cha15同步發(fā)電機并聯(lián)運行

第十五章同步發(fā)電機并聯(lián)運行主要內(nèi)容:同步發(fā)電機的并聯(lián)運行發(fā)電機的整步同步發(fā)電機的功角特性——隱極機、凸極機有功功率的調(diào)節(jié)、穩(wěn)定概念無功功率的調(diào)節(jié)、V形曲線單機供電的缺點是明顯的，既不能保證供電質(zhì)量(電壓和頻率的穩(wěn)定性)和可靠性(發(fā)生故障就得停電)，又無法實現(xiàn)供電的靈活性和經(jīng)濟性。這些缺點可以通過多機并聯(lián)來改善。通過并聯(lián)可將幾臺電機或幾個電站并成一個電網(wǎng)?，F(xiàn)代發(fā)電廠中都是把幾臺同步發(fā)電機并聯(lián)起來接在共同的匯流排上(見圖15-1)，一個地區(qū)總是有好幾個發(fā)電廠并聯(lián)起來組成一個強大的電力系統(tǒng)(電網(wǎng))，如圖15-2。xsn圖15-1同步發(fā)電機并聯(lián)成大電網(wǎng)圖15-2電力系統(tǒng)示意圖電網(wǎng)供電比單機供電相比有許多優(yōu)點：提高了供電的可靠性，一臺發(fā)電機發(fā)生故障或定期檢修不會引起停電事故；提高了供電的經(jīng)濟性和靈活性，例如水電廠與火電廠并聯(lián)時，在枯水期和豐水期，兩種電廠可以調(diào)配發(fā)電，使得水資源得到合理使用。在用電高峰期和低谷期，可以靈活地決定投入電網(wǎng)的發(fā)電機數(shù)量，提高了發(fā)電效率和供電靈活性；提高了供電質(zhì)量，電網(wǎng)的容量巨大(相對于單臺發(fā)電機或者個別負載可視為無窮大)，單臺發(fā)電機的投入與停機，個別負載的變化，對電網(wǎng)的影響甚微，衡量供電質(zhì)量的電壓和頻率可視為恒定不變的常數(shù)。電網(wǎng)對單臺發(fā)電機來說可視為無窮大電網(wǎng)或無窮大匯流排。同步發(fā)電機并聯(lián)到電網(wǎng)后，它的運行情況要受到電網(wǎng)的制約，也就是說它的電壓、頻率要和電網(wǎng)一致而不會單獨變化。第一節(jié)投入并聯(lián)運行的條件和方法一、投入并聯(lián)的條件把同步發(fā)電機并聯(lián)至電網(wǎng)的過程稱為投入并聯(lián)，或稱為并列、并車、整步。在并車時必須避免產(chǎn)生巨大的沖擊電流，以防止同步發(fā)電機受到損壞、電網(wǎng)遭受干擾。

