同步发电机并网运行解读
同步发电机的并网运行
§3-1 概述
二、无限大电网
无限大电网：现代的电力系统容量很大，系统的电压和频率可以 看作是不变的，即U=常数，f＝常数， 这样的电网称为无限大电 网，所以无限大电网实际上是相当于一个内阻抗等于零的恒频、 恒压电源。
3.2 同步发电机并联投入的条件和方法
三、并联投入方法(3) 准整步法并车方法：
为判断发电机是否满足并联投入条件，常常采用同步指示器，最 简单的同步指示器由三组同步指示灯组成。同步指示器有两种接 法，一种是暗灯法，另一种叫旋转灯光法。
§3.2 同步发电机并联投入的条件和方 法
➢三、并联投入方法(4)
由于并网后的发电机运行情况要受到电力系统的制约，也就是它 的电压、频率要和电网一致而不能单独变化。因此，对发电机的 运行分析将与单机运行有所不同。
实际上，系统的容量是有限的．无限大电网只是一个相对的概 念．负载增加时，就必须增加发电量，否则，电压和频率就会下 降，只是大容量系统中，电压和频率的变动很小而已。
采用准整步法并车的判断方法：
1. 暗灯法
在并联刀闸的对应端接上三组灯泡，如图3-4所示，每一组灯 泡称为相灯，由于相灯两端电压最大可达两倍相电压，因此， 对于相电压为220伏的发电机，应用两个220伏的灯泡串联作为 一组相灯，如果发电机和电网电压较高，必须用电压互感器降 压后再接相灯，而且发电机和电网的电压互感器必须有相同的 联结组别。
3.1 概述
➢一、并联运行的必要性(2)
系统愈大，负载就愈趋均匀，不同性质的负载，相互起补偿作 用。就以地区来说，地区大，时差也大，使用照明的时间也就错 开了，负载均匀，发电机就能经常满载运行，提高了设备的利用 率，若电力系统处在尖峰负荷(短时用电量较大)，可以用增开担 负尖峰负载的发电机来解决，不使电网中发电机的负载均衡性遭 到破坏。
同步电机原理及应用技术第4章 同步发电机的并网运行
4.1 投入并联运行的条件和方法 4.2 同步发电机功率和转矩平衡方程 4.3 同步发电机的功角特性
4.4 同步发电机有功功率调节 4.5 同步发电机无功功率调节
4.1 投入并联运行的条件和方法
单台同步发电机的容量和与它并联的 电网容量相比，两者的比例对发电机性能 影响很大，单台同步发电机的运行状况发 生变化时，会导致电网的电压和频率发生 变化。一般说来，电网容量远远大于单台 发电机容量，这时发电机单机功率调节对 电网影响较小，可认为电网的电压和频率 近似保持不变。
4.4 同步发电机有功功率调节与静态稳定
为分析简便，以下都以隐极电机为例，并且不计 饱和和影响，忽略电枢电阻，视电网为“无穷大 电网”，即U和f保持恒定。
4.4.1 有功功率调节
上述分析结果表明，要增加发电机输出功率（有 功功率），就必须增加原动机输入功率，使电机 的功率角 增大。这从能量守恒角度是很容易理 解的。继续增加原动机输入功率， 角随之会进 一步增大，输出电磁功率也会进一步增加。但当 角增至90°使输出电磁功率达最大值 时，若继续 增加输入功率，则输入和输出之间的平衡关系被 破坏，电机亦无力自行维持平衡，致使电机转子 不断加速并最终失步，对电网的稳定运行构成冲 击。
4.2 同步发电机功率和转矩平衡方程
同步发电机由原动机拖动，在对称负载下稳态运行时， 由原动机输入的机械功率P1在扣除了机械损耗Pj、铁耗pFe 和附加损耗pad后，转化为电磁功率PM ，即功率平衡方程 为: P1-(pj+pFe+Pad)=PM
上式中没有考虑励磁损耗，即认为励磁功率与原动机输入
功率无关。
4.3 同步发电机的功角特性
