3.同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行課件

第3章同步發(fā)電機的并聯(lián)運行3.1概述一、并聯(lián)運行的必要性(1)電能的供應(yīng)可以相互調(diào)劑，合理使用，從而更合理地利用動力資源和發(fā)電設(shè)備。增加供電的可靠性。一臺發(fā)電機的故障，不致于造成停電事故，同時，也減少了備用容量。供電的質(zhì)量增加了。由于系統(tǒng)容量很大，一臺電動機的起動、加載、停機，對系統(tǒng)來說，幾乎就沒有影響，因此，電網(wǎng)的電壓和頻率能保持在要求的恒定范圍內(nèi)。

3.同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行一、并聯(lián)運行的必要性(2)系統(tǒng)愈大，負載就愈趨均勻，不同性質(zhì)的負載，相互起補償作用。就以地區(qū)來說，地區(qū)大，時差也大，使用照明的時間也就錯開了，負載均勻，發(fā)電機就能經(jīng)常滿載運行，提高了設(shè)備的利用率，若電力系統(tǒng)處在尖峰負荷(短時用電量較大)，可以用增開擔負尖峰負載的發(fā)電機來解決，不使電網(wǎng)中發(fā)電機的負載均衡性遭到破壞。聯(lián)成大電力系統(tǒng)后，有可能使發(fā)電廠的布局更加合理。在產(chǎn)煤區(qū)，多布置一些火力發(fā)電廠，在水力資源豐富的地方，多布置一些水力發(fā)電廠，然后，利用高壓輸電線對工業(yè)中心區(qū)域供電。

3.1概述3.同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行§3-1概述二、無限大電網(wǎng)無限大電網(wǎng)：現(xiàn)代的電力系統(tǒng)容量很大，系統(tǒng)的電壓和頻率可以看作是不變的，即U=常數(shù)，f＝常數(shù)，

這樣的電網(wǎng)稱為無限大電網(wǎng)，所以無限大電網(wǎng)實際上是相當于一個內(nèi)阻抗等于零的恒頻、恒壓電源。由于并網(wǎng)后的發(fā)電機運行情況要受到電力系統(tǒng)的制約，也就是它的電壓、頻率要和電網(wǎng)一致而不能單獨變化。因此，對發(fā)電機的運行分析將與單機運行有所不同。實際上，系統(tǒng)的容量是有限的．無限大電網(wǎng)只是一個相對的概念．負載增加時，就必須增加發(fā)電量，否則，電壓和頻率就會下降，只是大容量系統(tǒng)中，電壓和頻率的變動很小而已。3.同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行3.2同步發(fā)電機并聯(lián)投入的條件和方法一、并聯(lián)投入條件

為了避免并聯(lián)合閘時引起電流、功率以及由此引起的發(fā)電機內(nèi)部的機械應(yīng)力的沖擊，將要投入電網(wǎng)的發(fā)電機應(yīng)滿足下列條件：

1.發(fā)電機的電壓幅值等于電網(wǎng)電壓幅值，而且波形一致。2.投入時，發(fā)電機的電壓相位與電網(wǎng)電壓相位一致。3.發(fā)電機的頻率等于電網(wǎng)的頻率。4.發(fā)電機的相序必須與電網(wǎng)相序一致。

3.同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行二、不滿足并聯(lián)投入條件的后果(1)１、頻率相等，相序一致，但發(fā)電機電壓和電網(wǎng)電壓不相等。3.2同步發(fā)電機并聯(lián)投入的條件和方法3.同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行二、不滿足并聯(lián)投入條件的后果(2)２、電壓相等，相序一致，但發(fā)電機頻率和電網(wǎng)頻率不相等。3.2同步發(fā)電機并聯(lián)投入的條件和方法3.同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行二、不滿足并聯(lián)投入條件的后果(3)３、電壓相等，頻率相等，但發(fā)電機相位和電網(wǎng)相位不相等。相序不同是絕對不允許投入的。因為即使某相滿足了前面三個條件，但其它兩相由于相序不同而使電壓相位相差120度，它將引起很大的沖擊環(huán)流，危害電機的安全運行。由于汽輪機和水輪機有一定的轉(zhuǎn)向，而且發(fā)電機出線都用顏色黃、綠、紅標明，在裝置開關(guān)時，首先就要布置好相序，所以在發(fā)電廠一般不會出現(xiàn)相序錯誤。