并車前必須檢查發(fā)電機和電網(wǎng)是否適合以下條件：（1）發(fā)電機的勵磁電勢應(yīng)與電網(wǎng)電壓相等；（2）發(fā)電機的頻率與電網(wǎng)頻率相等；（3）并聯(lián)合閘瞬間，發(fā)電機與電網(wǎng)的對應(yīng)相的電壓應(yīng)同相位，亦即與發(fā)電機與電網(wǎng)回路電勢為零；（4）相序相同；（5）電壓波形相同。若以上條件中的任何一個不滿足則在如圖15-3中的開關(guān)K的兩端，會出現(xiàn)差額電壓，如果閉合K，在發(fā)電機和電網(wǎng)組成的回路中必然會出現(xiàn)瞬態(tài)沖擊電流。上述條件中，除相序一致是絕對條件外，其它條件都是相對的，因為通常電機可以承受一些小的沖擊電流。并車的準(zhǔn)備工作是檢查并車條件和確定合閘時刻。通常用電壓表測量電網(wǎng)電壓，并調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流使得發(fā)電機的輸出電壓U1=U。再借助同步指示器檢查并調(diào)整頻率和相位以確定合閘時刻。圖15-3同步發(fā)電機并聯(lián)運行二、同步發(fā)電機的并車方法（一）準(zhǔn)同步并車發(fā)電機在并車合閘前已加勵磁，當(dāng)發(fā)電機電壓的幅值、頻率、相位分別與并車點系統(tǒng)側(cè)電壓的幅值、頻率、相位接近相等時，將發(fā)電機斷路器合閘，完成并車操作。發(fā)電機準(zhǔn)同步并車的實際條件，待并發(fā)電機與系統(tǒng)電壓幅值接近相等，電壓差不應(yīng)超過額定電壓的5%~10%；待并發(fā)電機電壓與系統(tǒng)電壓的頻率應(yīng)接近相等，頻率差不應(yīng)超過額定頻率的0.2%~0.5%；在斷路器合閘瞬間，待并發(fā)電機電壓與系統(tǒng)電壓的相位差應(yīng)接近零，誤差不應(yīng)大于5°為了尋找合閘時刻，其原理采用同步指示。1.燈光明暗法如圖15-13a所示，將三只燈泡直接跨接于電網(wǎng)與發(fā)電機的對應(yīng)相之間。并車方法為：通過調(diào)節(jié)發(fā)電機勵磁電流的大小使得，其中UG為發(fā)電機電壓，為US電網(wǎng)電壓；電壓調(diào)整好后，如果相序一致，燈光應(yīng)表現(xiàn)為明暗交替，如果燈光不是明暗交替，則說明相序不一致，這時應(yīng)調(diào)整發(fā)電機的出線相序或電網(wǎng)的引線相序，嚴(yán)格保證相序一致；通過調(diào)節(jié)發(fā)電機的轉(zhuǎn)速就改變頻率，直到燈光明暗交替十分緩慢時，說明同步發(fā)電機和電網(wǎng)的頻率已十分接近，這時等待燈光完全變暗的瞬間到來，即可合閘并車。圖15-4三相發(fā)電機整步當(dāng)不滿足并網(wǎng)條件時，暗燈法所見的現(xiàn)象：頻率不等相燈將呈現(xiàn)同時暗、同時亮的交替變化現(xiàn)象，說明發(fā)電機與電網(wǎng)的頻率不同，需調(diào)節(jié)原動機轉(zhuǎn)速從而改變發(fā)電機頻率。電壓不等三個相燈沒有絕對熄滅的時候，而是在最亮和最暗范圍閃爍，需調(diào)節(jié)勵磁電流從而改變發(fā)電機的端電壓。相序不等三個相燈明暗呈交替變化狀態(tài)，說明發(fā)電機與電網(wǎng)的相序不同,需對調(diào)發(fā)電機或電網(wǎng)的任意兩根接線。相位不等三組相燈不同時熄滅，不能合閘并網(wǎng)，需微調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。2.燈光旋轉(zhuǎn)法參看圖15-4b圖，燈1跨接于A1B，燈2跨接于B1A，燈3跨接于C1C。旋轉(zhuǎn)法并車方法為：通過調(diào)節(jié)發(fā)電機勵磁電流的大小使得，其中UG為發(fā)電機電壓，為US電網(wǎng)電壓；電壓調(diào)整好后，如果相序一致，則燈光旋轉(zhuǎn)，否則說明相序不一致，這時應(yīng)調(diào)整發(fā)電機的出線相序或電網(wǎng)的引線相序，嚴(yán)格保證相序一致；通過調(diào)節(jié)發(fā)電機的轉(zhuǎn)速改變的頻率，直到燈光旋轉(zhuǎn)十分緩慢時，說明和頻率已十分接近，這時等待燈3完全熄滅的瞬間到來，即可合閘并車。準(zhǔn)確同步法他又稱為理想整步法。由于它對并車條件逐一檢查和調(diào)整，所以費時較多。準(zhǔn)同步并列的優(yōu)點是并列時沖擊電流小，不會引起系統(tǒng)電壓降低。不足是并列操作過程中需要對發(fā)電機電壓、頻率進行調(diào)整，并列時間較長且操作復(fù)雜，另外，如果合閘時刻不準(zhǔn)確，可能造成非同步合閘。按自動化程度不同，準(zhǔn)同步并列分為手動準(zhǔn)同步、半自動準(zhǔn)同步和自動準(zhǔn)同步。2）自同步并列：將勵磁繞組通過電阻（約為勵磁電阻的10倍）短接，如圖15-5（a），拖動到接近同步速(相差2~5％)，在無勵磁電流的情況下，將發(fā)電機接入電網(wǎng)。再接通勵磁并調(diào)節(jié)勵磁，如圖15-5（b），依靠定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場之間的電磁轉(zhuǎn)矩將轉(zhuǎn)子拉入同步轉(zhuǎn)速，并車過程結(jié)束。需要注意的是：勵磁繞組必須通過一限流電阻短接，因為直接開路，將在其中感應(yīng)出危險的高壓；直接短路，將在定、轉(zhuǎn)子繞組間產(chǎn)生很大的沖擊電流。圖15-5自同步法的接線圖（a）第一步接電阻異步運行；（b）接勵磁電源同步運行自同步并列的優(yōu)點是并列過程中不存在調(diào)整發(fā)電機電壓、頻率的問題，并列時間短且操作簡單，在系統(tǒng)電壓和頻率降低的情況下，仍有可能將發(fā)電機并入系統(tǒng)，容易實現(xiàn)自動化；不足是并列發(fā)電機未經(jīng)勵磁，并列時會從系統(tǒng)中吸收無功而造成系統(tǒng)電壓下降，同時產(chǎn)生很大的沖擊電流。第二節(jié)并列運行的同步發(fā)電機電磁功率與功率特性有功功率的平衡圖15-6同步發(fā)電機的功率流程