以上，隐机电机和凸极电机的电磁功率已分别由 式（4.5）和式（4.7）表示，但它们都是以电动 势、电枢电流以及它们之间的夹角来描述的，这 在应用中并不方便。首先， 角的物理意义不直观； 其次，电枢电流和 角都是随负载变化的，它们之 间关系复杂，难以单独处理。因此，有必要推导 更便于计算、调节，也更能显示电机内部电磁关 系的实用的电磁功率表达式，这就是同步电机的 功角特性。
07第11章 同步发电机并网运行
−U SA −U SB −U SC
U GA U SC
U SA U GB ΔU3
电注意此处！
出现灯光旋转，说 明相序不对，绝对 不能并网。
9
现象：
U SB U GC ΔU2
注意此处！
z 电压大小且频率不等时，灯光
交替明暗。
并网时刻：A 相灯
z 仅电压不等时，灯光有明有暗。 光熄灭并且另两相
z 仅频率不同时，灯光交替明灭。 灯光亮度相同。
之间产生严重的功率振荡，
压频率可调节原
并且伴生较大的暂态电流。
动机的转速。
5
11.1.1 并网情况分析
（5）若仅三相电压相序不同
此时电压差为线电压，发电机绝对不能并网。
（6）若发电机输出电压波形非正弦
此时将对电网产生谐波污染，并增加发电机的谐波损耗。
11.1.2 理想并网条件
要求并网发电 机的机端开路 电压与系统电 压：
① 波形相同 ② 相序一致 ③ 频率相等 ④ 幅值相等 ⑤ 相位相同
由发电机的设计、 制造与安装保证。
由并网操作保证， 而并网操作的过程 称为整步或同期。
6
华北电力大学电气与电子工程学院电力工程系电机与电力电子教研室
1
《电机学》第11章
11.2 同步发电机并网操作的原理性方法
11.2.1 准整步法
ΔU
Z
′′
S
≈
jxS′′
US
力（3）若仅电压大小不等或仅相位不同
ΔU = UG −US = IC (zG′′ + zS′′)
IC
=
ΔU zG′′ + zS′′
≈
ΔU j(xG′′ + xS′′)
同步发电机的并网运行
同步发电机的并网运行本章概述：单机供电的缺点：①不能保证供电质量(电压和频率的稳定性)和可靠性(发生故障就得停电);②无法实现供电的灵活性和经济性。
这些缺点可以通过多机并联来改善。
通过并联可将几台电机或几个电站并成一个电网。
现代发电厂中都是把几台同步发电机并联起来接在共同的汇流排上，一个地区总是有好几个发电厂并联起来组成一个强大的电力系统(电网)。
并网运行(Parallel Operation)优点：①提高了供电的可靠性，一台电机发生故障或定期检修不会引起停电事故。
②提高了供电的经济性和灵活性。
③提高了供电质量，同步发电机并联到电网后，它的运行情况要受到电网的制约，也就是说它的电压、频率要和电网一致而不能单独变化。
17-1 并联条件及其方法一、并网条件把同步发电机并联至电网的过程称为投入并联，或称为并列、并车、整步。
在并车时必须避免产生巨大的冲击电流，以防止同步发电机受到损坏、电网遭受干扰。
并网条件：①电压有效值应相等即U=U1；②频率和相位应相等f=f1、j =j1；③双方应有一致的相序。
若以上条件中的任何一个不满足则在开关K的两端，会出现差额电压，如果闭合K，在发电机和电网组成的回路中必然会出现瞬态冲击电流。
上述条件中，除相序一致是绝对条件外，其它条件都是相对的，因为通常电机可以承受一些小的冲击电流。
二、并联方法并车的准备工作是检查并车条件和确定合闸时刻。
通常用电压表测量电网电压，并调节发电机的励磁电流使得发电机的输出电压U=U1。
再借助同步指示器检查并调整频率和以确定合闸时刻。
同步指示器法(1) 灯光明暗法(看动画）将三只灯泡直接跨接于电网与发电机的对应相之间。