3.2同步發(fā)電機并聯(lián)投入的條件和方法3.同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行三、并聯(lián)投入方法(1)整步過程：把發(fā)電機投入到電網(wǎng)所進行的操作過程稱為整步過程（或稱并車)，整步方法：準整步和自整步。

準整步：把發(fā)電機調(diào)整到完全合乎并聯(lián)投入，然后投入電網(wǎng)，這種方法叫準整步。自整步；首先校驗發(fā)電機的相序，并按照規(guī)定的轉(zhuǎn)向(和定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向一致)把發(fā)電機拖動到接近同步速旋轉(zhuǎn)，把勵磁繞組通過一限流電阻短路(不加勵磁)，然后把發(fā)電機投入電網(wǎng)，并立即加上勵磁，依靠定、轉(zhuǎn)子間形成的電磁力矩，把轉(zhuǎn)子自動地拉入同步。

3.2同步發(fā)電機并聯(lián)投入的條件和方法3.同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行三、并聯(lián)投入方法(2)討論：1）進行自整步操作時要注意，發(fā)電機投入電網(wǎng)時，勵磁繞組不應(yīng)開路，否則勵磁繞組中將感生危險高壓；勵磁繞組也不直接短路，否則合閘時定子電流會有很大沖擊。通常的做法是把滅磁電阻接入閉合的勵磁回路作為限流電阻。

2）自整步法主要缺點是投網(wǎng)時沖擊電流稍大。

3.2同步發(fā)電機并聯(lián)投入的條件和方法3.同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行三、并聯(lián)投入方法(3)準整步法并車方法：

為判斷發(fā)電機是否滿足并聯(lián)投入條件，常常采用同步指示器，最簡單的同步指示器由三組同步指示燈組成。同步指示器有兩種接法，一種是暗燈法，另一種叫旋轉(zhuǎn)燈光法。3.2同步發(fā)電機并聯(lián)投入的條件和方法3.同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行§3.2同步發(fā)電機并聯(lián)投入的條件和方法三、并聯(lián)投入方法(4)采用準整步法并車的判斷方法：

1.暗燈法

在并聯(lián)刀閘的對應(yīng)端接上三組燈泡，如圖3-4所示，每一組燈泡稱為相燈，由于相燈兩端電壓最大可達兩倍相電壓，因此，對于相電壓為220伏的發(fā)電機，應(yīng)用兩個220伏的燈泡串聯(lián)作為一組相燈，如果發(fā)電機和電網(wǎng)電壓較高，必須用電壓互感器降壓后再接相燈，而且發(fā)電機和電網(wǎng)的電壓互感器必須有相同的聯(lián)結(jié)組別。

3.同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行并聯(lián)投入方法(5)1.暗燈法

3.2同步發(fā)電機并聯(lián)投入的條件和方法3.同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行三、并聯(lián)投入方法(6)1.暗燈法

發(fā)電機的相序和電網(wǎng)的相同，電壓也相同，但，則發(fā)電機和電網(wǎng)這兩組電壓相量之間就有相對運動。故三組相燈上的電壓同時發(fā)生變化，于是三組燈將同時亮，同時滅，亮滅的快慢決定于，調(diào)節(jié)發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，直到三組燈亮、滅變化很慢時，就表示，當三組燈同時熄滅，AS、AG間電壓表讀數(shù)為零時，就表示發(fā)電機巳經(jīng)滿足了并聯(lián)投入條件，此時就可合閘。

3.同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行2.燈光旋轉(zhuǎn)法

在暗燈法中，如果相序接錯，相燈的燈光就會旋轉(zhuǎn)起來。如果把兩組相燈接在不同的相之間，使它們在正確的相序下。出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)的燈光，這種并聯(lián)合閘的方法，叫做燈光旋轉(zhuǎn)法。

3.同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行3.同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行§3.3同步發(fā)電機的功率和轉(zhuǎn)矩平衡方程式一、功率平衡方程式(1)發(fā)電機對稱穩(wěn)態(tài)運行時，原動機投入到發(fā)電機的機械功率為P1