一、同步發(fā)電機的功率及轉(zhuǎn)矩T1：發(fā)電機軸上輸入的機械轉(zhuǎn)矩T0：發(fā)電機空載時軸上的輸入轉(zhuǎn)矩T：電磁轉(zhuǎn)矩上式說明，電機穩(wěn)定運行時，驅(qū)動性質(zhì)的原動機轉(zhuǎn)矩與制動性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩和空載轉(zhuǎn)矩之和平衡。P1PemP2P0=pFe+pmpcu二、隱極同步發(fā)電機的功率特性與轉(zhuǎn)矩特性（一）功率特性并聯(lián)于無窮大電網(wǎng)的同步發(fā)電機，當(dāng)電網(wǎng)電壓和頻率恒定、參數(shù)為常數(shù)、空載電勢E0不變（即If

不變）時，電磁功率和功率角之間的關(guān)系Pem=f(δ)為有功功率特性（也稱功角特性）。有功功率特性是同步發(fā)電機的基本特性之一，通過它可以研究同步發(fā)電機接在電網(wǎng)上運行時，輸出功率的情況，并進一步揭示機組的穩(wěn)定性和發(fā)電機與電動機之間的聯(lián)系與轉(zhuǎn)化。為了分析方便，假設(shè)發(fā)電機并聯(lián)于無窮大電網(wǎng)；發(fā)電機磁路不飽和；忽略電樞繞組電阻。

②轉(zhuǎn)子磁極中軸線與氣隙磁極中軸線的夾角（與的夾角）③習(xí)慣上,超前時δ取正值。功角：δ：①與的夾角根據(jù)隱極同步發(fā)電機的等效電路和相量圖知

得PemδmUE0/xs0當(dāng)功角=90度時，電磁功率達到最大值，它正比于勵磁電壓，反比于同步電抗（二）轉(zhuǎn)矩特性由于同步電機的轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速，且經(jīng)常保持不變，故電磁轉(zhuǎn)矩就和功率成正比，若略去電樞電阻，則得電磁轉(zhuǎn)矩的公式為亦即轉(zhuǎn)矩隨著

角生化的曲線將與功率隨著

角而變化的曲線相同。在用標(biāo)么值表示時由于取速度的基值為同步轉(zhuǎn)速，所以同步電機正常運行時轉(zhuǎn)速標(biāo)么值為1，轉(zhuǎn)矩和功率便有相同標(biāo)么值。三、凸極同步發(fā)電機的功率特性不飽和隱極同步發(fā)電機的特點，但凸極同步電機中，，功角特性的表示就有所不同。當(dāng)電機不飽和且忽略定子繞組電阻時，凸極同步發(fā)電機帶感性負載時的相量圖如圖15-11所示。相量圖可得于是整理可得

可見凸極機Pem由兩部分組成。隱極機的功角特性。勵磁功率與勵磁無關(guān)。它是由d，q軸磁導(dǎo)差異而產(chǎn)生的。：附加電磁功率（磁阻功率）無論凸極機、隱極機，當(dāng)功角δ=0時，Pem=0。圖15-10發(fā)電機的功率特性曲線（a）隱極同步發(fā)電機（b）凸極同步發(fā)電機由圖可見，凸極同步發(fā)電機的最大電磁功率比具有相同的E0、U及xd的隱極同步發(fā)電機略大。當(dāng)同步電機的E0愈大，附加電磁電磁功率在整個電磁功率中所占的比例就愈小，在正常情況下，附加電磁功率僅占百分之幾。無論凸極機、隱極機，當(dāng)功角δ=0時，Pem=0。無功功率的功角特性定義：

并聯(lián)于無窮大電網(wǎng)的同步發(fā)電機當(dāng)電網(wǎng)電壓和頻率恒定、參數(shù)（xd、xq、xs）為常數(shù)、空載電勢E0不變（即If

不變）時，Q=f(δ)為無功功率功角特性。4無功功率與功角關(guān)系。凸極同步發(fā)電機無功功率的功角特性隱極同步發(fā)電機無功功率的功角特性圖15-12隱極同步發(fā)電機的有功功率和無功功率特性畫出隱極同步發(fā)電機的無功功率特性如圖15-12，當(dāng)電網(wǎng)電壓和頻率恒定、參數(shù)為常數(shù)、空載電勢E0不變（即If

