第18章-同步发电机的并联运行

第十八章同步发电机的并联运行

教学要求：1．熟悉并联合闸的条件和方法2．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有功功率和无功功率的调节

V形曲线18-1概述

1何谓并联运行？（简图）2单机运行与并联运行的简单对比1）并联运行电能供应互相调剂，水、火、风、核电相互调剂，单机则当地孤立供电2）供电的可靠性3）供电质量，电压和频率在单机与并网条件下与负荷什么关系？单机：电压和频率通常情况下随负荷增大而降低。并网：电压和频率通常基本恒定3并网问题的重要性

1）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)也尽可能并网。

2）并网操作不当，事故举例

云南80年代大停电（线路原理图）

刘家峡电厂并网误操作设备损坏事故3)电压相序18-2并联合闸的条件和方法

4)频率一、基本要求与条件

1基本要求并联投入时避免产生大的冲击：电流和力矩。

2并联合闸条件1)电压大小与波形2)电压相位相同（通过与直流电源及变压器对比理解）r1r2E2E121直流电源并联为了防止环流对电池电动势的要求：大小相等，极性相同。以便并联合闸前于是，并联后闭合回路无环流变压器并联条件为了防止环流，除了上述两条，还要求相位相同三相相序一致。且大小相等，即要求变比相等；极性与相位同，即联结组相同；发电机并联运行示意图发电机并联运行条件为了防止环流，除了大小相等，极性与相位同，三相相序一致,还要求频率相等10001000200030001001)50Hz-45Hz电压差-200-1000100200010002000300050Hz-45Hz并联（0.2s,电压<20V,0.02s）频率差、电压差与冲击电流

二、方法

1.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。(1)暗灯法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，说明相序正确；当三组相灯同时熄灭时，表示电压差，即可并网合闸。暗灯法接线和向量图VAsBsCsAGBGCG123G3~电网当并网的四个条件都完全满足时，发电机侧的三相电压相量和电网侧的三相电压相量会如下图所示。那么三个相灯会完全熄灭，此时就可以把发电机平稳地并联到电网上。下面请同学们带着以下两个问题来学习、思考：（1）如果其中某个条件不满足，三个相灯会呈现什么灯光特点呢？（2）如何调节发电机，使其最终满足并网条件？a.只是频率不等：某时刻，发电机电压相量和电网电压相量同相位随时间推移，发电机电压相量和电网电压相量逐渐拉开相位差

结论：相灯会呈现同时灭、再同时亮起的交替变化现象，说明发电机与电网的频率不同。需调节原动机转速从而改变发电机频率。(实验室相灯为什么三相6个串联？)发电机电压相量和电网电压相量反相位时刻-200-1000100200025005000750010000讨论不同频率的影响

50Hz-45Hz并联（0.6s,电压<20V,0.02s）2）50Hz-49Hz并联

（4s,振荡4次，电压<20V,持续0.07s）50Hz-49Hz并联（0.2s区间放大，

电压<20V,持续0.07s）0500.07s3）50Hz-49.75Hz并联

（0.4s区间,电压<20V,0.2s）-50-25025500.2s4）50Hz-49.9Hz并联

（1s区间,电压<20V,0.7s）020V0.7sb.只是电压不等（发电机频率已调整到很接近电网频率）：结论：三个相灯没有绝对熄灭的状态，而是在最亮和最暗范围内缓慢交替变化。需调节励磁电流从而改变发电机的端电压。c.只是相序不等（发电机频率已调整到很接近于电网频率）：1号相灯灭，2、3号相灯亮2号相灯灭，3、1号相灯亮结论：三个相灯依次呈明暗交替变化状态，即灯光旋转状态。说明发电机与电网的相序不同。需对调发电机出线的任意两根接线。3号相灯灭，1、2号相灯亮d.相角不等（发电机频率已调整到很接近于电网频率）：三个相灯不同时熄灭，不能合闸并网。结论：等待三个相灯都完全熄灭的一刻，说明发电机电压和电网电压同相位，就可以合上并网开关，完成发电机的整个并网操作。

当满足条件时，一个相灯熄灭，另两个相灯亮度一样。当频率不满足时，三个相灯依次熄灭，给人以灯光旋转的感觉(自学：如何判断哪个条件不满足？)(2)灯光旋转法系统AABBCC发电机K123´´´自整步接线示意图（2）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）。（3）自同步法（1）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(左图)，定转子未接电源。18-3同步电机并网运行的理论基础并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,如何调节所输出的功率大小。所要研究的问题：假定条件:已经在理想情况下实现了并网，即电网属于无限大电网，发电机的端电压和频率与电网完全相等。单机运行如何确定发电机输出的有功功率和无功功率？与单机运行对比：唯一的一台发电机！负载所需有功功率和无功功率,都由该发电机提供。ZLXA发电机负载负载阻抗的功率因数

=发电机功率因数负载所需有功、无功可以由电网与发电机G共同提供，不能认为它一定等于发电机G提供的部分。所以需要研究在并网条件下如何确定发电机的输出。以下先研究无功，再研究有功。并联运行：ZLG无穷大电网1空载运行分析jxcXA分析对象：改变励磁电流时输出无功的性质与大小分析依据：根据忽略电枢电阻的等效电路及相应的电压方程进行分析本节所谓空载，是指只输出无功不输出有功的状态。１）理想并网后时空相矢量图与电枢电流jxcXA２）增大发电机的励磁电流后的运行0E.jxcXA增大发电机的励磁电流

