第十一章同步发电机的并联运行

第十一章同步发电机的并联运行 • 一、并联运行的必要性(1) • 电能的供应可以相互调剂，合理使用，从而更合理地利用动力资源和发电设备。 • 增加供电的可靠性。一台发电机的故障，不致于造成停电事故，同时，也减少了备用容量。 • 供电的质量增加了。由于系统容量很大，一台电动机的起动、加载、停机，对系统来说，几乎就没有影响，因此，电网的电压和频率能保持在要求的恒定范围内。 §11-1 概述

一、并联运行的必要性(2) • 系统愈大，负载就愈趋均匀，不同性质的负载，相互起补偿作用。就以地区来说，地区大，时差也大，使用照明的时间也就错开了，负载均匀，发电机就能经常满载运行，提高了设备的利用率，若电力系统处在尖峰负荷(短时用电量较大)，可以用增开担负尖峰负载的发电机来解决，不使电网中发电机的负载均衡性遭到破坏。 • 联成大电力系统后，有可能使发电厂的布局更加合理。在产煤区，多布置一些火力发电厂，在水力资源丰富的地方，多布置一些水力发电厂，然后，利用高压输电线对工业中心区域供电。 §11-1 概述

二、无限大电网 无限大电网：现代的电力系统容量很大，系统的电压和频率可以看作是不变的，即U=常数，f＝常数，这样的电网称为无限大电网，所以无限大电网实际上是相当于一个内阻抗等于零的恒频、恒压电源。由于并网后的发电机运行情况要受到电力系统的制约，也就是它的电压、频率要和电网一致而不能单独变化。因此，对发电机的运行分析将与单机运行有所不同。实际上，系统的容量是有限的．无限大电网只是一个相对的概念．负载增加时，就必须增加发电量，否则，电压和频率就会下降，只是大容量系统中，电压和频率的变动很小而已。 §11-1 概述

三、研究并联运行时所用的规定正方向

一、并联投入条件 为了避免并联合闸时引起电流、功率以及由此引起的发电机内部的机械应力的冲击，将要投入电网的发电机应满足下列条件： 1. 发电机的电压幅值等于电网电压幅值，而且波形一致。 2.投入时，发电机的电压相位与电网电压相位一致，即 3.发电机的频率等于电网的频率，即 4.发电机的相序必须与电网相序一致。 §11-2 同步发电机并联投入的条件和方法

二、不满足并联投入条件的后果(1) • １、频率相等，相序一致，但发电机电压和电网电压不相等。 §11-2 同步发电机并联投入的条件和方法

二、不满足并联投入条件的后果(2) • ２、电压相等，相序一致，但发电机频率和电网频率不相等。 §11-2 同步发电机并联投入的条件和方法

二、不满足并联投入条件的后果(3) • ３、电压相等，频率相等，但发电机相位和电网相位不相等。相序不同是绝对不允许投入的。因为即使某相满足了前面三个条件，但其它两相由于相序不同而使电压相位相差120度，它将引起很大的冲击环流，危害电机的安全运行。由于汽轮机和水轮机有一定的转向，而且发电机出线都用颜色黄、绿、红标明，在装置开关时，首先就要布置好相序，所以在发电厂一般不会出现相序错误。 §11-2 同步发电机并联投入的条件和方法

三、并联投入方法(1) 整步过程：把发电机投入到电网所进行的操作过程称为整步过程（或称并车)，整步方法：准整步和自整步。准整步：把发电机调整到完全合乎并联投入，然后投入电网，这种方法叫准整步。自整步；首先校验发电机的相序，并按照规定的转向(和定子旋转磁场的转向一致)把发电机拖动到接近同步速旋转，把励磁绕组通过一限流电阻短路(不加励磁)，然后把发电机投入电网，并立即加上励磁，依靠定、转子间形成的电磁力矩，把转子自动地拉入同步。 §11-2 同步发电机并联投入的条件和方法