不變）時，無功功率Q也是功角δ的函數(shù)當(dāng)Q>0，發(fā)電機發(fā)出感性無功（吸收容性）。當(dāng)Q<0，發(fā)電機向電網(wǎng)吸收感性無功（發(fā)出容性）。第三節(jié)并列運行時有功功率的調(diào)節(jié)與靜態(tài)穩(wěn)定一、有功功率的調(diào)節(jié)功角特性Pem=f(δ)反映了同步發(fā)電機的電磁功率隨著功角變化的情況。穩(wěn)態(tài)運行時，同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速由電網(wǎng)的頻率決定，恒等于同步轉(zhuǎn)速，即發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩T和電磁功率Pem之間成正比關(guān)系：。電磁轉(zhuǎn)矩與原動機提供的動力轉(zhuǎn)矩相平衡T1=T0+T。其中T0為空載轉(zhuǎn)矩，因摩擦、風(fēng)阻等引起的阻力轉(zhuǎn)矩?？梢娨淖儼l(fā)電機輸送給電網(wǎng)的有功功率，就必須改變原動機提供的動力轉(zhuǎn)矩，這一改變可以通過調(diào)節(jié)水輪機的進水量或汽輪機的汽門來達到。假設(shè)發(fā)電機與無窮大電網(wǎng)并聯(lián)運行，所謂無窮大電網(wǎng)是指電網(wǎng)電壓U及頻率f不受外界干擾，保持不變，同步發(fā)電機并網(wǎng)之后，其電壓和頻率與電網(wǎng)保持一致，這是與無窮大電網(wǎng)并聯(lián)運行的一個特點。以隱極同步發(fā)電機為例，剛并網(wǎng)的發(fā)電機,原動機輸入的功率用來平衡各種損耗，此時δ=0，定、轉(zhuǎn)子磁極軸線重合，所以Pem=0，在功角特性的原點上。增加機械功率輸入，假設(shè)保持勵磁電流不變，P1>P0，P1-P0>0，發(fā)電機處于加速過渡過程，轉(zhuǎn)子加速，轉(zhuǎn)子磁場位置將超前合成磁場，δ＞0。隨著δ增加，P2=Pem>0增加，當(dāng)達到P1-P0=Pem時，電機加速過程結(jié)束，進入穩(wěn)定運行，機械功率轉(zhuǎn)化成電磁功率，使發(fā)電機輸出有功功率P2，發(fā)電機內(nèi)部自動改變位移角，相應(yīng)改變電磁功率和輸出功率，達到新的功率平衡。δ=0；Pem=0可見，并聯(lián)于無窮大電網(wǎng)的同步發(fā)電機要增加有功功率輸出，只有增加原動機的輸入功率，使轉(zhuǎn)子加速，功角δ增加，電磁功率和輸出功率便會相應(yīng)的增加，一直到δ=900，電磁功率達到功率最大值在功率極限范圍內(nèi)，輸入轉(zhuǎn)矩越大，有功功率輸出就越大。Pemax也稱功率極限。二、靜態(tài)穩(wěn)定并聯(lián)在電網(wǎng)上穩(wěn)定運行的同步發(fā)電機，當(dāng)受電網(wǎng)或原動機方面某些微小擾動時，如果不考慮調(diào)壓器和調(diào)速器的作用，發(fā)電機能在這種干擾消失后，繼續(xù)保持原來穩(wěn)定運行狀態(tài)，就稱發(fā)電機是“靜態(tài)穩(wěn)定”的，否則就是靜態(tài)不穩(wěn)定。而同步發(fā)電機遇到突然加負載、切除負載等正常操作時，或者發(fā)生短路、電壓突變、發(fā)電機失去勵磁電流等非常運行時，發(fā)電機能否繼續(xù)保持同步運行的問題，則屬于動態(tài)穩(wěn)定問題。當(dāng)發(fā)電機為隱極發(fā)電機時，功率特性如圖15-13，設(shè)輸入功率為P1，電磁功率為Pem，發(fā)電機要保持穩(wěn)定運行，功率一定要平衡，即忽略空載損耗，則在圖15-13中有兩個平衡點a和d點，下面分析a、d兩點的運行特性。圖15-13靜態(tài)穩(wěn)定的概念假設(shè)發(fā)電機運行在a點，若發(fā)電機受到原動機輸入的能量微小增大的瞬時擾動，發(fā)電機轉(zhuǎn)子便將加速，使轉(zhuǎn)子得到一個位移增量

