第18章-同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行

第十八章同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行

教學(xué)要求：1．熟悉并聯(lián)合閘的條件和方法2．掌握并聯(lián)運(yùn)行的基本分析方法，包括：基本電磁關(guān)系、功率及轉(zhuǎn)矩平衡方程有功功率和無功功率的調(diào)節(jié)

V形曲線18-1概述

1何謂并聯(lián)運(yùn)行？（簡(jiǎn)圖）2單機(jī)運(yùn)行與并聯(lián)運(yùn)行的簡(jiǎn)單對(duì)比1）并聯(lián)運(yùn)行電能供應(yīng)互相調(diào)劑，水、火、風(fēng)、核電相互調(diào)劑，單機(jī)則當(dāng)?shù)毓铝⒐╇?）供電的可靠性3）供電質(zhì)量，電壓和頻率在單機(jī)與并網(wǎng)條件下與負(fù)荷什么關(guān)系？單機(jī)：電壓和頻率通常情況下隨負(fù)荷增大而降低。并網(wǎng)：電壓和頻率通?；竞愣?并網(wǎng)問題的重要性

1）實(shí)際狀況：大型發(fā)電機(jī)幾乎都并網(wǎng)運(yùn)行，小型發(fā)電機(jī)（水，風(fēng)，柴油機(jī)組)也盡可能并網(wǎng)。

2）并網(wǎng)操作不當(dāng)，事故舉例

云南80年代大停電（線路原理圖）

劉家峽電廠并網(wǎng)誤操作設(shè)備損壞事故3)電壓相序18-2并聯(lián)合閘的條件和方法

4)頻率一、基本要求與條件

1基本要求并聯(lián)投入時(shí)避免產(chǎn)生大的沖擊：電流和力矩。

2并聯(lián)合閘條件1)電壓大小與波形2)電壓相位相同（通過與直流電源及變壓器對(duì)比理解）r1r2E2E121直流電源并聯(lián)為了防止環(huán)流對(duì)電池電動(dòng)勢(shì)的要求：大小相等，極性相同。以便并聯(lián)合閘前于是，并聯(lián)后閉合回路無環(huán)流變壓器并聯(lián)條件為了防止環(huán)流，除了上述兩條，還要求相位相同三相相序一致。且大小相等，即要求變比相等；極性與相位同，即聯(lián)結(jié)組相同；發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行示意圖發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行條件為了防止環(huán)流，除了大小相等，極性與相位同，三相相序一致,還要求頻率相等10001000200030001001)50Hz-45Hz電壓差-200-1000100200010002000300050Hz-45Hz并聯(lián)（0.2s,電壓<20V,0.02s）頻率差、電壓差與沖擊電流

二、方法

1.準(zhǔn)確同步法：將發(fā)電機(jī)調(diào)整到符合并聯(lián)條件后并網(wǎng)：暗燈法和旋轉(zhuǎn)燈光法。(1)暗燈法電網(wǎng)與同步發(fā)電機(jī)之間的三相并聯(lián)開關(guān)兩側(cè)接燈泡，稱相燈，若三相相燈同明同暗，說明相序正確；當(dāng)三組相燈同時(shí)熄滅時(shí)，表示電壓差，即可并網(wǎng)合閘。暗燈法接線和向量圖VAsBsCsAGBGCG123G3~電網(wǎng)當(dāng)并網(wǎng)的四個(gè)條件都完全滿足時(shí)，發(fā)電機(jī)側(cè)的三相電壓相量和電網(wǎng)側(cè)的三相電壓相量會(huì)如下圖所示。那么三個(gè)相燈會(huì)完全熄滅，此時(shí)就可以把發(fā)電機(jī)平穩(wěn)地并聯(lián)到電網(wǎng)上。下面請(qǐng)同學(xué)們帶著以下兩個(gè)問題來學(xué)習(xí)、思考：（1）如果其中某個(gè)條件不滿足，三個(gè)相燈會(huì)呈現(xiàn)什么燈光特點(diǎn)呢？（2）如何調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)，使其最終滿足并網(wǎng)條件？a.只是頻率不等：某時(shí)刻，發(fā)電機(jī)電壓相量和電網(wǎng)電壓相量同相位隨時(shí)間推移，發(fā)電機(jī)電壓相量和電網(wǎng)電壓相量逐漸拉開相位差

結(jié)論：相燈會(huì)呈現(xiàn)同時(shí)滅、再同時(shí)亮起的交替變化現(xiàn)象，說明發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的頻率不同。需調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)亩淖儼l(fā)電機(jī)頻率。(實(shí)驗(yàn)室相燈為什么三相6個(gè)串聯(lián)？)發(fā)電機(jī)電壓相量和電網(wǎng)電壓相量反相位時(shí)刻-200-1000100200025005000750010000討論不同頻率的影響