后发电机输出滞后的无功功率（感性无功）３）减小发电机的励磁电流后的运行XA减小发电机励磁电流,则于是发电机输出超前无功，即吸收滞后的无功,(请分析图中与

决定的无功的传输方向）

原动机的拖动转矩等于空载矩：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，即冷却风扇、摩擦等机械耗以及铁耗等。4）空载有功功率与力矩

3）改变发电机的励磁电流只能改变发电机输出（吸收）的无功，不能使发电机输出有功功率。1）增大励磁，则，电流落后电压相位角，发电机向电网输送感性无功。2）减小励磁，则，电流领先电压相位角，发电机从电网吸收感性无功。结论：2.负载运行

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。从电枢反应一节已经知道，出现交磁电枢反应后才能产生力矩。而交磁电枢反应之所以产生力矩，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夹角，于是N、S极作用产生力矩。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。1）转子磁势与合成磁场相互位置

与输出功率的关系(1)空载运行时转子磁势与合成磁场的相互位置（理想并网）（1）空载运行转子磁势与合成磁场相互位置（续1：输出滞后无功时）0E.（1）空载运行转子磁势与合成磁场相互位置（续2：输出超前无功时）（2）从原动机输入机械力矩后

转子磁势与合成磁场相互位置负载运行时空相-矢量图

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（以为标志）领先气隙旋转磁密，由于电网频率不会改变，的频率也不会变，所以气隙磁密的旋转速度也不能变，维持恒定的同步速度。代表转子位置的空间向量在空载时与同相位，增大瞬间，转子加速使得领先一个角度。

2）同步发电机的电磁转矩

用一个等值集中的励磁电流(每对极只有一匝)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电角度，使气隙磁密产生交轴分量bdq

，电流处正是交轴磁密最大值Bdq,于是转子受力为：

若转子极对数为，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(下图表示两者相加)

原动机拖动转矩增大，导致角也相应增大，因与成正比，最大转矩产生在时，即只要原动机拖动转矩不超过，发电机就不会因转矩不平衡造成与电网失去同步。3.

转矩平衡和功率平衡

电磁转矩的出现，同步发电机转矩平衡式变为：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。—输入功率—电磁功率—输出功率18-4有功功率的调节和静态稳定

1）.隐极发电机：若忽略电阻，则1功角特性研究有功功率与两个电端口一个机械端口机电量的关系（2）一定时，改变励磁电流，若则（1）保持励磁电流不变时，值与角按正弦曲线变化。090018000900090018001功角特性：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。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(思考：凸极机不加励磁能否发电？)

当忽略电枢电阻时，电磁功率及输出功率为

2）.凸极式发电机，不难推导出（课堂练习）其中1800900180090018009000900由于凸极机的电磁功率由两个正弦函数叠加而成，其最大电磁功率发生在角小于电角度的位置。2调节有功时发电机输出无功的变化

问题：发电机励磁电流=常数时，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。分析依据：功角特性与电压方程2调有功时发电机输出无功的变化(续1)

分析：在E0与U均不变的前提下，如何调节有功？根据功角特性，只能调节它们的夹角。该夹角叫什么角？功角，功率角固定励磁调节有功的相量图2调有功时发电机输出无功的变化(续2)

2调有功时发电机

输出无功的变化(续3)

研究相量图的特点，寻找规律结论1：当励磁电流=常数时，调节发电机输出的有功，它输出的无功也会改变，有功减少时，输出落后性无功会增大。结论2：并联在电网上的同步发电机，如果保持为常数，调节发电机输出的有功功率，电动势相量与电枢电流相量的轨迹都是圆，把它们称为同步电机的圆图。3同步发电机与电网并联运行时的静态稳定

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正常运行中，这些电机或电厂是否还能保持同步运行的问题。稳定问题又分为静态稳定和动态稳定两种。（电力系统分析课程还有“暂态稳定”，且不同资料分类方法并不完全统一）1）稳定的概念(2)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大干扰后，如仍能保持同步运行，则其运行是稳定的。(1)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，突然发生一些微小干扰，在此小干扰去掉后，发电机如能恢复到原来的稳定运行状态，则该发电机的运行是稳定的。90018009009001800900180090009001800T2）静态稳定分析

设初始功角小于90o,若原动机拖动转矩不变，当出现干扰后，假设增大一个，干扰消失后，电磁转矩会增加一个，这促使电机减速，功角相应减小，自动回到原工作点。(1)隐极机

隐极发电机是静态稳定的，或普遍情况时是静态稳定。

隐极发电机是静态不稳定的，或普遍情况时静态不稳定。结论：凸极机与隐极机相似，额定运行点一般在电角度范围。（2）凸极机0018001800180000900900900900隐极机一般为1.5～2左右。（3）整步转矩系数（4）过载能力(隐极机)18-5无功功率的调节和形曲线

对于发电机输出无功功率问题，本章已经讨论并网