，扣除發(fā)電機的機械損耗pm，鐵耗pfe

和附加損耗pad后，通過電磁感應(yīng)和定、轉(zhuǎn)子磁場的相互作用，機械能就轉(zhuǎn)換為電能，這部分轉(zhuǎn)換的功率稱為電磁功率PM，用方程式表示為

3.同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行§3.3同步發(fā)電機的功率和轉(zhuǎn)矩平衡方程式一、功率平衡方程式(2)說明：轉(zhuǎn)子(勵磁)銅耗沒有列入上列功率方程式3.同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行§3.3同步發(fā)電機的功率和轉(zhuǎn)矩平衡方程式二、轉(zhuǎn)矩方程式(1)T1為原動機驅(qū)動轉(zhuǎn)矩T0為發(fā)電機空載轉(zhuǎn)矩TM為發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩3.同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行§3.4同步電機的功角特性功率角：指勵磁電動勢和電網(wǎng)電壓這兩個向量之間的夾角

功角特性：指同步電機接在電網(wǎng)上對稱穩(wěn)態(tài)運行時，電機的電磁功率與功率角之間的關(guān)系。功角特性是同步電機并網(wǎng)運行的基本特性之一。通過功角特性，就可以確定穩(wěn)態(tài)運行時發(fā)電機所能發(fā)出的最大電磁功率，還可以用它來分析靜態(tài)穩(wěn)定等問題。3.同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行一、隱極式同步發(fā)電機的功角特性(1)推導(dǎo)：3.同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行功角特性證明(２)3.同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行§3.4同步電機的功角特性一、隱極式同步發(fā)電機的功角特性(2)（1）保持勵磁電流不變時，電磁功率與功角按正弦曲線變化，正半波代表發(fā)電機工況。（2）電磁功率一定時，改變勵磁電流，若，則θ1＜θ23.同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行§3.4

同步電機的功角特性一、隱極式同步發(fā)電機的功角特性(3)討論：1）若功角特性兩邊同除以同步機械角速度2）不同的勵磁電流產(chǎn)生不同的勵磁電動勢E0，因此可以得到不同的功角特性3）若用標么值表示3.同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行二、凸極式同步發(fā)電機的功角特性(1)3.同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行§3.4同步電機的功角特性二、凸極式同步發(fā)電機的功角特性(2)基本電磁功率附加電磁功率θ<90’時，電磁功率就達到最大值。3.同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行§3.4同步電機的功角特性二、凸極式同步發(fā)電機的功角特性(3)討論：1）將凸極同步電動機的功角特性兩邊同除以同步機械角速度為基本電磁轉(zhuǎn)矩。為附加電磁轉(zhuǎn)矩或凸極電磁轉(zhuǎn)矩。3.同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行二、凸極式同步發(fā)電機的功角特性(4)2）若要求取無功功率Q＝mUIsinφ的功角特性，可用類似方法推導(dǎo)出：當E0、U和xd為常數(shù)時，無功功率也是功率角θ的函數(shù)3.同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行二、凸極式同步發(fā)電機的功角特性(4)3）對于隱極電機3.同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行三、功率角θ的物理意義1）對發(fā)電機而言，θ

角是勵磁電動勢超前于端電壓的時間角2）θ以空間意義，θ是主磁場與電樞等效合成磁場之間的空間角。功率角可看作轉(zhuǎn)子磁極軸線與電樞等效合成磁極軸線之間的空間角3.同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行總之：功率角θ實際上反映了定子合成磁場扭斜的角度，它愈大，產(chǎn)生的電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩也愈大。而形成θ角的原因是由于有交軸電樞反應(yīng)磁動勢

Faq（或

Iq），所以，交軸電樞反應(yīng)磁動勢是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩、進行機電能量轉(zhuǎn)換的必要條件。

3.同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行§3.5同步發(fā)電機與無限大電網(wǎng)并聯(lián)運行時

有功功率的調(diào)節(jié)和靜態(tài)穩(wěn)定分析前提

以隱極電機為例，飽和影響和電樞電阻略去不計，由于把電網(wǎng)看作無限大電網(wǎng)．所以U＝常值，且f=常值。

有功功率的調(diào)節(jié)