50Hz-45Hz并聯(lián)（0.6s,電壓<20V,0.02s）2）50Hz-49Hz并聯(lián)

（4s,振蕩4次，電壓<20V,持續(xù)0.07s）50Hz-49Hz并聯(lián)（0.2s區(qū)間放大，

電壓<20V,持續(xù)0.07s）0500.07s3）50Hz-49.75Hz并聯(lián)

（0.4s區(qū)間,電壓<20V,0.2s）-50-25025500.2s4）50Hz-49.9Hz并聯(lián)

（1s區(qū)間,電壓<20V,0.7s）020V0.7sb.只是電壓不等（發(fā)電機(jī)頻率已調(diào)整到很接近電網(wǎng)頻率）：結(jié)論：三個(gè)相燈沒有絕對(duì)熄滅的狀態(tài)，而是在最亮和最暗范圍內(nèi)緩慢交替變化。需調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流從而改變發(fā)電機(jī)的端電壓。c.只是相序不等（發(fā)電機(jī)頻率已調(diào)整到很接近于電網(wǎng)頻率）：1號(hào)相燈滅，2、3號(hào)相燈亮2號(hào)相燈滅，3、1號(hào)相燈亮結(jié)論：三個(gè)相燈依次呈明暗交替變化狀態(tài)，即燈光旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。說明發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的相序不同。需對(duì)調(diào)發(fā)電機(jī)出線的任意兩根接線。3號(hào)相燈滅，1、2號(hào)相燈亮d.相角不等（發(fā)電機(jī)頻率已調(diào)整到很接近于電網(wǎng)頻率）：三個(gè)相燈不同時(shí)熄滅，不能合閘并網(wǎng)。結(jié)論：等待三個(gè)相燈都完全熄滅的一刻，說明發(fā)電機(jī)電壓和電網(wǎng)電壓同相位，就可以合上并網(wǎng)開關(guān)，完成發(fā)電機(jī)的整個(gè)并網(wǎng)操作。

當(dāng)滿足條件時(shí)，一個(gè)相燈熄滅，另兩個(gè)相燈亮度一樣。當(dāng)頻率不滿足時(shí)，三個(gè)相燈依次熄滅，給人以燈光旋轉(zhuǎn)的感覺(自學(xué)：如何判斷哪個(gè)條件不滿足？)(2)燈光旋轉(zhuǎn)法系統(tǒng)AABBCC發(fā)電機(jī)K123′′′自整步接線示意圖（2）定子投入電網(wǎng)，并立即加勵(lì)磁電流，靠定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)間作用力把轉(zhuǎn)子自動(dòng)牽入同步（右圖）。（3）自同步法（1）把發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子拖動(dòng)到接近同步速，勵(lì)磁繞組經(jīng)限流電阻短路(左圖)，定轉(zhuǎn)子未接電源。18-3同步電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行的理論基礎(chǔ)并聯(lián)在電網(wǎng)上的同步發(fā)電機(jī)怎樣才能帶上負(fù)載，即向電網(wǎng)輸出有功功率和無功功率,如何調(diào)節(jié)所輸出的功率大小。所要研究的問題：假定條件:已經(jīng)在理想情況下實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)，即電網(wǎng)屬于無限大電網(wǎng)，發(fā)電機(jī)的端電壓和頻率與電網(wǎng)完全相等。單機(jī)運(yùn)行如何確定發(fā)電機(jī)輸出的有功功率和無功功率？與單機(jī)運(yùn)行對(duì)比：唯一的一臺(tái)發(fā)電機(jī)！負(fù)載所需有功功率和無功功率,都由該發(fā)電機(jī)提供。ZLXA發(fā)電機(jī)負(fù)載負(fù)載阻抗的功率因數(shù)

=發(fā)電機(jī)功率因數(shù)負(fù)載所需有功、無功可以由電網(wǎng)與發(fā)電機(jī)G共同提供，不能認(rèn)為它一定等于發(fā)電機(jī)G提供的部分。所以需要研究在并網(wǎng)條件下如何確定發(fā)電機(jī)的輸出。以下先研究無功，再研究有功。并聯(lián)運(yùn)行：ZLG無窮大電網(wǎng)1空載運(yùn)行分析jxcXA分析對(duì)象：改變勵(lì)磁電流時(shí)輸出無功的性質(zhì)與大小分析依據(jù)：根據(jù)忽略電樞電阻的等效電路及相應(yīng)的電壓方程進(jìn)行分析本節(jié)所謂空載，是指只輸出無功不輸出有功的狀態(tài)。１）理想并網(wǎng)后時(shí)空相矢量圖與電樞電流jxcXA２）增大發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流后的運(yùn)行0E.jxcXA增大發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流