，運行點由原來的

a變到

b，電磁功率也相應(yīng)地增加到Pemb，從圖中可以看到，正的功角增量產(chǎn)生正的電磁功率。而原動機的機械功率與功角無關(guān)，仍然為，從而使轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩平衡受到破壞，并且此時電磁功率大于機械功率，轉(zhuǎn)子上制動性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩增加，迫使電機減速，功角δ逐漸減小，經(jīng)過衰減振蕩后，發(fā)電機回到原來的運行a點。如果在a點受到某擾動，產(chǎn)生一個負的角度增量則電磁功率增量也為負，轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生驅(qū)動性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩，使電機加速，功角δ增加，發(fā)電機回到a點運行。由以上分析可見，在運行點a，發(fā)電機受到小擾動后能夠自動恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)，因此，a點是靜態(tài)穩(wěn)定的。若發(fā)電機運行在d點，如果發(fā)電機受到原動機輸入的能量微小增大的擾動，發(fā)電機轉(zhuǎn)子加速，功角

增加，運行點由原來的

d變到

e，顯然產(chǎn)生電磁功率減小，轉(zhuǎn)子上制動性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩減小，轉(zhuǎn)子不斷地加速而失去同步。如果發(fā)電機受到原動機輸入的能量微小減小的擾動，發(fā)電機轉(zhuǎn)子減速，功角

減小，運行點由原來的

d變到

f，顯然產(chǎn)生電磁功率增加，轉(zhuǎn)子上制動性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩增加，轉(zhuǎn)子不斷地加速，功角

不斷地減小，最后達到工作點a，因此我們說d點是靜態(tài)不穩(wěn)定點。同步發(fā)電機失去同步后，必須立即減小原動機輸入的機械功率，否則將使轉(zhuǎn)子達到極高的轉(zhuǎn)速，以致離心力過大而損壞轉(zhuǎn)子。另外，失步后，發(fā)電機的頻率和電網(wǎng)頻率不一致，定子繞組中將出現(xiàn)一個很大的電流而燒壞定子繞組。因此，保持同步是十分重要的。為了判斷同步發(fā)電機是否靜態(tài)穩(wěn)定并衡量其穩(wěn)定程度，引入比整步功率(隱機機為例)當(dāng)功角處于0到

m范圍內(nèi)時，隨著

的增大，

Pem

亦增大，同步發(fā)電機在這一區(qū)間能夠穩(wěn)定運行。而當(dāng)達到

m時，隨著（假設(shè)保持勵磁電流不變）的增大，Pem反而減小，，電磁功率無法與輸入的機械功率相平衡，發(fā)電機轉(zhuǎn)速越來越大，發(fā)電機將失去同步，故在這一區(qū)間發(fā)電機不能穩(wěn)定運行。，，發(fā)電機處于極限位置比整步功率Psyn越大，發(fā)電機靜態(tài)越穩(wěn)定，空載時，δ=0，Psyn最大，最穩(wěn)定；δ=π/2，Psyn=0，將進入不穩(wěn)定狀態(tài)；δ>π/2，Psyn<0，失去穩(wěn)定。所以同步發(fā)電機與無窮大電網(wǎng)并聯(lián)運行，短路比大的同步電機，其同步電抗小，和短路比小的同步電機比，在有功功率相同的情況下，功角要小些，故短路比大的同步電機穩(wěn)定性較好；輸出有功功率相同時，過勵狀態(tài)狀態(tài)下功角較小，故過勵狀態(tài)下穩(wěn)定性好；輕載時功角較小，故輕載時穩(wěn)定性好。綜上所述，并聯(lián)于無窮大電網(wǎng)的發(fā)電機所承擔(dān)的有功功率可以通過調(diào)節(jié)原動機輸入的機械功率來改變的。而且電機承擔(dān)的有功功率的極限是Pemax。當(dāng)0<δ<