三、并联投入方法(2) 讨论：1）进行自整步操作时要注意，发电机投入电网时，励磁绕组不应开路，否则励磁绕组中将感生危险高压；励磁绕组也不直接短路，否则合闸时定子电流会有很大冲击。通常的做法是把灭磁电阻接入闭合的励磁回路作为限流电阻。 2）自整步法主要缺点是投网时冲击电流稍大。 §11-2 同步发电机并联投入的条件和方法

三、并联投入方法(3) 准整步法并车方法：为判断发电机是否满足并联投入条件，常常采用同步指示器，最简单的同步指示器由三组同步指示灯组成。同步指示器有两种接法，一种是暗灯法，另一种叫旋转灯光法。 §11-2 同步发电机并联投入的条件和方法

三、并联投入方法(4) 采用准整步法并车的判断方法： 1. 暗灯法在并联刀闸的对应端接上三组灯泡，如图11－4所示，每一组灯泡称为相灯，由于相灯两端电压最大可达两倍相电压，因此，对于相电压为220伏的发电机，应用两个220伏的灯泡串联作为一组相灯，如果发电机和电网电压较高，必须用电压互感器降压后再接相灯，而且发电机和电网的电压互感器必须有相同的联结组别。 §11-2 同步发电机并联投入的条件和方法

并联投入方法(5) 1. 暗灯法 §11-2 同步发电机并联投入的条件和方法

三、并联投入方法(6) 1. 暗灯法发电机的相序和电网的相同，电压也相同，但，则发电机和电网这两组电压相量之间就有相对运动。故三组相灯上的电压同时发生变化，于是三组灯将同时亮，同时灭，亮灭的快慢决定于　　　　，调节发电机的转速，直到三组灯亮、灭变化很慢时，就表示　，当三组灯同时熄灭， AS、 AG间电压表读数为零时，就表示发电机巳经满足了并联投入条件，此时就可合闸。

2. 灯光旋转法 在暗灯法中，如果相序接错，相灯的灯光就会旋转起来。如果把两组相灯接在不同的相之间，使它们在正确的相序下。出现旋转的灯光，这种并联合闸的方法，叫做灯光旋转法。

一、功率平衡方程式(1) 发电机对称稳态运行时，原动机投入到发电机的机械功率为P1，扣除发电机的机械损耗pm，铁耗pfe和附加损耗pad后，通过电磁感应和定、转子磁场的相互作用，机械能就转换为电能，这部分转换的功率称为电磁功率PM，用方程式表示为 §11-3 同步发电机的功率和转矩平衡方程式

一、功率平衡方程式(2) §11-3 同步发电机的功率和转矩平衡方程式说明：转子(励磁)铜耗没有列入上列功率方程式

二、转矩方程式(1) §11-3 同步发电机的功率和转矩平衡方程式 T1为原动机驱动转矩 T0为发电机空载转矩 TM为发电机的电磁转矩

功率角：指励磁电动势和电网电压 这两个向量之间的夹角功角特性：指同步电机接在电网上对称稳态运行时，电机的电磁功率与功率角之间的关系。功角特性是同步电机并网运行的基本特性之一。通过功角特性，就可以确定稳态运行时发电机所能发出的最大电磁功率，还可以用它来分析静态稳定等问题。 §11-4 同步电机的功角特性

一、隐极式同步发电机的功角特性(1) 推导：

功角特性证明(２)

一、隐极式同步发电机的功角特性(2) （1）保持励磁电流不变时，电磁功率与功角按正弦曲线变化，正半波代表发电机工况。（2）电磁功率一定时，改变励磁电流，若　，则θ1＜θ2 §11-4 同步电机的功角特性

一、隐极式同步发电机的功角特性(3) 1）若功角特性两边同除以同步机械角速度讨论： §11-4 同步电机的功角特性 2）不同的励磁电流产生不同的励磁电动势E0，因此可以得到不同的功角特性 3）若用标么值表示

二、凸极式同步发电机的功角特性(1)

