第18章--同步发电机的并联运行

1、教学要求：教学要求：1 1熟悉并联合闸的条件和方法熟悉并联合闸的条件和方法2 2掌握并联运行的基本分析方法，包括：掌握并联运行的基本分析方法，包括： 基本电磁关系、功率及转矩平衡方程基本电磁关系、功率及转矩平衡方程 有功功率和无功功率的调节有功功率和无功功率的调节 V V形曲线形曲线1 1 何谓并联运行？（何谓并联运行？（简图简图）2 2 单机运行与并联运行的简单对比单机运行与并联运行的简单对比1 1）并联运行并联运行电能供应互相调剂，水、火、电能供应互相调剂，水、火、风、核电相互调剂，单机则当地孤立供电风、核电相互调剂，单机则当地孤立供电2 2）供电的可靠性）供电的可靠性3 3）供电质量，电

2、压和频率在单机）供电质量，电压和频率在单机与并网条与并网条件下与负荷什么关系？件下与负荷什么关系？ 单机：单机：电压和频率通常情况下电压和频率通常情况下随负荷增随负荷增大而降低大而降低。并网：电压和频率通常基本恒定。并网：电压和频率通常基本恒定 1）实际状况：大型发电机几乎都并网实际状况：大型发电机几乎都并网运行，小型发电机（水，风，柴油机组运行，小型发电机（水，风，柴油机组) )也尽可能并网。也尽可能并网。3) 3) 电压相序电压相序4) 4) 频率频率一、基本要求与条件一、基本要求与条件 1 1 基本要求基本要求 并联投入时避免产生大的冲击：并联投入时避免产生大的冲击：电流电流和力矩。和力

3、矩。 2 2 并联合闸条件并联合闸条件1) 1) 电压大小与波形电压大小与波形2) 2) 电压相位相同电压相位相同（通过与直流电源及变压器对比理解）（通过与直流电源及变压器对比理解）r1r1r2r2E2E2E1E12 21 1U直流电源并联直流电源并联为了防止环流为了防止环流对电池电动势对电池电动势的要求：的要求：大小相等，大小相等，极性相同。极性相同。以便并联合闸前以便并联合闸前于是，并联后闭于是，并联后闭合回路无环流合回路无环流0U2U2UAX2U为了防止环流，为了防止环流，除了上述两条，除了上述两条，还要求相位相同还要求相位相同三相相序一致。三相相序一致。且大小相等，即且大小相等，即要求

4、变比相等；要求变比相等；极性与相位同，极性与相位同，即联结组相同；即联结组相同；sCsAsBSAUgCgAgBGAsUAgUAASAGUUUsCsAsBSAUgCgAgBGAsUAgUAASAGUUU为了防止环流，为了防止环流，除了大小相等，除了大小相等，极性与相位同，极性与相位同，三相相序一致三相相序一致,还要求还要求 频率相等频率相等10001 0 0 02 0 0 03 0 0 0100-200-10001002000100020003000频率差、电压差与冲击电流频率差、电压差与冲击电流 AAsgUIZZAUBUCUAgUBgUCgUCsUBsUAsUsg二、方法二、方法1.1.准确同

5、步法：将发电机调整到符合并准确同步法：将发电机调整到符合并联条件后并网：暗灯法和旋转灯光法。联条件后并网：暗灯法和旋转灯光法。0ABCUUU (1)(1)暗灯法暗灯法 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，若三相相灯同明同暗，说侧接灯泡，称相灯，若三相相灯同明同暗，说明相序正确；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。暗灯法接线和向量图暗灯法接线和向量图1U2U3UGAUGBUGCUSCUSBUSAUGSVAsBsCsAGBGCG123G3电电网网SCUSBUSAUSGAU

6、GBUGCUGSCUSBUSAUSGAUGBUGCUGSGSAUGAUGCUSCUGBUSBUAUBUCUSGSAUGAUGCUSCUGBUSBUAUBUCUSCUSBUSAUSGAUGBUGCUGSGSAUGAUGCUSCUGBUSBUAUBUCUSGSAUGAUGCUSCUGBUSBUAUBUCU-200-10001002000250050007500100000500.07s-50-25025500.2s020V0.7sSGSAUGAUGCUSCUGBUSBUAUBUCUSGSAUGAUGCUSCUGBUSBUAUBUCUSGSAUGAUGCUSCUGBUSBUAUBUCUSGSAUGA

7、UGCUSCUGBUSBUAUBUCUSGSAUGAUGCUSCUGBUSBU0AUBUCUSGSAUGAUGCUSCUGBUSBUAU0BUCUSGSAUGAUGCUSCUGBUSBUAUBU0CUSGSAUGAUGCUSCUGBUSBU0AUBUCUSGSAUGAUGCUSCUGBUSBUAU0BUCUSGSAUGAUGCUSCUGBUSBUAUBU0CUSGSAUGAUGCUSCUGBUSBUAUBUCUSCUSBUSAUSGAUGBUGCUG 当满足条件当满足条件时时，一个相灯熄，一个相灯熄灭，另两个相灯灭，另两个相灯亮度一样。亮度一样。当频当频率不满足时，三率不满足时，三个相灯依次熄