后發(fā)電機(jī)輸出滯后的無功功率（感性無功）３）減小發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流后的運(yùn)行XA減小發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流,則于是發(fā)電機(jī)輸出超前無功，即吸收滯后的無功,(請(qǐng)分析圖中與

決定的無功的傳輸方向）

原動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩等于空載矩：發(fā)電機(jī)不輸出有功且忽略電樞電阻，則原動(dòng)機(jī)只供給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過程產(chǎn)生的有功損耗，即冷卻風(fēng)扇、摩擦等機(jī)械耗以及鐵耗等。4）空載有功功率與力矩

3）改變發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流只能改變發(fā)電機(jī)輸出（吸收）的無功，不能使發(fā)電機(jī)輸出有功功率。1）增大勵(lì)磁，則，電流落后電壓相位角，發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)輸送感性無功。2）減小勵(lì)磁，則，電流領(lǐng)先電壓相位角，發(fā)電機(jī)從電網(wǎng)吸收感性無功。結(jié)論：2.負(fù)載運(yùn)行

并網(wǎng)的發(fā)電機(jī)，能夠調(diào)節(jié)的物理量有兩個(gè)：勵(lì)磁電流與原動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。從電樞反應(yīng)一節(jié)已經(jīng)知道，出現(xiàn)交磁電樞反應(yīng)后才能產(chǎn)生力矩。而交磁電樞反應(yīng)之所以產(chǎn)生力矩，是因?yàn)槎ㄗ觾?nèi)圓合成磁場(chǎng)軸線與轉(zhuǎn)子磁勢(shì)軸線之間出現(xiàn)了一個(gè)夾角，于是N、S極作用產(chǎn)生力矩。以下分析原動(dòng)機(jī)輸出力矩后定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互位置變化情況。1）轉(zhuǎn)子磁勢(shì)與合成磁場(chǎng)相互位置

與輸出功率的關(guān)系(1)空載運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子磁勢(shì)與合成磁場(chǎng)的相互位置（理想并網(wǎng)）（1）空載運(yùn)行轉(zhuǎn)子磁勢(shì)與合成磁場(chǎng)相互位置（續(xù)1：輸出滯后無功時(shí)）0E.（1）空載運(yùn)行轉(zhuǎn)子磁勢(shì)與合成磁場(chǎng)相互位置（續(xù)2：輸出超前無功時(shí)）（2）從原動(dòng)機(jī)輸入機(jī)械力矩后

轉(zhuǎn)子磁勢(shì)與合成磁場(chǎng)相互位置負(fù)載運(yùn)行時(shí)空相-矢量圖

增大原動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩后，由于所以轉(zhuǎn)子加速，首先出現(xiàn)的是轉(zhuǎn)子位置（以為標(biāo)志）領(lǐng)先氣隙旋轉(zhuǎn)磁密，由于電網(wǎng)頻率不會(huì)改變，的頻率也不會(huì)變，所以氣隙磁密的旋轉(zhuǎn)速度也不能變，維持恒定的同步速度。代表轉(zhuǎn)子位置的空間向量在空載時(shí)與同相位，增大瞬間，轉(zhuǎn)子加速使得領(lǐng)先一個(gè)角度。

2）同步發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩

用一個(gè)等值集中的勵(lì)磁電流(每對(duì)極只有一匝)去代替實(shí)際的勵(lì)磁電流。由于基波勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)領(lǐng)先于氣隙磁密一個(gè)電角度，使氣隙磁密產(chǎn)生交軸分量bdq

，電流處正是交軸磁密最大值Bdq,于是轉(zhuǎn)子受力為：

若轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)為，則整個(gè)轉(zhuǎn)子上有個(gè)等值勵(lì)磁電流，作用在轉(zhuǎn)子的總電磁轉(zhuǎn)矩為：根據(jù)矢量運(yùn)算法則，將氣隙磁密波等效為D、Q軸兩個(gè)分量之和(下圖表示兩者相加)

原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩增大，導(dǎo)致角也相應(yīng)增大，因與成正比，最大轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生在時(shí)，即只要原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩不超過，發(fā)電機(jī)就不會(huì)因轉(zhuǎn)矩不平衡造成與電網(wǎng)失去同步。3.