并车方法为：①通过调节发电机励磁电流使得发电机的端电压等于电网电压；②电压调整好后，如果相序一致，灯光应表现为明暗交替，如果灯光不是明暗交替，则说明相序不一致，这时应调整发电机的出线相序或电网的引线相序，严格保证相序一致；③通过调节发电机的转速改变其频率，直到灯光明暗交替十分缓慢时，说明和电网频率已十分接近，等待灯光完全变暗的瞬间到来，即可合闸并车。
发电机并网的原因、方法、原理、操作方法，精心总结干货
发电机并⽹的原因、⽅法、原理、操作⽅法，精⼼总结⼲货发电机并⽹是指将发电机同步并⼊电⽹，以向电⽹输出电能。
⼀、发电机为什么要并⽹三相同步发电机是常⽤的交流发电机，但是单⼀的1台三相同步发电机对电⽹供电有明显的缺点(1)不能保证供电质量(电压和频率的稳定性)和可靠性(发⽣故障就得停电);(2)⽆法实现供电的灵活性和经济性。
这些缺点可以通过多台三相同步发电机并联来改善。
通过并联可将⼏台同步发电机或⼏个发电站并成⼀个电⽹。
现代发电⼚中都是把⼏台同步发电机并联起来接在共同的汇流排上，⼀个地区总是有好⼏个发电⼚并联起来组成⼀个强⼤的电⼒系统。
电⽹供电⽐单机供电有许多优点：(1)提⾼了供电的可靠性.1台电机发⽣故障或定期检修不会引起停电事故(2)提⾼了供电的经济性和灵活性，例如⽔电⼚与⽕电⼚并联时，在枯⽔期和旺⽔期，两种电⼚可以调配发电，使得⽔资源得到合理使⽤。
在⽤电⾼峰期和低⾕期，可以灵活地决定投⼈电⽹的发电机数量，提⾼了发电效率和供电灵活性。
(3)提⾼了供电质量，电⽹的答量巨⼤，单台发电机的投⼈与停机，个别负载的变化，对电⽹的影响甚微，衡量供电质量的电压和频率可视为恒定不变的常数。
⼆、发电机并⽹的原理发电机只有并⽹运⾏时,才能发电并把电能输送出去,供咱们千家万户使⽤.相反,不并⽹(也叫解列),发电机⽆法发电,更谈不上输送电能.不论并⽹还是解列,都是通过⼀个发电机的出⼝开关来完成的.发电机并⽹就是通过发电机出⼝开关的合闸，把发电机和电⽹(也可以认为电⽹就是好多需要⽤电的⽤户)联接起来,让电能源源不断地输送出去.发电机并⽹有三个条件:发电机的频率、电压、相位必须与电⽹的频率、电压、相位保持⼀致，才能并⽹发电。
（三个条件完全⼀样叫同期；有⼀点偏差，但是在允许的范围内叫准同期）⽽解列就我不想发电了，还是通过这个出⼝开关的分闸，把发电机与电⽹断开，这就叫解列；等我想发电的时候再同期合闸，这就叫并⽹。
发电机为什么要并⽹?答：因为断电了，发电机组运⾏发出的电就要通过电⽹接⼝，继续供电，所以要并⽹什么是发电机并⽹ ?答：发电机组都有个并机柜，这个就是把两台或者多台机组并联起来使⽤，然后和市电⽹并联，使发出的电和电⽹的电相同，这⼀过程叫做电⽹三、发电机并⽹的条件发电机并⽹是指将发电机同步并⼊电⽹，以向电⽹输出电能。
同步发电机的并网运行
同步发电机的并网运行本章概述：单机供电的缺点：①不能保证供电质量（电压和频率的稳定性）和可靠性（发生故障就得停电）；②无法实现供电的灵活性和经济性。
这些缺点可以通过多机并联来改善。
通过并联可将几台电机或几个电站并成一个电网。
现代发电厂中都是把几台同步发电机并联起来接在共同的汇流排上，一个地区总是有好几个发电厂并联起来组成一个强大的电力系统（电网）。
并网运行（Parallel Operation处点:①提高了供电的可靠性，一台电机发生故障或定期检修不会引起停电事故。
②提高了供电的经济性和灵活性。
③提高了供电质量，同步发电机并联到电网后，它的运行情况要受到电网的制约，也就是说它的电压、频率要和电网一致而不能单独变化。
17-1并联条件及其方法一、并网条件把同步发电机并联至电网的过程称为投入并联，或称为并列、并车、整步。
在并车时必须避免产生巨大的冲击电流，以防止同步发电机受到损坏、电网遭受干扰。
并网条件：①电压有效值应相等即U=U1;②频率和相位应相等f=f1、j =j1;③双方应有一致的相序。