8、灭，个相灯依次熄灭，给人以灯光旋转给人以灯光旋转的感觉的感觉(自学：自学：如何判断哪个条如何判断哪个条件不满足？件不满足？)系统AABBCC发电机K123自整步接线示意图自整步接线示意图aNaS1nfINS（2 2）定子投入电网，并立即加励磁电流，靠定、）定子投入电网，并立即加励磁电流，靠定、转子磁场间作用力把转子自动牵入同步（右图）。转子磁场间作用力把转子自动牵入同步（右图）。（1 1）把发电机转子拖动到接近同步速，励磁绕组）把发电机转子拖动到接近同步速，励磁绕组经限流电阻短路经限流电阻短路( (左图左图) )，定转子未接电源。，定转子未接电源。n1nn 并联在电网上的同步发电机怎样才能带并

9、联在电网上的同步发电机怎样才能带上负载，即向电网输出有功功率和无功功率上负载，即向电网输出有功功率和无功功率, ,如何调节所输出的功率大小。如何调节所输出的功率大小。所要研究的问题：所要研究的问题：假定条件假定条件: : 已经在理想情况下实现了并网，即电已经在理想情况下实现了并网，即电网属于网属于无限大电网无限大电网，发电机的端电压和频，发电机的端电压和频率与电网完全相等。率与电网完全相等。 单机运行如何确定发电机输出的有功单机运行如何确定发电机输出的有功功率和无功功率？功率和无功功率？与单机运行对比：与单机运行对比： 唯一的一台发电唯一的一台发电机！负载所需有功机！负载所需有功功率和无功功率

10、功率和无功功率, 都都由该发电机提供。由该发电机提供。0EZLX XA A发电机发电机负载负载负载阻抗的功率因数负载阻抗的功率因数 = 发电机功率因数发电机功率因数 负载所需有功、无功可以负载所需有功、无功可以由电网与发电机由电网与发电机G G共同提供，共同提供，不能认为它不能认为它一定等于发电机一定等于发电机G提供的部分。提供的部分。所以需要研究在所以需要研究在并网条件下如何并网条件下如何确定发电机的输确定发电机的输出。出。 以下先研究以下先研究无功，再研究有无功，再研究有功。功。并联运行：并联运行：ZLG无穷大电网无穷大电网0CEUjIX0EjxcX XA AUI00CCEUjIXEUjI

11、XU1fF0E0,0EU I0EjxcX XA AUIB0CjI XEUCjIX1fFUI0E.0EjxcX XA AUI00,90EU UCjIX0EI1fF0EX XA AUIMIMI00,90EU MIU原动机的拖动转矩原动机的拖动转矩 等于空载矩等于空载矩 ：0T1T0110PPTT 发电机不输出有功且忽略电枢电阻，则原发电机不输出有功且忽略电枢电阻，则原动机只供给发电机转动过程产生的有功损耗，动机只供给发电机转动过程产生的有功损耗，即冷却风扇、摩擦等机械耗以及铁耗等。即冷却风扇、摩擦等机械耗以及铁耗等。10mFePppP 3 3） 改变发电机的励磁电流只能改变发电改变发电机的励磁电流

12、只能改变发电机输出（吸收）的无功，不能使发电机输机输出（吸收）的无功，不能使发电机输出有功功率。出有功功率。1 1）增大励磁，则）增大励磁，则 ，电流落后电压，电流落后电压 相位角，发电机向电网输送感性无功。相位角，发电机向电网输送感性无功。0EU0902 2）减小励磁，则）减小励磁，则 ，电流领先电压，电流领先电压 相位角，发电机从电网吸收感性无功。相位角，发电机从电网吸收感性无功。0EU090结论：结论： 并网的发电机，能够调节的物理量有并网的发电机，能够调节的物理量有两个：励磁电流与原动机输出转矩。两个：励磁电流与原动机输出转矩。 从电枢反应一节已经知道，出现交磁从电枢反应一节已经知道，

13、出现交磁电枢反应后才能产生力矩。而电枢反应后才能产生力矩。而交磁电枢反交磁电枢反应之所以产生力矩，是因为定子内圆合成应之所以产生力矩，是因为定子内圆合成磁场轴线与转子磁势轴线之间出现了一个磁场轴线与转子磁势轴线之间出现了一个夹角，于是夹角，于是N、S极作用产生力矩。极作用产生力矩。 以下分析原动机输出力矩后定转子磁以下分析原动机输出力矩后定转子磁场相互位置变化情况。场相互位置变化情况。(1) 空载运行时转子磁势与合成磁场的相互位置空载运行时转子磁势与合成磁场的相互位置（理想并网）（理想并网）U1fF0EB1fFSEUj IXUBCjIX1fFUI0E.B1fFBEUCjIX0EI1fFE1fF

