三相同步发电机并网运行实验

三相同步发电机并网运行

一. 实验目的

1. 学习三相同步发电机投入并网运行的方法。

2. 测试三相同步发电机并网运行条件不满足时的冲击电流。

3. 研究三相同步发电机并网运行时的静态稳定性。

4. 测试三相同步发电机突然短路时的短路电流。 二. 实验原理

1. 同步发电机的并网运行

把同步发电机并联至电网的手续称为整步亦称为并列或并车。在并车的时候必须避免产生巨大的冲击电流，以防止同步电机损坏，避免电力系统受到严重的干扰。双方应有相同的相序，相同的电压，相同的或接近相同的频率，相同的电压初相位。 2. 同步发电机的静态稳定性

所谓同步发电机的静态稳定性是指发电机在某个运行下，突然受到任意的小干扰后，能恢复到原来的运行状态的能力。同步发电机在并网运行中受到较小的扰动后，若能自动保持同步运行，则该机就具有静态稳定的能力。

发电机输出的电磁功率与功角的关系为：δδsin sin max

0P

X

E P

s

E

U =

=

发电机的功角特性曲线如图所示

假定在某一正常运行情况下，发动机向无限大系统输送的功率为P 0,由于忽略了发动机内部损耗及机组的摩擦、风阻等损耗假定在某一正常运行情况下，，风阻等损耗，P0即等于原动机输出的机械功率Pr .。由图可见，当输送P0时 有两个运行点a 和b 。考虑到系统经常不断受到各种小的扰动，从下面的分析可以看到，只有a 点是能保持静态稳定的实际运行点，而b 点是不可能维持稳定运行的。

先分析a 点的运行情况。如果系统中楚湘某种顺势的微小扰动，使功角增加了一个微小增量 ，则发呆年技术处的电磁功率达到与图中a ’相对应的值。这是，由于原

动机的机械功率Pr 保持不，仍为Po ’因此，发电机输出的电磁功率大于原动机的机械功率。即转子过剩转矩为负值，因而，由转子运动方程可知，发电机转子将减速，由于在运动过程中存在阻尼作用，经过一洗了微小振荡后运行点又回到a 点。同样，如果小扰动使功角减小了 ，则发电机输出的电磁功率为点 的对应值，这时输出的功率小于输入的机械功率，转子过剩转矩为正，转子将加速，同样经过一系列振荡后又回到了运行点a 。由上可见，在运行带你a ，当系统受到小扰动后能够自动恢复到原先的平衡状态，因此时静态稳定的。

B 点的情况完全不同，如果小扰动使功角有个增量 ，则发电机输出的电磁功率将减少到与b ’点对应的值，小于机械功率。过剩的转矩为正，功角将进一步增大。而功角增大时，与之相应的电磁功率又将进一步减小。这样继续下去，功角不断增大，运行点不再返回到b 点， 的不断增大标志着发电机与无限大系统失去同步，系统中电流·电压和功率的大幅度的波动，系统无法正常运行。故b 点是不稳定的，即发电机没有能力维持在b 点运行。

由上面的分析可知，发电机能否保持同步运行的能力，决定于发电机离开同步速度时，由于 的变化所引起的电磁功率增量对转子的作用。当外界扰动造成发电机的功角增大时，电磁功率增量大于零，功角减小时，电磁功率增量小于零。这样，一旦扰动消失，发电机就恢复同步运行。所以，凡处于功角特性曲线上升部分的工作点，都是静态稳定的，下降部分的工作点是静态不稳定的。或者说功角特性曲线上功角和电磁功率同时增大。或者同时减少的那部分是静态稳定的。

静态稳定的条件用数学表达为

0>δ

d dP

M

，我们称δ

d dP M 为比整补功率，又称为

整补功率系数，其大小可以说明发电机维护同步运行的能力，即说明静态稳定的程度，用

P

ss

表示：

δδ

cos 0

x

E dp

P

s

m

ss

U d =

=

δ角越小，P ss 数值越大，发电机越稳定。由δ

d dP E 和P E 可知，当δ小于90°

时，

δ

d dP

E

为正值，在这个范围内发电机的运行是稳定的，但当δ愈接近90°，其值

愈小，稳定的程度愈低。当δ等于90°时，是稳定和不稳定的分界点，称为静态稳定极限。

P

em

与

P

en

之比称为静态过载能力

K

m

，即

δ

δsin 1

sin /00=

==

X

E X

E P

P K d

d

en

em m

U U 一般要求

K

m

> 1.7，也可以说发电机带额定有功负载运行时静态稳定储备有功在

70%以上，因此额定功角

δ

N

一般应该是30°左右

3. 同步发电机的突然短路

如图为一恒定电势源供电的简单三相电路

短路前电路处于稳态，每相的电阻和电感分别为R R '+和L L '+。由于电路对称，只

写出一相的电势和电流如下： { ()()

?αωαω'-+=+=

t i t e I E m

m sin sin 式（1）

式中，

()()

L L R R E

I m

m '+'++=

2

2

2

ω为短路前电流幅值；

()

()

R R L L '+'+='ω?arctan 为短路前电路的阻抗角；α为电源电势的初始相角，亦称为合闸角。

假定短路在0=t 时刻发生，短路后左侧电路仍然是对称的，因此可以只研究其中的一相，例如a 相，a 相的微分方程式如下：

()αω+=+t dt

di

L

Ri E m sin 式（2） 方程（2）的解就是短路的全电流，它由两部分组成：第一部分是方程的特解，它代表短路电流的周期分量；地二部分是方程（2）的齐次方程的通解，它代表短路电流的自由分量。