若以上条件中的任何一个不满足则在开关K的两端，会出现差额电压, 如果闭合K,在发电机和电网组成的回路中必然会出现瞬态冲击电流。
上述条件中，除相序一致是绝对条件外，其它条件都是相对的，因为通常电机可以承受一些小的冲击电流。
二、并联方法并车的准备工作是检查并车条件和确定合闸时刻通常用电压表测量电网电压，并调节发电机的励磁电流使得发电机的输出电压再借助同步指示器检查并调整频率和以确定合闸时刻同步指示器法(1)灯光明暗法(看动画)并车方法为：①通过调节发电机励磁电流使得发电机的端电压等于电网电压；②电压调整好后，如果相序一致，灯光应表现为明暗交替，如果灯光不是明暗交替，则说明相序不一致，这时应调整发电机的出线相序或电网的引线相序，严格保证相序一致；③通过调节发电机的转速改变其频率，直到灯光明暗交替十分缓慢时, U=U1将三只灯泡直接跨接于电网与发电机的对应相之间说明和电网频率已十分接近，等待灯光完全变暗的瞬间到来，即可合闸并车。
同步发电机并网运行解读
(2) 灯光旋转法：
此方法比暗灯法容易实现并网操作，一个相 灯熄灭时，另两个相灯亮度一样；另外可根据灯 电网 光旋转方向判断频率大小。
旋转灯光法接线图
V
A S BS C S AG BG CG
2 3 1
GS 3~
条件不满足时对电机的影响
1、电机和电网之间有环流，定子绕组端部受 力变形。 2、产生拍振电流和电压，引起电机内功率振 荡。 3、电机和电网之间有高次谐波环流，增加损 耗，温度升高，效率降低。 4、电网和电机之间存在巨大的电位差而产生 无法消除的环流，危害电机安全运行。
二、方法：
1. 准确同步法：将同步发电机调整到符合并联 条件后进行并网操作，分为暗灯法和旋转灯光法 两种。 (1)暗灯法： 电网与同步发电机之间的三相并联开关两 侧接灯泡，称相灯，若三相相灯同明同暗，说 明相序正确；当三组相灯同时熄灭时，表示电 压差 U U U 0 ，即可并网合闸。
电力系统，除了要供给负载有功功率以外， 还要供给负载大量的无功功率，电网的总无功 功率由电网中全部发电机共同负担。发电机在 理想条件下（发电机与电网电压、频率、初相 角都相等），并联合闸到电网上去。
当发电机输出一定的有功功率并保持不变
UE0 PM m sin Xs
PM P2
E 01
jI1 xc t
A B C
电网
U GA
V
A S BS C S AG BG CG
U1
U SA
2 3 1
G S
U GB
U SB
U SC
GS 3~
U 2
U 3 U GC
暗灯法接线和呈现同时暗、同时亮的交替变化现象， 说明发电机与电网的频率不同，需调节原动机转速从而改 变发电机频率。 b.电压不等：三个相灯没有绝对熄灭的时候，而是在最亮 和最暗范围闪烁，需调节励磁电流从而改变发电机的端电 压。 c.相序不等：三个相灯明暗呈交替变化状态，说明发电 机与电网的相序不同,需对调发电机或电网的任意两根接 线。 d. 相角不等：三组相灯不同时熄灭，不能合闸并网，需 微调节转速。
相同步发电机的并网运行
表4-1
测 量值
计算值
序 号
输出电流I（A） 输出功率P（W）
I
IA
IB
IC
PI
PII
P2 cos
1
2
3
4
5
6
三相同步发电机与电网并网运行时无功功率的调节
（1）测取当输出功率等于零时三相同步发电机的V形曲 线。
a．按上述1、2任意一种方法把同步发电机投入电网并网 运行。
b．保持同步发电机的输出功率P2≈0。 c．先调节同步发电机励磁电流If，使If上升，发电机定子 电流随着If的增加上升到额定电流，并调节Rst保持P2≈0。 记录此点同步发电机励磁电流If、定子电流Io。 d．减小同步电机励磁电流If使定子电流I减小到最小值， 记录此点数据。 e．继续减小同步电机励磁电流，这时定子电流又将增加 直至额定电流。 f．分别在这过励和欠励情况下，读取数据9-10组记录表 4-2中。