m時發(fā)電機可以穩(wěn)定運行；δ>

m發(fā)電機不能穩(wěn)定運行。為使發(fā)電機能夠穩(wěn)定運行，應(yīng)使最大電磁功率比額定電磁功率大得多。發(fā)電機的最大電磁功率與額定電磁功率之比，稱為過載能力，用Km表示，對于隱極發(fā)電機過載能力越大，電機的穩(wěn)定性越好。對于汽輪發(fā)電機，額定情況下功角為30~400，過載能力為1.6-2.0。過載能力是表達靜態(tài)穩(wěn)定的能力，不是發(fā)電機可以過載的倍數(shù)。過載能力設(shè)計，是從提高穩(wěn)定觀點考慮的，不是從發(fā)熱觀點考慮的?？梢姡l(fā)電機的功率極限和比整步功率都正比于勵磁電勢，反比于同步電抗，所以要提高穩(wěn)定性，可以增大勵磁電流、減小同步電抗。若發(fā)電機經(jīng)變壓器及輸電線與電網(wǎng)并聯(lián)，若xT是變壓器的短路電抗，XL為輸電線路電抗，且都是折算到發(fā)電機側(cè)的數(shù)值，發(fā)電機的最大電磁功率為顯然過載能力降低了，特別是線路較長時，對穩(wěn)定運行很不利，為了提高遠距離輸電的靜態(tài)穩(wěn)定，除系統(tǒng)中采取措施外，從發(fā)電機角度來說，希望發(fā)電機有較小的同步電抗，也就是要有較大的短路比。應(yīng)當(dāng)注意，當(dāng)發(fā)電機的勵磁電流不變時，δ的變化也將無功功率的變化。感性無功功率隨著有功功率的增加而減少，甚至可能導(dǎo)致無功功率改變符號，這是應(yīng)當(dāng)避免的。因此如果只要求改變發(fā)電機所承擔(dān)的有功功率時，應(yīng)該在調(diào)節(jié)發(fā)電機有功功率的同時適當(dāng)調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流。第四節(jié)并列運行時無功功率的調(diào)節(jié)與V型曲線接在電網(wǎng)上運行的負載類型很多，多數(shù)負載除了消耗有功功率外，還要消耗感性無功功率，如接在電網(wǎng)上運行的異步電機、變壓器、電抗器等。所以電網(wǎng)除了供應(yīng)有功功率外，還要供應(yīng)大量滯后性的無功功率。電網(wǎng)所供給的絕大部份無功功率由并網(wǎng)的同步發(fā)電機共同分擔(dān)。同步發(fā)電機在向系統(tǒng)輸出有功功率的同時也向系統(tǒng)輸出感性無功功率，此時發(fā)電機的電樞反應(yīng)在直軸方向是去磁性質(zhì)，為了維持發(fā)電機端電壓不變，必須增加勵磁電流。因此無功功率的調(diào)節(jié)必須依靠勵磁電流的調(diào)節(jié)。根據(jù)發(fā)電機的功率平衡，如果保持原動機的拖動轉(zhuǎn)矩不變(即不調(diào)節(jié)原動機的汽門、油門或水門)，原動機的輸入功率不變，那么發(fā)電機輸出的有功功率亦將保持不變。以不飽和隱極同步發(fā)電機為例，假設(shè)不考慮電樞電阻，且認(rèn)為與無窮大電網(wǎng)并聯(lián)。一、假定電機未帶有功功率1、發(fā)電機未帶有功，空載電勢：電樞電流：發(fā)電機勵磁電勢等于端電壓，電樞電流為零，且不存在電樞電勢，勵磁繞組的主磁勢與合成磁勢相等，此時稱發(fā)電機正常勵磁2.若勵磁電流If↑，則Ff

↑，E0↑，但發(fā)電機端電壓仍為電網(wǎng)電壓產(chǎn)生一滯后電流，純感性磁勢Ff↑，F(xiàn)

不變，因此必產(chǎn)生一去磁性質(zhì)的磁勢Fa，使結(jié)論：發(fā)電機過勵發(fā)出感性無功功率，且勵磁電流

If越大

，I

，感性無功

。3.若勵磁電流If

，則Ff

，E0

產(chǎn)生一超前純電容性電流因此，必產(chǎn)生一助磁的磁勢，使結(jié)論：發(fā)電機欠勵發(fā)出容性無功功率，且勵磁電流

If

，I↑；Q↑。IIf0欠勵過勵正常勵磁領(lǐng)先滯后cos

=1Pem0二、當(dāng)發(fā)電機供一恒定有功時改調(diào)無功時，不改變原動機輸入，有功保持不變。即：在改變無功時，電樞電流的終點必在CD上，而勵磁電勢的終點必在AB上。CBADδ

xsA規(guī)定，當(dāng)發(fā)電機輸出一不變有功，輸出電樞電流，當(dāng)時的勵磁電流定義為正常勵磁電流，此時與同相①正常勵磁電流If0。則E0↑，設(shè)E0↑至E02,可見滯后于，過勵狀態(tài)：電樞除有功分量外，還向電網(wǎng)輸出感性無功。欠勵:E0