14、BaF1fFB1fFBFFaFUCjIXE0EISjIX1fFFaFUajIXE0EI 增大原动机的输出转矩后，由于增大原动机的输出转矩后，由于所以转子加速，首先出现的是转子位置所以转子加速，首先出现的是转子位置（以（以 为标志）领先气隙旋转磁密为标志）领先气隙旋转磁密 ，由于电网频率不会改变，由于电网频率不会改变， 的频率也不会的频率也不会变，所以气隙磁密变，所以气隙磁密 的旋转速度也不能的旋转速度也不能变，维持恒定的同步速度。代表转子位置变，维持恒定的同步速度。代表转子位置的空间向量的空间向量 在空载时与在空载时与 同相位，同相位， 增大瞬间，转子加速使得增大瞬间，转子加速使得 领先领先

15、一个一个角度角度 。 10TT1fFBBBE1T1fF1fFB 用一个等值集中的励磁电流用一个等值集中的励磁电流( (每对极只有每对极只有一匝一匝) )去代替实际的励磁电流。由于基波励磁磁动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势领先于气隙磁密一个 电角度，使气隙磁密电角度，使气隙磁密 产生交轴分量产生交轴分量b b q ，电流，电流 处正是交轴磁密最大处正是交轴磁密最大值值B q, ,于是于是转子受力转子受力为：为： qfffB l iB Sinl i 若转子极对数为若转子极对数为 ，则整个转子上有个，则整个转子上有个 等值励磁电流，作用在转子的总电磁转矩等值励磁电流，作

16、用在转子的总电磁转矩 为：为：2 2fTf rpB Sinl irpC Sin 2ppTTfiBFdBdFqBqFcosdBBsinqBB根据矢量运算法则，将气隙磁密波等效为根据矢量运算法则，将气隙磁密波等效为D、Q轴两个分量之和轴两个分量之和(下图表示两者相加下图表示两者相加) 原动机拖动转矩增大，导致原动机拖动转矩增大，导致 角也相应角也相应增大，因增大，因 与与 成正比，最大转矩成正比，最大转矩产生在产生在 时，即只要原动机拖动转矩时，即只要原动机拖动转矩 不超过不超过 ，发电机就不会因转矩不平衡造，发电机就不会因转矩不平衡造成与电网失去同步。成与电网失去同步。maxT090SinT1T

17、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 转矩平衡等式的每项都乘以机械角速度，就变成转矩平衡等式的每项都乘以机械角速度，就变成功率平衡式。功率平衡式。 输入功率输入功率电磁功率电磁功率输出功率输出功率1PMP2P11PT210cuPPpp0pcup1P2PMPMPT2osPmUIc1 1）. .隐极发电机：若忽略电阻隐极发电机：若忽略电阻 ，则则2MPPmUICos0cX IcosE sin02McUEPPmsinXUIcjIX0Er2（2 2） 一定时，改变一定时，改变励磁电流励磁电流 ，若，若 则则fiMP12ff

18、ii12（1 1）保持励磁电流）保持励磁电流 不 变 时 ，不 变 时 ， 值 与值 与 角按正弦曲线变化。角按正弦曲线变化。MPfi0 090900 01801800 00 090900 00 090900 01801800 0MP12fi1fi12MP第一项取决于励磁电流，称为励磁电磁功率，第一项取决于励磁电流，称为励磁电磁功率，或基本电磁功率。或基本电磁功率。第二项决定于纵横轴磁阻第二项决定于纵横轴磁阻的差，称作凸极电磁功率，也称为磁阻功率的差，称作凸极电磁功率，也称为磁阻功率(思考：凸极机不加励磁能否发电？思考：凸极机不加励磁能否发电？) 2MPPmUIcos20211()22Mdqd

19、UEmUPPmsinsinXXX 当忽略电枢电阻时，电磁功率及输出功率为当忽略电枢电阻时，电磁功率及输出功率为 ， 不难推导出（课堂练习）不难推导出（课堂练习）其中其中1801800 090900 01801800 090900 01801800 090900 00 090900 0MP211()sin22qdUmXX0sindE UmX090由于凸极机的由于凸极机的电磁功率由两电磁功率由两个正弦函数叠个正弦函数叠加而成，其最加而成，其最大电磁功率发大电磁功率发生在生在 角小于角小于 电角度的位电角度的位置。置。0McUEPmsinX 问题：发电机励磁电流问题：发电机励磁电流 = = 常数时，