轉(zhuǎn)矩平衡和功率平衡

電磁轉(zhuǎn)矩的出現(xiàn)，同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩平衡式變?yōu)椋恨D(zhuǎn)矩平衡等式的每項(xiàng)都乘以機(jī)械角速度，就變成功率平衡式?！斎牍β省姶殴β省敵龉β?8-4有功功率的調(diào)節(jié)和靜態(tài)穩(wěn)定

1）.隱極發(fā)電機(jī)：若忽略電阻，則1功角特性研究有功功率與兩個(gè)電端口一個(gè)機(jī)械端口機(jī)電量的關(guān)系（2）一定時(shí)，改變勵(lì)磁電流，若則（1）保持勵(lì)磁電流不變時(shí)，值與角按正弦曲線變化。090018000900090018001功角特性：第一項(xiàng)取決于勵(lì)磁電流，稱為勵(lì)磁電磁功率，或基本電磁功率。第二項(xiàng)決定于縱橫軸磁阻的差，稱作凸極電磁功率，也稱為磁阻功率(思考：凸極機(jī)不加勵(lì)磁能否發(fā)電？)

當(dāng)忽略電樞電阻時(shí)，電磁功率及輸出功率為

2）.凸極式發(fā)電機(jī)，不難推導(dǎo)出（課堂練習(xí)）其中1800900180090018009000900由于凸極機(jī)的電磁功率由兩個(gè)正弦函數(shù)疊加而成，其最大電磁功率發(fā)生在角小于電角度的位置。2調(diào)節(jié)有功時(shí)發(fā)電機(jī)輸出無功的變化

問題：發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流=常數(shù)時(shí)，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出有功功率，分析輸出的無功功率是否變化，如何變化。分析依據(jù)：功角特性與電壓方程2調(diào)有功時(shí)發(fā)電機(jī)輸出無功的變化(續(xù)1)

分析：在E0與U均不變的前提下，如何調(diào)節(jié)有功？根據(jù)功角特性，只能調(diào)節(jié)它們的夾角。該夾角叫什么角？功角，功率角固定勵(lì)磁調(diào)節(jié)有功的相量圖2調(diào)有功時(shí)發(fā)電機(jī)輸出無功的變化(續(xù)2)

2調(diào)有功時(shí)發(fā)電機(jī)

輸出無功的變化(續(xù)3)

研究相量圖的特點(diǎn)，尋找規(guī)律結(jié)論1：當(dāng)勵(lì)磁電流=常數(shù)時(shí)，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出的有功，它輸出的無功也會(huì)改變，有功減少時(shí)，輸出落后性無功會(huì)增大。結(jié)論2：并聯(lián)在電網(wǎng)上的同步發(fā)電機(jī)，如果保持為常數(shù)，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出的有功功率，電動(dòng)勢(shì)相量與電樞電流相量的軌跡都是圓，把它們稱為同步電機(jī)的圓圖。3同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的靜態(tài)穩(wěn)定

所謂穩(wěn)定問題是指，包含若干個(gè)發(fā)電廠或發(fā)電機(jī)的電力系統(tǒng)，在正常負(fù)載調(diào)配及非正常運(yùn)行中，這些電機(jī)或電廠是否還能保持同步運(yùn)行的問題。穩(wěn)定問題又分為靜態(tài)穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定兩種。（電力系統(tǒng)分析課程還有“暫態(tài)穩(wěn)定”，且不同資料分類方法并不完全統(tǒng)一）1）穩(wěn)定的概念(2)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定：發(fā)電機(jī)在突加負(fù)載、切除負(fù)載，或者在發(fā)生突然短路等大干擾后，如仍能保持同步運(yùn)行，則其運(yùn)行是穩(wěn)定的。(1)靜態(tài)穩(wěn)定：發(fā)電機(jī)在某一穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài),如果在電網(wǎng)或原動(dòng)機(jī)方面，突然發(fā)生一些微小干擾，在此小干擾去掉后，發(fā)電機(jī)如能恢復(fù)到原來的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，則該發(fā)電機(jī)的運(yùn)行是穩(wěn)定的。90018009009001800900180090009001800T2）靜態(tài)穩(wěn)定分析

設(shè)初始功角小于90o,若原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩不變，當(dāng)出現(xiàn)干擾后，假設(shè)增大一個(gè)，干擾消失后，電磁轉(zhuǎn)矩會(huì)增加一個(gè)，這促使電機(jī)減速，功角相應(yīng)減小，自動(dòng)回到原工作點(diǎn)。(1)隱極機(jī)

隱極發(fā)電機(jī)是靜態(tài)穩(wěn)定的，或普遍情況時(shí)是靜態(tài)穩(wěn)定。

隱極發(fā)電機(jī)是靜態(tài)不穩(wěn)定的，或普遍情況時(shí)靜態(tài)不穩(wěn)定。結(jié)論：凸極機(jī)與隱極機(jī)相似，額定運(yùn)行點(diǎn)一般在電角度范圍。（2）凸極機(jī)0018001800180000900900900900隱極機(jī)一般為1.5～2左右。（3）整步轉(zhuǎn)矩系數(shù)（4）過載能力(隱極機(jī))18-5無功功率的調(diào)節(jié)和形曲線

對(duì)于發(fā)電機(jī)輸出無功功率問題，本章已經(jīng)討論并網(wǎng)