项是励磁电

14、流在气隙磁场中产生电磁力所引第一项是励磁电流在气隙磁场中产生电磁力所引起的，起的， 与励磁电势与励磁电势 成正比，称为励磁电磁功率成正比，称为励磁电磁功率。第二项在隐极机中不存在，与第二项在隐极机中不存在，与 无关，与端电压无关，与端电压 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 ，称作附加电磁功率或磁阻功率。称作附加电磁功率或磁阻功率。UdqXXfi2sin)11(2sin20dqdemXXUmXUEmPaFaqBadBaqFadFaB凸凸 极极 机机 的的 功功 角角 特特 性性 曲曲 线线MP1800090018000900180009000900附加

15、电磁功率附加电磁功率基本电磁功率基本电磁功率T T 121012sin)11(2sinTTXXmUXmUEPTdqdM电磁转矩电磁转矩式中 为基本电磁转矩； 为附加电磁转矩，又称磁阻转矩。6.4.4 6.4.4 有功功率的调节及静态稳定概念有功功率的调节及静态稳定概念一、有功功率的调节 在忽略铜耗的前提下，Pem= P2 =mUIcos 从功率平衡的观点来看， Pem和P1是成正比关系的，所以，想要增加电机输出的有功功率，只有增加原动机的输入功率只有增加原动机的输入功率P P1 1。 从功角特性看，若增加原动机的输出功率，则 T1 Tem+ T0，发电机加速， 增加 ，Pem增加，发电机的输出

16、功率增加。若减少原动机的输出功率，则 T1 Tem+ T0，发电机减速， 减少 ，Pem减小，发电机的输出功率减小。sin0XEdUm结论结论: :调节原动机的功率来调节发电机的有功功率调节原动机的功率来调节发电机的有功功率 调节励磁电流不能调节有功功率调节励磁电流不能调节有功功率0emsinsE UPmX例如If增加，则E0增加，Pem增加，制动性质的电磁转矩增加，发电机减速， 减小， Pem减小，回到原来的功率平衡。二、二、有功功率的调节的基本规律v遵循遵循同步发电机功角特性0emsinsE UPmX0三、同步电机的静稳定运行问题三、同步电机的静稳定运行问题同步发电机输出容量的大小，不仅受

17、到发热的限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。制，而且受到运行稳定性的限制。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。稳定问题包括由若干个发电厂或发电机的电力系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。厂是否还能保持同步运行的问题。静态稳定问题：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，电压联运行时，电压U U和频率和频率f f都为恒定值

18、，励磁电流都为恒定值，励磁电流I If f不不变，其输入功率和输出功率都不变的运行状态。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，突然发生一些微小的如果在电网或原动机方面，突然发生一些微小的瞬现即逝的干扰后，发电机如能自行恢复到原来的稳瞬现即逝的干扰后，发电机如能自行恢复到原来的稳定运行状态，即认为该发电机的运行是定运行状态，即认为该发电机的运行是静静稳定的。稳定的。0900180009000900180009001800090009001800T 1）在a点， P1=Pem，即输入P1和输出Pem相等，电机稳态运行a2）来一个干扰，假定使得P1增加到P1 ， 显然电

19、机的转速将增大，因为功角和转速成正比关系变化，所以，功角也将增大， 推出Pem也增大 ，这样一来，我们可以看出在b点电机将达到一个新的平衡点，从而继续稳定运行。bP1T1nPem新的平衡点新的平衡点b0900180009000900180009001800090009001800Ta）设原来运行在下降段，(在a点)。来一个干扰，假定使得P1增加到P1 ， 显然电机的转速将增大，功角增大， 而Pem减小 ，这样一来，转速进一步增加，发电机不能发电机不能在下降在下降段段达到一个新的平衡点达到一个新的平衡点。bP1T1nPem不能平衡点不能平衡点1maxemPP1）当功角在00-900之间变化时，发

20、电机有自动保持同步的能力，是发电机稳定运行区域发电机稳定运行区域。在稳定运行范围内，电磁功率的改变只会改变功角的大小，而转子的稳定转速是不会改变的，永远以同步速旋转。2）而在90900 01801800 0之间，电机是不稳定运行不稳定运行的，在功 角=900时，输入的机械功率到达与最大电磁功率相等，即由此可以推出由此可以推出,对隐极发电机，对隐极发电机，同步电机静稳定判据同步电机静稳定判据d0de mP0d Td 发电机是静态稳定的，发电机是静态稳定的， 或，或， 静态稳定。静态稳定。d0demP0dTd 发电机是静态不稳定的发电机是静态不稳定的 ， 或，或， 静态不稳定。静态不稳定。时为静态

