電機第十五章同步電機的并聯(lián)運行

第十五章同步電機的并聯(lián)運行15-1并聯(lián)合閘的條件與方法15-2同步發(fā)電機的功率和轉矩方程15-3同步發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)功角特性15-4同步發(fā)電機與大電網(wǎng)并聯(lián)運行時有功功率調(diào)節(jié)和靜態(tài)穩(wěn)定15-5無功功率的調(diào)節(jié)和V形曲線本章要點:

25-1并聯(lián)合閘的條件與方法

二、投入并聯(lián)的方法

一、并聯(lián)合閘的條件本節(jié)要點:

一、并聯(lián)合閘的條件

同步發(fā)電機并聯(lián)到電網(wǎng)時，為了避免在電機和電網(wǎng)中產(chǎn)生沖擊電流，并由此而在電機轉軸上產(chǎn)生沖擊扭矩，應當使發(fā)電機相電動勢瞬時值與電網(wǎng)電壓瞬時值一直保持相等。并聯(lián)環(huán)流：電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電機一、并聯(lián)合閘的條件1、發(fā)電機和電網(wǎng)連接的相序應相同；2、發(fā)電機和電網(wǎng)的頻率應相同，即；3、發(fā)電機和電網(wǎng)的電壓波形應相同；4、發(fā)電機和電網(wǎng)電壓的大小和相位波形應相同。如果發(fā)電機和電網(wǎng)連接的相序不相同

以上條件中，第一條必須滿足，其余條件允許稍有差別。

如果相序不同而投入并聯(lián)，則相當于電機的勵磁電動勢為正序而在電機端點上卻加上一組負序電壓，這是一種嚴重的故障情況，電流和轉矩沖擊都很大，必須避免。1、發(fā)電機和電網(wǎng)連接的相序應相同如果：相量和之間有相對運動，兩者的相位差將在00~3600之間逐步變化，差值電壓：

將忽大忽小，引起數(shù)值交變的環(huán)流和電機內(nèi)的功率振蕩。2、發(fā)電機和電網(wǎng)的頻率應相同，即注意278頁當調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁279頁當調(diào)節(jié)發(fā)電機原動機的速度

如果波形不同，例如為正弦波而為非正弦波。3、發(fā)電機和電網(wǎng)的電壓波形應相同

這時即使的基波分量與完全相同，仍會在電機和電網(wǎng)中產(chǎn)生高次諧波環(huán)流，使運行損耗和溫升增高。~-~-~

如果頻率和波形都一樣，只是電機和電網(wǎng)電壓的大小和相位不一致，則在發(fā)電機和電網(wǎng)間由于差值電壓。將產(chǎn)生一個環(huán)流4、發(fā)電機和電網(wǎng)電壓的大小和相位波形應相同

在極性相反的情況下投入并聯(lián)時，環(huán)流的瞬變狀態(tài)數(shù)值可達（5~8）IN，產(chǎn)生強大的沖擊性電磁力，可能使定子繞組端部受到損傷。二、投入并聯(lián)的方法

為了投入并聯(lián)所進行的調(diào)節(jié)和操作過程稱為同步（或整步）過程。實用的同步方法有兩種：1、準同步法2、自同步法

（一）準同步法把發(fā)電機調(diào)整到完全合乎投入并聯(lián)條件再進行并聯(lián)合閘操作，叫做準同步。判斷這些條件是否滿足，常采用同步指示器。

最簡單的同步指示器由三對同步指示燈（相燈）組成。每對跨接在電網(wǎng)和發(fā)電機的一相之間。具體接法有交叉接法和直接接法兩種。ABCC2B2A2C1B1A1相燈燈光旋轉法的接線由電路對稱性可知電網(wǎng)和發(fā)電機中點是等位點。由于相燈的電阻很大，流過相燈的電流遠遠小于發(fā)電機的額定電流完全可以忽略不計。故發(fā)電機任一相電壓就是該相的勵磁電動勢。