電網(wǎng)并聯(lián)運行的同步發(fā)電機，當增加原動機的拖動轉(zhuǎn)矩時，電機的電磁制動轉(zhuǎn)矩隨之增大，電機的電磁功率和輸出有功功率增大。3.同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行一、有功功率的調(diào)節(jié)(1)僅輸出輸出無功電流增加來自原動機輸入功率轉(zhuǎn)子回到同步速，發(fā)電機就在θ角下穩(wěn)定運行原動機輸入的功率恰好補償各種損耗3.同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行一、有功功率的調(diào)節(jié)(2)總結(jié)：1）對于一臺并聯(lián)在無限大電網(wǎng)上的同步發(fā)電機，要想增加發(fā)電機的輸出功率，就必須增加來自原動機的輸入功率，而隨著輸出功率的增大，當勵磁不作調(diào)節(jié)時，電機的功率角就必須增大。在調(diào)節(jié)有功過程中，轉(zhuǎn)子的瞬時速度雖然稍有變化，但最后發(fā)電機的轉(zhuǎn)速仍將保持為同步速不變。

2）不能無限制地增加來自原動機的輸入功率以增大發(fā)電機的電磁功率，對于隱極發(fā)電機，當功率角θ達到

時，電磁功率將達到最大值，它稱為同步發(fā)電機的功率極限，如果再增加來自原動機的輸入功率．則無法建立新的平衡，電機轉(zhuǎn)速將連續(xù)上升而失步。3.同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行二、靜態(tài)穩(wěn)定(1)靜態(tài)穩(wěn)定的概念：

在電網(wǎng)或原動機方面偶然發(fā)生一些徽小的擾動時，當擾動的原因消失以后，發(fā)電機能否回到原先的狀態(tài)繼續(xù)運行，這個問題稱為同步發(fā)電機的靜態(tài)穩(wěn)定同題。如果能回到原先的狀態(tài)，發(fā)電機就是“靜態(tài)穩(wěn)定”的，反之，就是不穩(wěn)定的。

3.同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行二、靜態(tài)穩(wěn)定(2)靜態(tài)穩(wěn)定分析：1電機在A點運行2電機在B點運行3.同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行二、靜態(tài)穩(wěn)定(3)靜態(tài)穩(wěn)定條件：以θ角表示對于隱極同步發(fā)電機，

發(fā)電機是靜態(tài)穩(wěn)定的

發(fā)電機是靜態(tài)不穩(wěn)定的

靜態(tài)穩(wěn)定極限凸極同步發(fā)電機發(fā)電機是靜態(tài)穩(wěn)定的發(fā)電機是不穩(wěn)定的它的靜態(tài)穩(wěn)定極限小于

3.同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行二、靜態(tài)穩(wěn)定(4)靜態(tài)穩(wěn)定條件：以微分形式表示則同步發(fā)電機是靜態(tài)穩(wěn)定的則同步發(fā)電機是靜態(tài)不穩(wěn)定的為靜態(tài)穩(wěn)定極限，此時發(fā)電機保持靜態(tài)穩(wěn)定的能力為零3.同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行二、靜態(tài)穩(wěn)定(5)同步轉(zhuǎn)矩系數(shù)：

dTM/dθ愈大，保持靜態(tài)穩(wěn)定的能力（或稱保持同步的能力）愈強，也就是說，穩(wěn)定性愈高。一般把dTM/dθ稱為同步電機的同步轉(zhuǎn)矩系數(shù)。對隱極電機對凸極電機3.同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行二、靜態(tài)穩(wěn)定(6)同步轉(zhuǎn)矩系數(shù)：3.同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行總結(jié)：1）隱極汽輪發(fā)電機的額定運行點一般設(shè)計在范圍內(nèi)，以保證一定大小的同步轉(zhuǎn)矩系數(shù)，即電機具備一定的穩(wěn)定能力二、靜態(tài)穩(wěn)定(7)2）凸極發(fā)電機的靜態(tài)穩(wěn)定極限處于的功率角上，且由于凸極轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，θ角在靠近附近，同步轉(zhuǎn)矩系數(shù)還更大一些，一般設(shè)計的凸極同步發(fā)電機，額定運行點在的范圍內(nèi)。3.同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行二、靜態(tài)穩(wěn)定(8)過載能力：最大電磁轉(zhuǎn)矩（或最大電磁功率）與額定電磁轉(zhuǎn)矩（或額定電磁功率）之比，稱為過載能力，用

km表示，對于隱極電機

隱極電機的過載能力km＝1.5～2左右。說明：1）過載能力是表示靜態(tài)穩(wěn)定的程度，而不是發(fā)電機可以過載的倍數(shù)。實際上，電機在額定運行時，不論過載能力多少，從發(fā)熱觀點看，電機各部分巳達到額定溫升了。如果過載運行，時間一長，電機有可能燒壞。