二、凸极式同步发电机的功角特性(2) 基本电磁功率 §11-4 同步电机的功角特性附加电磁功率 θ<90’时，电磁功率就达到最大值。

二、凸极式同步发电机的功角特性(3) 1）将凸极同步电动机的功角特性两边同除以同步机械角速度讨论： §11-4 同步电机的功角特性为基本电磁转矩。为附加电磁转矩或凸极电磁转矩。

二、凸极式同步发电机的功角特性(4) 2）若要求取无功功率Q＝mUIsinφ的功角特性，可用类似方法推导出：当E0、U和xd为常数时，无功功率也是功率角θ的函数

二、凸极式同步发电机的功角特性(4) 3）对于隐极电机

三、功率角θ的物理意义 1）对发电机而言，θ角是励磁电动势超前于端电压的时间角 2）θ以空间意义，θ是主磁场与电枢等效合成磁场之间的空间角。功率角可看作转子磁极轴线与电枢等效合成磁极轴线之间的空间角

总之：功率角θ实际上反映了定子合成磁场扭斜的角度，它愈大，产生的电磁功率和电磁转矩也愈大。而形成θ角的原因是由于有交轴电枢反应磁动势Faq（或Iq），所以，交轴电枢反应磁动势是产生电磁转矩、进行机电能量转换的必要条件。总之：功率角θ实际上反映了定子合成磁场扭斜的角度，它愈大，产生的电磁功率和电磁转矩也愈大。而形成θ角的原因是由于有交轴电枢反应磁动势Faq（或Iq），所以，交轴电枢反应磁动势是产生电磁转矩、进行机电能量转换的必要条件。

分析前提 以隐极电机为例，饱和影响和电枢电阻略去不计，由于把电网看作无限大电网．所以U＝常值，且f=常值。 • 有功功率的调节电网并联运行的同步发电机，当增加原动机的拖动转矩时，电机的电磁制动转矩随之增大，电机的电磁功率和输出有功功率增大。 §11-5 同步发电机与无限大电网并联运行时有功功率的调节和静态稳定

一、有功功率的调节(1) 原动机输入的功率恰好补偿各种损耗增加来自原动机输入功率仅输出输出无功电流转子回到同步速，发电机就在θ角下稳定运行

一、有功功率的调节(2) 总结： 1）对于一台并联在无限大电网上的同步发电机，要想增加发电机的输出功率，就必须增加来自原动机的输入功率，而随着输出功率的增大，当励磁不作调节时，电机的功率角就必须增大。在调节有功过程中，转子的瞬时速度虽然稍有变化，但最后发电机的转速仍将保持为同步速不变。 2）不能无限制地增加来自原动机的输入功率以增大发电机的电磁功率，对于隐极发电机，当功率角θ达到时，电磁功率将达到最大值，它称为同步发电机的功率极限，如果再增加来自原动机的输入功率．则无法建立新的平衡，电机转速将连续上升而失步。

二、静态稳定(1) 静态稳定的概念：在电网或原动机方面偶然发生一些徽小的扰动时，当扰动的原因消失以后，发电机能否回到原先的状态继续运行，这个问题称为同步发电机的静态稳定同题。如果能回到原先的状态，发电机就是“静态稳定”的，反之，就是不稳定的。

二、静态稳定(2) 静态稳定分析：1 电机在A点运行 2 电机在B点运行

二、静态稳定(3) 静态稳定条件：以θ角表示对于隐极同步发电机，发电机是静态稳定的发电机是静态不稳定的静态稳定极限凸极同步发电机发电机是静态稳定的发电机是不稳定的它的静态稳定极限小于

二、静态稳定(4) 静态稳定条件：以微分形式表示则同步发电机是静态稳定的则同步发电机是静态不稳定的为静态稳定极限，此时发电机保持静态稳定的能力为零

二、静态稳定(5) 同步转矩系数： dTM/dθ愈大，保持静态稳定的能力（或称保持同步的能力）愈强，也就是说，稳定性愈高。一般把dTM/dθ称为同步电机的同步转矩系数。对隐极电机对凸极电机