21、稳定极限时为静态稳定极限 。d0demPmaxmaxemmNNTPkTP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）与额定电磁转矩磁转矩 （或额定电磁功率（或额定电磁功率 ）之比称为过载能力，）之比称为过载能力，用用 表示：表示： maxTmaxemPNTNPmk发电机的过载能力mk 隐极机： 一般为1.52左右。max1sinemmNNPkP 一台同步发电机并联于无穷大电网， （滞后），如果保持激磁电流不变，在负载功率减为原来的75%时，求这种情况下的功角、功率因数cos及电枢电流I的标么值（设 ）。8 . 0, 0*SaXR8 . 0cos, 1, 1*NIU例题例题3

22、35. 017888. 118 . 04343sin*0*UEXPSem0.*.*018 . 0cosUUIUPPNem为基准相量，即以 解：00*.*.*.*055.207888. 11)6 . 08 . 0(01jjXIjUES空载电动势： sin43*0*temxUEP负载减为原来3/4时： 057.19功角：685. 01157.19cos117888. 1cos20*2*0*ttxUxUEQ6589. 0685. 0)8 . 043(8 . 043)43(43cos222*2*QPPemem无功功率： 功率因数： 91. 06589. 018 . 043cos43*UPIem定子电流

23、： 6.4.4 无功功率的调节和无功功率的调节和V V形曲线形曲线 一、无功功率的调节有功功率的调节通过调节原动机的输入功率P1来实现。若励磁电流不变，改变发电机的有功功率，无功功率也会改变，但发电机无功功率的调节通过改变发电机的励磁电流来实现。20cossinaemsPmUIUEPmX常数或常数0cossinaIE常数常数为简便起见，在调节无功功率时，假定发电机输出的有功功率不变，于是： 由于m、U、Xs 均是定值，所以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0EUISjIXABCD E E0 0的变化必须满足在的变化必须满足在CDCD直线，而相应的直线，而相

24、应的I I的变化的变化必须在必须在ABAB线上。线上。E0sin=常数Icos=常数cos1 1）当）当I I与与U U同相，同相， 即即 =1 =1。此时发电机。此时发电机向电网输出的全部功率都是向电网输出的全部功率都是有功功率，无功功率为零，有功功率，无功功率为零，此时的电枢电流为最小值，此时的电枢电流为最小值，所对应的励磁电流我们叫做所对应的励磁电流我们叫做正常励磁电流。正常励磁电流。001EU1I1SjI XABCD 2 2）增加励磁电流，则空载）增加励磁电流，则空载电动势电动势E E0 0相应增加，看图可相应增加，看图可见，电枢电流由见，电枢电流由I I1 1 ,I ,I2 2, ,

25、电动电动势变化到势变化到E E0202，此时整个系此时整个系统出现了无功电流，并且是统出现了无功电流，并且是滞后，即滞后，即此时发电机将向外此时发电机将向外输出滞后性的无功功率，整输出滞后性的无功功率，整个状态我们称之为过励。个状态我们称之为过励。01EU1I1SjI XABCD02E2I2SjI X3 3）减小励磁电流，则电动势）减小励磁电流，则电动势亦减小（在正常励磁电流对应亦减小（在正常励磁电流对应的情况下），由图可见，此时的情况下），由图可见，此时电流超前，即向外输出电流超前，即向外输出超前性超前性质的无功功率的电流，整个状质的无功功率的电流，整个状态我们称之为欠态我们称之为欠励励。由

26、上可见，由上可见，对于无功功率的调节，可以通对于无功功率的调节，可以通过对励磁电流的调节实现过对励磁电流的调节实现。01EU1I1SjI XABCD03E3I3SjI X二、同步发电机的V型曲线cos1将不同励磁电流及与其对应的电枢电流画成曲线，此曲线称V形曲线，曲线的最低点对应的 ，电枢电流最小，此时的励磁电流为正常励磁电流，如果增大则进入过励，输出滞后的无功电流；反之为欠励，输出超前的无功电流。 为欠励时，励磁电流减小，静稳定能力削约，有静不稳定区限制。01EU1I1SjI XABCD03E3I3SjI X02E2I2SjI X0mP正常正常励磁励磁超前超前欠励欠励滞后滞后过励过励cos0. 8cos1cos0. 8不稳定区不稳定区发电机的发电机的V V形曲线形曲线emPemPemPemPemPemPemPemPemPIfI0If0 一台汽轮发电机并联于无穷大电网，SN=31250kVA，UN=10.5kV, cosN=0.8(滞后)