2）提高靜態(tài)穩(wěn)定的程度，即提高過載能力，必然要提高最大電磁功率，為了提高PMmax

，必須減小同步電抗xd

，但是減少xd，電機成本增加，所以不能過份地要求較高的過載能力。

3.同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行三、動態(tài)穩(wěn)定簡介(1)動態(tài)穩(wěn)定：同坐發(fā)電機的動態(tài)穩(wěn)定問題是電機遭受大的擾動后，還能否保持同步運行問題如，例如，電網(wǎng)電壓由于突然降低太多，功率角增加，就會使電機失去同步。圖3-19

所示便是這種情況。3.同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行三、動態(tài)穩(wěn)定簡介（2）1）以上介紹了動態(tài)穩(wěn)定的初步概念，實際上，當同步發(fā)電機發(fā)生動態(tài)穩(wěn)定時，電網(wǎng)和發(fā)電機都是處于過渡過程之中，這時利用穩(wěn)態(tài)分析得到的功角特性根本就不能使用了。取代上述曲線的是一條動態(tài)功角特性，其中，發(fā)電機的電動勢、電抗都是瞬態(tài)值，這里就不再詳細介紹了。

2）以上談到的情況是在勵磁沒有調(diào)節(jié)的條件下發(fā)生的。如果，當發(fā)電機發(fā)生短路，轉(zhuǎn)子開始發(fā)生振蕩時。勵磁電流立刻自動增加的話，勵磁電動勢就會增加，功角特性也會上移，提高了發(fā)電機的動態(tài)穩(wěn)定度?，F(xiàn)代的快速勵磁調(diào)節(jié)器對提高發(fā)電機的動態(tài)穩(wěn)定度，起著很重要的作用。3.同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行例題一臺的凸極同步發(fā)電機，接在的電網(wǎng)上額定運行，運行于（滯后）下，略去定子電阻，試求：(1)

(2)與(3)過載能力3.同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行3.同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行§3.6無功功率的調(diào)節(jié)和V形曲線一、調(diào)節(jié)無功功率的必要性

接到電網(wǎng)上的負載，除了少數(shù)電熱設(shè)備外，絕大多數(shù)都是電感性質(zhì)的負載。所以，一個電力系統(tǒng)，除了要給負載有功功率外，還要給負載大量的感性無功功率。據(jù)大致估計，一個現(xiàn)代化的電力系統(tǒng)，異步電機需要的無功功率占了電網(wǎng)給的總無功功率的70％，變壓器占了20％，其它設(shè)備占10％。

電網(wǎng)給的總無功功率，應(yīng)該由電網(wǎng)里的全部發(fā)電機共同負擔。但是，每臺發(fā)電機究竟負擔多少，怎樣調(diào)節(jié)一臺發(fā)電機的無功功率呢？這是本節(jié)要研究的問題。

二、分析前提認為電網(wǎng)容量足夠大，即認為電網(wǎng)電壓不會改變，頻率也不會改變，為一個無限大電網(wǎng)。

3.同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行§3.6無功功率的調(diào)節(jié)和V形曲線三、發(fā)電機空載情況下無功功率的調(diào)節(jié)1正常勵磁：如果發(fā)電機是在理想條件下并聯(lián)合閘到電網(wǎng)上去，合閘后，電樞電流為零，如圖3-20（a）所示，這時的勵磁電流稱為空載正常勵磁，此時，發(fā)電機既不發(fā)有功功率，也不發(fā)無功功率。

2過勵磁：3欠勵磁：3.同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行四、發(fā)電機負載情況下無功功率的調(diào)節(jié)保持輸出有功功率不變，這時發(fā)電機電