二、静态稳定(6) 同步转矩系数：

二、静态稳定(7) 总结： 1）隐极汽轮发电机的额定运行点一般设计在范围内，以保证一定大小的同步转矩系数，即电机具备一定的稳定能力 2）凸极发电机的静态稳定极限处于的功率角上，且由于凸极转矩的关系，θ角在靠近附近，同步转矩系数还更大一些，一般设计的凸极同步发电机，额定运行点在的范围内。

二、静态稳定(8) 过载能力：最大电磁转矩（或最大电磁功率）与额定电磁转矩（或额定电磁功率）之比，称为过载能力，用km表示，对于隐极电机隐极电机的过载能力km＝1.5～2左右。说明： 1）过载能力是表示静态稳定的程度，而不是发电机可以过载的倍数。实际上，电机在额定运行时，不论过载能力多少，从发热观点看，电机各部分巳达到额定温升了。如果过载运行，时间一长，电机有可能烧坏。 2）提高静态稳定的程度，即提高过载能力，必然要提高最大电磁功率，为了提高PMmax，必须减小同步电抗xd，但是减少xd，电机成本增加，所以不能过份地要求较高的过载能力。

三、动态稳定简介(1) 动态稳定：同坐发电机的动态稳定问题是电机遭受大的扰动后，还能否保持同步运行问题如，例如，电网电压由于突然降低太多，功率角增加，就会使电机失去同步。图11－19所示便是这种情况。

三、动态稳定简介（2） 1）以上介绍了动态稳定的初步概念，实际上，当同步发电机发生动态稳定时，电网和发电机都是处于过渡过程之中，这时利用稳态分析得到的功角特性根本就不能使用了。取代上述曲线的是一条动态功角特性，其中，发电机的电动势、电抗都是瞬态值，这里就不再详细介绍了。 2）以上谈到的情况是在励磁没有调节的条件下发生的。如果，当发电机发生短路，转子开始发生振荡时。励磁电流立刻自动增加的话，励磁电动势就会增加，功角特性也会上移，提高了发电机的动态稳定度。现代的快速励磁调节器对提高发电机的动态稳定度，起着很重要的作用。

例题一台的凸极同步发电机，接在的电网上额定运行，运行于　　　　（滞后）下，略去定子电阻，　　　　　　　　试求： • (1) • (2) 　　与 • (3) 过载能力

一、调节无功功率的必要性 接到电网上的负载，除了少数电热设备外，绝大多数都是电感性质的负载。所以，一个电力系统，除了要给负载有功功率外，还要给负载大量的感性无功功率。据大致估计，一个现代化的电力系统，异步电机需要的无功功率占了电网给的总无功功率的70％，变压器占了20％，其它设备占10％。电网给的总无功功率，应该由电网里的全部发电机共同负担。但是，每台发电机究竟负担多少，怎样调节一台发电机的无功功率呢？这是本节要研究的问题。 §11-6 无功功率的调节和V形曲线 • 二、分析前提认为电网容量足够大，即认为电网电压不会改变，频率也不会改变，为一个无限大电网。

三、发电机空载情况下无功功率的调节 1 正常励磁：如果发电机是在理想条件下并联合闸到电网上去，合闸后，电枢电流为零，如图11－20（a）所示，这时的励磁电流称为空载正常励磁，此时，发电机既不发有功功率，也不发无功功率。 2 过励磁： 3 欠励磁： §11-6 无功功率的调节和V形曲线

四、发电机负载情况下无功功率的调节 保持输出有功功率不变，这时发电机电枢电流和励磁电流的关系也可以用电动势相量图来进行分析。当调节励磁电流，使E0发生变化时，发电机的定子电流和功率因数也随之发生变化。由于有功电流Icosφ＝常数，定子电流相量末端的变化轨迹是一条与电压相量垂直的水平AB，由E0sinθ＝常数，相量末端变化的轨迹为一条与电压相量相平行的直线CD。

§11-6 无功功率的调节和V形曲线

第十一章 同步发电机的并联运行