至E03

，超前于，發(fā)電機吸收感性無功（發(fā)出容性無功）。②若If

③若If↓<If0綜上所述，通過調(diào)節(jié)勵磁電流可以達到調(diào)節(jié)同步發(fā)電機無功功率的目的。當(dāng)從某一欠勵狀態(tài)開始增加勵磁電流時，發(fā)電機輸出超前的無功功率開始減少，電樞電流中的無功分量也開始減少。達到正常勵磁狀態(tài)時，無功功率變?yōu)榱?，電樞電流中的無功分量也變?yōu)榱?。此時，如果繼續(xù)增加勵磁電流，發(fā)電機將輸出滯后性的無功功率，電樞電流中的無功分量又開始增加。顯然當(dāng)輸出不同的功率時，勵磁電勢E0和電樞電流I的軌跡在不同的位置。U形曲線：并聯(lián)于無窮大電網(wǎng)的同步發(fā)電機，保持有功功率不變時，表示電樞電流

I

和勵磁電流If

的關(guān)系曲線I=f（If）V形曲線是一簇曲線，每一條V形曲線對應(yīng)一定的有功功率，隨著輸出有功功率增大，曲線往上抬。V形曲線上都有一個最低點，對應(yīng)cos

=1的情況。將所有的最低點連接起來，將得到與cos

=1對應(yīng)的曲線，該線左邊為欠勵狀態(tài)，功率因數(shù)超前，右邊為過勵狀態(tài)，功率因數(shù)滯后。隨勵磁電流If減小，功角

增加，當(dāng)If減小到一定值時，

=900，電機將失去穩(wěn)定。V形曲線可以利用如圖所示的電勢相量圖及發(fā)電機參數(shù)大小來計算求得，亦可直接通過負載試驗求得。*第五節(jié)同步發(fā)電機并網(wǎng)后正常運行分析

發(fā)電機并網(wǎng)后，就可向電網(wǎng)輸送電能，由于電能的發(fā)、供、用是在同一瞬間完成，因此必須保持系統(tǒng)功率的平衡，有功的不平衡會影響電網(wǎng)的頻率，無功的不平衡會影響電網(wǎng)的電壓。電力系統(tǒng)要保持穩(wěn)定運行，必須隨時保持系統(tǒng)有功、無功的平衡。所以并網(wǎng)的同步發(fā)電機，經(jīng)常要根據(jù)負載情況調(diào)整其有功功率和無功功率輸出，在調(diào)節(jié)時應(yīng)控制發(fā)電機的有功功率和無功功率、電壓和電流以及勵磁電流等參數(shù)處于允許運行的限度范圍內(nèi)。本節(jié)以隱極同步發(fā)電機為例，簡述發(fā)電機調(diào)節(jié)運行狀態(tài)時各參數(shù)變化的相互聯(lián)系。一、發(fā)電機工作狀態(tài)與有功輸出的關(guān)系有功功率的調(diào)節(jié)依靠原動機輸入功率的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)。發(fā)電機并網(wǎng)后，若維持勵磁不變，只開大汽門（或水門）即增大原動機的出力，轉(zhuǎn)子軸上的機械轉(zhuǎn)矩增大，使輸入的機械轉(zhuǎn)矩T1大于電磁轉(zhuǎn)矩T，轉(zhuǎn)子將會升速，使功角δ增大，其電磁功率也會增大，發(fā)電機就多輸出電能。在新的條件下保持得到新的平衡，這時定子電流和功率表上均有新的指示。根據(jù)同步發(fā)電機接在無窮大電網(wǎng)上的相量圖，勵磁電流不變，（即勵磁電勢E0的大小不變），則的端點軌跡是一個圓。若原動機的輸入增加，使發(fā)電機的輸出增加，由圖知功角δ增，，電樞電流增加，，功率因素角減小，如果繼續(xù)增大，功率因素角可能由滯后變?yōu)槌?。但若只開大汽門（或水門），不調(diào)節(jié)勵磁，功率因數(shù)表的指示將超前移動，甚至變?yōu)檫M相運行，這種狀態(tài)稱為欠勵磁狀態(tài)，發(fā)電機向電網(wǎng)輸送有功，同時又向電網(wǎng)吸收無功。發(fā)電機一般不允許欠勵運行，這時運行人員應(yīng)立即增加勵磁電流，使定子電流的大小和相位發(fā)生變化，發(fā)電機便可從欠勵狀態(tài)過渡到正常勵磁。繼續(xù)增大勵磁，定子電流增大，功率因數(shù)表指針移向滯后，運行在過勵狀態(tài)。一般發(fā)電機設(shè)計和運行都在過勵狀態(tài)，即發(fā)電機向電網(wǎng)輸送有功的同時，并向電網(wǎng)輸送感性無功功率。正常情況下，功率因數(shù)為0.8(滯后)，這時發(fā)電機每發(fā)出l00kW有功，同時發(fā)出700-750kVar無功。以保證系統(tǒng)對有功、無功的需求。在運行期，電站可按調(diào)度的要求，或根據(jù)實際情況發(fā)送有功和無功，讓水流充沛的電站多發(fā)有功。但多發(fā)有功的發(fā)電機要注意定子電流不得超過其允許值，同時為了運行的穩(wěn)定性，功率因數(shù)一般不得超過0.95(滯后)運行。二、發(fā)電機工作狀態(tài)與工作電壓的關(guān)系當(dāng)發(fā)電機與無限大容量電網(wǎng)并聯(lián)運行時，往往因電網(wǎng)電壓波動而導(dǎo)致發(fā)電機端電壓波動。假定原動機輸入到發(fā)電機軸上的功率不變，則發(fā)電機輸出的有功功率不變，同時勵磁電流也沒改變，因而勵磁電勢E0不變。其相量圖15-18所示，圖中線段CD正比于有功輸出，當(dāng)DC不變，則發(fā)電機有功輸出不變，圖中勵磁電勢E0不變，僅僅端電壓U改為U