短路电流的强制分量与外加电源电势有相同的变化规律，也是幅值恒定的正弦电流，称之为周期分量，记为

i

p

，用下式表示：

()?αω-+=

t I

i

pm

p

sin 式（3）

短路电流的自由分量与外加电源无关，它是指数规律衰减的直流，记为

e e i T C C a

t pt ap /-== 式（4）

式中： L R p -

= R

L

p T a =-=1为非周期分量电流衰减的时间常数，C 为由初始条件决定的积分常数，即非周期分量电流的初始值i

ap 0

。

这样，短路的全电流就表示为： ()e i i T C t i a

t pm p /sin -+-++=

?αω 式（5）

根据电路的开闭定律，电感中的电流不能突变，短路前瞬间的电流[]i

0应等于短路发生后瞬间的电流

i

。将0=t 分别代入短路前和短路后的算式（1）和（5）可得

()()C I I

pm m

+-='-?α?αsin sin

因此 ()()?α?α-'-=

=

sin sin 0

I I

i

pm m

ap C 式（6）

将此式代入（5）式，便得短路全电流

()()()[]

e I I

I T t i a

t pm m

pm /sin sin sin ---'-+

-+=?α?α?αω 式（7） 式（7）是a 相短路电流的算式。如果用α-120°和α+120°分别代替式中的α，就可

以得到b 相和c 相的短路电流算式。

短路电流各分量之间的关系也可以用向量图表示，如下图所示。

图中旋转向量

E

m

、

I

m

和

I

pm

在静止的是轴t 上的投影分别代表电源电势、短路前电

流和短路后周期电流的瞬时值。图中所示的是0=t 的情况。此时，短路前电流向量I

m

在

时间轴上的投影为

()?α-sin I

m

=[]i 0；短路后周期电流向量I

pm

的投影为

()i I

p pm

0sin =-?α。一般情况下，[]i I p 00≠。为了保持电感中的电流在短路前后瞬间不

发生突变，电路中必须产生一个非周期自由电流，它的初相角为[]i 0和

i

p 0

之差。

4.冲击电流

短路电流最大可能的瞬时值称为冲击电流，以

i

im

表示。短路冲击电流主要用来检验电

气设备的电动力稳定度。

当电路的参数已知时，短路电流周期分量的幅值是一定的，而短路电流的非周期分量则按指数规律单调衰减，因此，非周期分量的初值越大，暂态过程中短路全电流的最大瞬时值就越大。使非周期电流有最大初值的条件应为：

（1） 向量差

I I

pm

m

-有最大可能值；（2）向量差

I I

pm

m

-在0=t 时与时间轴平行。

由此可见，非周期电流的初始值既同短路前和短路后的情况有关，又同短路发生时刻

（或合闸角α）有关。一般电力系统中，由于短路回路的感抗比阻值大得多，即R L >>ω，故可以近似认为90≈?°，于是，非周期电流有最大初始值的条件是：短路前电路处于空

载状态（即

0=I

m

）

，并且短路发生时电源电势刚好过零值（即合闸角α=0）。

将这些条件代入式（6）可知，非周期电流的最大值I

i

pm

ap =

。将

0=I

m

，90≈?°

和α=0代入式（7）可得

e I I T t i a t pm pm /

cos -+-=ω 式（8）

短路电流的最大瞬时值在短路发生后约半个周期时出现。Hz f 50=时，这个时间约为0.01秒，将其代入式（8），可得短路冲击电流

(

)I k I

e

e I I i pm im pm

pm pm im T T a

a =+=+=--/01.0/

01.01 式（9）

e

k T a im /

01.01-+=称为冲击系数，它表示冲击电流周期分量幅值的多少倍。当时间常

数

T

a

有零变到无穷大时，

k

im

的取值范围为21≤≤

k

im

。在短路电流的实用计算中，当

短路发生在发电机电压母线时，去

k

im

=1.9；当短路发生在发电厂高压母线侧时，取

k

im

=1.85；在其他短路时，取

k

im

=1.8。

三. 实验内容和实验方法及其数据分析

a. 按照图示线路接线；

b.在短路器断开的情况下，测出电网和发电机的电压波形，找到并联条件满足的

点，确定并网的时间，进行并网实验，测试并网时的冲击电流。

在设置条件下，在大约0.9s时重合的比较好，因而选择在此时并网。

冲击电流的最大值时340。分析：由于在选取并网时间时，发电机满足与电网并联的条件有相同的相序；有相同的电压幅值；有相同或接近相同的频率；有相同的电压初相位。所以电流的冲击较小，仅有340A。

c.调整发电机的运行条件，分别在初相位不同时和电压幅值不同时，进行并网实

验测试并网时的冲击电流；

①初相不同时

并网时间为0.493，冲击电流为1.888*104A 。分析：发电机的相位与电网的相位差很大，所以产生的冲击电流很大。当相位不同时，会由于相差产生压差，从而产生冲击电流，相差达180°时电压差和冲击电流有最大值。

② 电压幅值不同时

如上图所示，选择在2.93并网。分析：发电机的相位与电网的幅值不同，所以产生的冲击电流较大。达到5.31e4A。

d.对并网运行发电机运行有功功率和无功功率的调整，测试功角随之变化过程。

e.自拟方案，测出发电机失步后的各物理量变化过程。

f.断开并网开关，设置发电机三相突然短路故障，分别测试最大短路电流和最小

短路电流。