而作用在每一對相燈上的電壓就等于該相電網(wǎng)電壓和發(fā)電機電壓之差，即：設發(fā)電機的頻率fg大于電網(wǎng)的頻率fS，而電壓值相等：加于三對相燈的電壓：各不相等，先是當移到與同相時，第一對相燈熄滅，然后發(fā)電機相量移過1200使與同相時，第二對燈熄滅。如果再移過1200使與同相時，第3對燈熄滅。由此可見如將三對燈沿圓周均勻分布，并按逆時針方向順序布置三對燈。燈光的熄滅順序也是沿逆時針方向旋轉。電位差u加在一對相燈上。以A相為例，初相角均為零時作為時間t=0，可得：

的瞬時值以：頻率（稱作拍頻）在:

之間往復變化。本身是一個頻率為的交流電動勢。當：的頻率為51Hz，而其幅值以1Hz的拍頻頻率在變化。每個相燈上的電壓為：其端電壓有效值在之間往復變動。變動的頻率為：fg-fs=2Hz，是拍頻的兩倍。其周期為：在此期間燈光亮、暗各一次。ABCC2B2A2C1B1A1相燈燈光旋轉法的接線如果由于每秒鐘繞轉兩圈，故燈光每秒鐘也逆時針旋轉兩圈。應當調(diào)節(jié)發(fā)電機的電壓使Ug=US并同時調(diào)節(jié)發(fā)電機的速率使fg盡可能接近fS?？梢杂^察到燈光的旋轉愈來愈慢。當燈光旋轉已十分慢緩時，應在第1對相燈全暗的瞬間合閘，將電機并入電網(wǎng)。這時依靠電機的自整步作用，可迅速自動地使發(fā)電機的速率調(diào)到準確的同步速率，發(fā)電機牽入同步運行。（二）自同步法用準同步法投入并聯(lián)的優(yōu)點是合閘時沒有沖擊電流，但是操作復雜很費時間。當電網(wǎng)出現(xiàn)故障要求把備用的發(fā)電機迅速起動并投入并聯(lián)運行時，由于電網(wǎng)電壓和頻率很不穩(wěn)定，時刻在變化，采用此方法更難投入，這時往往采用自同步法。自同步法并網(wǎng)的步驟如下：1、先將發(fā)電機勵磁繞組經(jīng)限流電阻短路。2、當發(fā)電機升速到接近同步轉速時（要求電機和電網(wǎng)的頻率差在正負5%以下），先合上并聯(lián)開關，再立即接入勵磁。即可依靠定、轉子間的電磁力自動將電機牽入同步。自同步法并網(wǎng)的優(yōu)點是：操作簡單、迅速，不需要增添復雜的設備。自同步法并網(wǎng)的缺點是：合閘及加勵磁時都有電流沖擊。15-3同步發(fā)電機的并聯(lián)運行的理論基礎單是合上并聯(lián)的開關，還不能說是一定能夠并聯(lián)運行。比如，在并聯(lián)條件里發(fā)電機和電壓和頻率與電網(wǎng)不是嚴格相等，合閘后發(fā)電機和電網(wǎng)能不能同步呢？怎樣給發(fā)電機帶上負載？如何分配電網(wǎng)中每臺發(fā)電機擔負的負載？1.空載運行

同步發(fā)電機在理想條件下并聯(lián)到電網(wǎng)，原動機只供給同步發(fā)電機轉動時所需要的損耗功率。空載損耗風阻摩擦機械損耗鐵損耗原動機轉矩空載轉矩分析：調(diào)節(jié)發(fā)電機勵磁電流，看會不會改變空載運行狀態(tài)？ABCC2B2A2C1B1A1如果勵磁電流增加如果勵磁電流減少調(diào)節(jié)勵磁電流改變了