，端電壓U的端點軌跡在直線上。端電壓從C降到C

，由圖可知，發(fā)電機功角變大，定子電流略增加且更加滯后，相應(yīng)的無功輸出也必然發(fā)生變化。電網(wǎng)實際運行中，允許電壓波動，比如

5%，當(dāng)電壓下降5%時，因電機鐵心磁通密度相應(yīng)降低，使鐵心溫升降低，所以允許定子電流略增，一般不超過額定值的5%。否則會因繞組銅耗增大而引起電機溫升增加；當(dāng)電壓增大5%時，發(fā)電機鐵心磁通密度增大，漏磁通增加，使轉(zhuǎn)子鐵心表面產(chǎn)生較大的附加損耗，使轉(zhuǎn)子過熱，同時定子鐵心溫升增高，結(jié)果使電機溫升增加，通常端電壓增高在5%以內(nèi)時，往往定子電流減小5%，以保證發(fā)電機維持出力不變連續(xù)運行，同時溫升在允許限度內(nèi)。第六節(jié)同步發(fā)電機的振蕩同步發(fā)電機并在無窮大電網(wǎng)上正常運行時，定子磁極和轉(zhuǎn)子磁極之間可看成有彈性的磁力線聯(lián)系。當(dāng)負載增加時，功角將增大，這相當(dāng)于把磁力線拉長；當(dāng)負載減小時，功角將減小，這相當(dāng)于磁力線縮短。當(dāng)負載突然變化時，由于轉(zhuǎn)子有慣性，轉(zhuǎn)子功角不能立即穩(wěn)定在新的數(shù)值，而是在新的穩(wěn)定值左右要經(jīng)過若干次擺動，這種現(xiàn)象稱為同步發(fā)電機的振蕩。

振蕩有兩種類型：一種是振蕩的幅度越來越小，功角的擺動逐漸衰減，最后穩(wěn)定在某一新的功角下，仍以同步轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行，稱為同步振蕩；另一種是振蕩的幅度越來越大，功角不斷增大，直至脫出穩(wěn)定范圍，使發(fā)電機失步，發(fā)電機進入異步運行，稱為非同步振蕩。一、發(fā)電機振蕩或失步時的現(xiàn)象（1）定子電流表指示超出正常值，且往復(fù)劇烈運動。這是因為各并列電勢間夾角發(fā)生了變化，出現(xiàn)了電動勢差，使發(fā)電機之間流過環(huán)流。由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的擺動，使電動勢間的夾角時大時小，力矩和功率也時大時小，因而造成環(huán)流也時大時小，故定子電流的指針就來回擺動。這個環(huán)流加上原有的負荷電流，其值可能超過正常值。（2）定子電壓表和其他母線電壓表指針指示低于正常值，且往復(fù)擺動。這是因為失步發(fā)電機與其他發(fā)電機電勢間夾角在變化，引起電壓擺動。因為電流比正常時大，壓降也大，引起電壓偏低。（3）有功負荷與無功負荷大幅度劇烈擺動。因為發(fā)電機在未失步時的振蕩過程中送出的功率時大時小，以及失步時有時送出有功，有時吸收有功的緣故。（4）轉(zhuǎn)子電壓、電流表的指針在正常值附近擺動。發(fā)電機振蕩或失步時，轉(zhuǎn)子繞組中會感應(yīng)交變電流，并隨定子電流的波動而波動，該電流疊加在原來的勵磁電流上，就使得轉(zhuǎn)子電流表指針在正常值附近擺動。