20、常数时，调节发电机输出有功功率，分析输出的无调节发电机输出有功功率，分析输出的无功功率是否变化，如何变化。功功率是否变化，如何变化。 分析依据：分析依据： 功角特性功角特性 与电压方程与电压方程 fi0CEUjIX00E0EU0E固定励磁调节固定励磁调节有功的相量图有功的相量图0ECjIXIII00E0EUCjIX0E0CCEUIjXjX0CEUjIXU0EICjIXCjIXI0EI研究相量图研究相量图的特点，寻的特点，寻找规律找规律CUjX0CEjX0CEjX结论结论1 1：当励磁电流：当励磁电流 = =常数时，调节发电常数时，调节发电机输出的有功，它输出的无功也会改变，机输出的有功，它输出

21、的无功也会改变，有功减少时，输出落后性无功会增大。有功减少时，输出落后性无功会增大。fi结论结论2 2：并联在电网上的同步发电机，如果保：并联在电网上的同步发电机，如果保持持 为常数，调节发电机输出的有功功率，为常数，调节发电机输出的有功功率，电动势相量与电动势相量与电枢电流相量电枢电流相量的轨迹都是圆，的轨迹都是圆，把它们称为同步电机的圆图。把它们称为同步电机的圆图。fi 所谓稳定问题是指，包含若干个发电厂所谓稳定问题是指，包含若干个发电厂或发电机的电力系统，在正常负载调配及非或发电机的电力系统，在正常负载调配及非正常运行中，这些电机或电厂是否还能保持正常运行中，这些电机或电厂是否还能保持同

22、步运行的问题。同步运行的问题。 稳定问题又分为静态稳定和动态稳定两稳定问题又分为静态稳定和动态稳定两种。种。（电力系统分析课程还有（电力系统分析课程还有“暂态稳定暂态稳定”，且，且不同资料分类方法并不完全统一）不同资料分类方法并不完全统一）1）稳定的概念）稳定的概念(2)(2)动态稳定：发电机在突加负载、切除负动态稳定：发电机在突加负载、切除负载，或者在发生突然短路等载，或者在发生突然短路等大干扰大干扰后，如后，如仍能保持同步运行，仍能保持同步运行，则其运行是稳定的。则其运行是稳定的。(1)(1)静态稳定：发电机在某一稳定运行状态静态稳定：发电机在某一稳定运行状态, ,如果在电网或原动机方面，

23、突然发生一些如果在电网或原动机方面，突然发生一些微小干扰微小干扰，在此小干扰去掉后，发电机如，在此小干扰去掉后，发电机如能恢复能恢复到原来的稳定到原来的稳定运行运行状态，则该发电状态，则该发电机的运行是稳定的。机的运行是稳定的。90900 01801800 090900 090900 01801800 090900 01801800 090900 00 0900 01800 0T 设初始功角小于设初始功角小于9090o o, ,若原动机拖动转矩若原动机拖动转矩 不不变，当出现干扰后，假设变，当出现干扰后，假设 增大一个增大一个 ，干扰，干扰消失后，电磁转矩会增加一个消失后，电磁转矩会增加一个

24、，这促使电机，这促使电机减速，功角相应减小，自动回到原工作点。减速，功角相应减小，自动回到原工作点。11TT(1) (1) 隐极机隐极机11T0sinMcUEPmTX0900dTd 隐极发电机是静态稳定的，隐极发电机是静态稳定的， 或普遍情况或普遍情况 时是静态稳定。时是静态稳定。901800dTd 隐极发电机是静态不稳定的，隐极发电机是静态不稳定的， 或普遍情况或普遍情况 时静态不稳定。时静态不稳定。结论：结论：凸极机与隐极机相似，额定运行点一般在凸极机与隐极机相似，额定运行点一般在 电角度范围。电角度范围。0020 300 0 0 01801800 01801800 01801800 00

25、 0 0 090900 090900 090900 090900 0T20sinsin22dqddqXXUEmTUXX XmaxmaxmNNTPkTPmk隐极机隐极机 一般为一般为1.51.52 2左右。左右。0cosUEdTmdXc20coscos2dqddqXXUEdTmUdXX Xmk( (隐极机隐极机) )1mNksin 对于发电机输出无功功率问题，本章对于发电机输出无功功率问题，本章已经讨论并网后输出或吸收无功的条件，已经讨论并网后输出或吸收无功的条件，以及调节有功时无功功率的变化。本节进以及调节有功时无功功率的变化。本节进一步讨论，在输出有功不变时，如何调节一步讨论，在输出有功不变时，如何调节输出的无功的大小。输出的无功的大小。 术语解释术语解释 1 1）正常励磁：空载运行时，电枢电流）正常励磁：空载运行时，电枢电流 负载运行时，电枢电流负载运行时，电枢电流 和电压和电压 同相位，同相位，此时发电机励磁为正常励磁。此时发电机励磁为正常励磁。IU