的總性質是無功電流電流滯后電網(wǎng)電壓電角度電流超前電網(wǎng)電壓電角度改變同步發(fā)電機的勵磁電流，只能使得電樞繞組產(chǎn)生滯后或超前的純無功電流，發(fā)電機沒有輸入或輸出有功功率。2、負載運行并聯(lián)到電網(wǎng)的發(fā)電機，能夠調(diào)節(jié)的物理量是：并聯(lián)到電網(wǎng)的發(fā)電機，能夠調(diào)節(jié)的物理量是：勵磁電流原動機的拖動轉矩1）同步電機的電磁轉矩氣隙合成磁場和轉子電流相互作用產(chǎn)生電磁轉矩

是一制動轉矩一個等效集中繞組電流為轉子半徑電磁轉矩方向與原動機方向相反。1）轉矩平衡和功率平衡同步發(fā)電機由原動機拖動在對稱負載下穩(wěn)定運行時，由原動機輸入的機械功率P1在扣除發(fā)電機的發(fā)電機的機械損耗pmec、鐵耗p0和附加損耗pad后，即轉化為電磁功率PM。對于勵磁損耗pcuf的處理則因勵磁系統(tǒng)而異。對于同軸勵磁機，P1中還應扣除輸入勵磁的全部功率pf后才是PM。對于單獨拖動的電動機（勵磁機組），發(fā)電機的勵磁損耗由勵磁機組供給而與P1無關。電磁功率PM是通過電磁感應作用由氣隙合成磁場傳遞到定子的電功率。發(fā)電機帶負載時還要扣除電樞銅耗，才是輸出的電功率P2，即：15-4有功功率的調(diào)節(jié)和靜態(tài)穩(wěn)定1、同步發(fā)電機的功角特性1）隱極發(fā)電機的功角特性

是同步發(fā)電機的功率角同步發(fā)電機功率角的物理意義勵磁電流不變，也不變因為是無限大電網(wǎng)，是常數(shù)

是同步電抗不飽和值，是常數(shù)。調(diào)節(jié)電磁功率，只能調(diào)節(jié)功率角如何調(diào)節(jié)功率角與夾角是與夾角是轉速是電氣旋轉速度轉速是原動機的轉速

所以，調(diào)節(jié)電磁功率，就是調(diào)節(jié)同步發(fā)電機的原動機轉速。并聯(lián)到電網(wǎng)的發(fā)電機，能夠調(diào)節(jié)的物理量是：并聯(lián)到電網(wǎng)的發(fā)電機，能夠調(diào)節(jié)的物理量是：勵磁電流原動機的拖動轉矩同步發(fā)電機功角特性2）凸極發(fā)電機的電磁功率

可以看到，凸極發(fā)電機功角特性公式的第一項與空載電動勢成正比，它是勵磁電流在氣隙磁場中產(chǎn)生電磁力所引起的，稱為勵磁電磁功率。

公式中的第二項，在隱極發(fā)電機中沒有，它與勵磁電流無關，是由于合成等效磁極吸引凸極鐵磁產(chǎn)生電磁力所引起的，稱為凸極電磁功率。最大電磁功率發(fā)生在小于的地方

對于凸極發(fā)電機，當轉子不加勵磁電流，E0=0時仍有附加電磁功率產(chǎn)生，這又是為什么呢？此功率主要由于交、直軸的磁阻互不相等而引起，故稱為磁阻功率。2、調(diào)節(jié)有功功率時發(fā)電機

輸出無功功率的變化當勵磁電流恒定調(diào)節(jié)發(fā)電機輸出有功功率時，發(fā)電機的無功率也會改變。發(fā)電機輸出有功功率減小時，無功率增大。3、同步發(fā)電機與電網(wǎng)并聯(lián)運行時的靜態(tài)穩(wěn)定

所謂同步發(fā)電機的穩(wěn)定問題指，若干個發(fā)電廠或發(fā)電機的電力系統(tǒng)，在正常負載調(diào)配和不正常事故中，這些電機能否還能保持同步運行的問題，同步電機的穩(wěn)定問題又分為靜態(tài)穩(wěn)定和動態(tài)穩(wěn)定兩種。所謂靜態(tài)穩(wěn)定是指：發(fā)電機與電網(wǎng)并聯(lián)運行時，電壓和頻率恒定，勵磁恒定，輸入和輸出功率也不變。如果出現(xiàn)干擾，干擾除去后，發(fā)電機是否能恢復穩(wěn)定運行。

所謂動態(tài)穩(wěn)定指：發(fā)電機突加負載或切除負載運行時，或在發(fā)生突然短路，電壓突變，發(fā)電機失磁等非正常運行中，以及參數(shù)變化時，電機是否還能保持同步運行的問題。同步發(fā)電機的轉矩角度特性假如微小的干擾使微小的干擾去掉后發(fā)電機的運行是穩(wěn)定的假如微小的干擾使發(fā)電機不能平衡穩(wěn)定地運行理論上，在同步發(fā)電機功角特性中是同步發(fā)電機有功功率的調(diào)節(jié)范圍。290頁在隱極發(fā)電機中額定運行點一般設計在在凸極發(fā)電機中額定運行點一般設計在當=1800以后，電磁功率變?yōu)樨撝?，意味著電機向電網(wǎng)輸出負功率，即電網(wǎng)向電機輸入正功率變成同步電動機。這將使電機產(chǎn)生更大的加速度，角將迅速沖過3600重新進入發(fā)電機狀態(tài)。當角第二次來到A點處，雖然再次出現(xiàn)功率平衡，但因前面累積的加速，已使轉子當時的速度顯著高于同步轉速。所以角還要增大，又會沖到C點。在AC的減速過程肯定不足以使原來的高轉速降到同步轉速。所以還要增大，最后電機轉速愈來愈快，只能由機組的過渡保護裝置發(fā)生動作把原動機停調(diào)。這個過程叫發(fā)電機失去同步。15-5無功功率的調(diào)節(jié)和V形曲線

以隱極電機為例，并略去電樞電阻和飽和影響，而電網(wǎng)則看作是“無窮大電網(wǎng)”，于是電壓U和頻率f都不受負載變化或其它擾動的影響而保持為常值。并入此無窮大電網(wǎng)的任一同步發(fā)電機，其頻率和端電壓也將受到電網(wǎng)的約束而與電網(wǎng)相一致，這是并聯(lián)運行的特點。忽略電樞電阻和磁飽和影響的隱極同步電機為例，說明在原動機輸入有功功率P1保持不變的情況下調(diào)節(jié)勵磁電流If時，其無功功率將怎樣改變。由功率平衡關系可知，在調(diào)節(jié)勵磁前后，發(fā)電機的電磁功率PM和輸出功率：常數(shù)由于電網(wǎng)電壓和發(fā)電機的同步電抗均為常數(shù)，故得：常數(shù)常數(shù)DCAB由于：常數(shù)末端的變化軌跡為垂直線CD。當U=常數(shù)和P2=常數(shù)時不同勵磁電流時的同步發(fā)電機相量圖第一種情況：勵磁電流較大，E01值較高，I1滯后于U1，輸出無功功率，這時發(fā)電機稱為運行在過勵狀態(tài)。第二種情況：I1和U1同相，定子電流因不含無功功分量而數(shù)值得最小，這時的勵磁電流較小，稱作正常勵磁。第三種情況：如果繼續(xù)減小勵磁電流，則定子電流又將變大而且超前于電壓U，發(fā)電機開始向電網(wǎng)輸出超前的無功功率，發(fā)電機處在“欠勵”狀態(tài)。第四種情況：如果進一步減小勵磁電流，使E0更加減小，功率角和超前的功率因數(shù)角也將繼續(xù)增大使定子電流更大，但這種變化是有限度的，當=900已達靜穩(wěn)定極限。

在第四種情況后，如果還要減小勵磁電流將無法供給所需的有功功率，電機將失去同步而不能運行。

當原動機功率不變時，當勵磁電流等于“正