四、实验方法及步骤
用准同步法将三相同步发电机投入电网并网运行。
工作原理：三相同步发电机与电网并网运行必 须满足以下三个条件。 （1）发电机的频率和电网频率要相同； （2）发电机和电网电压大小、相位要相同； （3）发电机和电网的相序要相同。
为了检查这些条件是否满足，可用电压表检查电 压，用灯光旋转法或整步表法检查相序和频率。
表4-2
序 三 相 电 流 I（A）
号 IA
IB
IC
I
1பைடு நூலகம்
2
3
4
5
6
7
8
9
10
励磁电流If （A）
（2）测取当输出功率等于0.5倍额定功率时的V形曲线。
a．按上述1、2任意一种方法把同步发电机投入电网 并网运行。
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T1 T T0 P 1 P M p0
同步发电机有功功率的流程图
输入 功率P1
电磁功 率Pem
输出功 率P2
机械损 耗pmec
铁损pFe 附加损 耗pad
定子铜损 pcu1
2. 自同步法：
自同步法的投入步骤为： （1）校验发电机相序把发电机拖动到接近同步
速，励磁绕组经限流电阻短路。
(2) 灯光旋转法：
此方法比暗灯法容易实现并网操作，一个相 灯熄灭时，另两个相灯亮度一样；另外可根据灯 电网 光旋转方向判断频率大小。
旋转灯光法接线图
V
A S BS C S AG BG CG
2 3 1
GS 3~
条件不满足时对电机的影响
1、电机和电网之间有环流，定子绕组端部受 力变形。 2、产生拍振电流和电压，引起电机内功率振 荡。 3、电机和电网之间有高次谐波环流，增加损 耗，温度升高，效率降低。 4、电网和电机之间存在巨大的电位差而产生 无法消除的环流，危害电机安全运行。
A B C
电网
U GA
V
A S BS C S AG BG CG
U1
U SA
2 3 1
G S
U GB
U SB
U SC
GS 3~
U 2
U 3 U GC
暗灯法接线和向量图
当不满足并网条件时，暗灯法所见的现象
a.频率不等：相灯将呈现同时暗、同时亮的交替变化现象， 说明发电机与电网的频率不同，需调节原动机转速从而改 变发电机频率。 b.电压不等：三个相灯没有绝对熄灭的时候，而是在最亮 和最暗范围闪烁，需调节励磁电流从而改变发电机的端电 压。 c.相序不等：三个相灯明暗呈交替变化状态，说明发电 机与电网的相序不同,需对调发电机或电网的任意两根接 线。 d. 相角不等：三组相灯不同时熄灭，不能合闸并网，需 微调节转速。
第十八章 同步发电机的并联运行
教学要求： 1．熟悉同步发电机并联合闸的条件和方法 2．掌握同步发电机并联运行的基本电磁关系、 功率及转矩平衡方程式 3．掌握有功功率和无功功率的调节 4．理解V形曲线的物理意义
第一节 概述
同步发电机并联运行的优点： 1.电能的供应可以互相调剂，合理使用。 2.增加供电的可靠性。 3.提高供电质量，电网的电压和频率能保持在要求的 恒定范围内。 4.系统愈大，负载就愈趋均匀，不同性质的负载，互 相起补偿作用。 5.联成大电力系统，有可能使发电厂的布局更加合理
也就是，原动机的拖动转矩 T1 等于空载矩T0 ，发电机不向 电网输0
空载时改变发电机的励磁电流 ： 1．增大励磁，则 E0 U ，电流落后电压 900 电角 度（向电网输送感性无功，相当于吸收容性无功）， 发电机对电网起电容器作用。 2．减小励磁，则 E0 U，电流领先电压 900 电角度， 发电机从电网吸收感性无功功率，此时发电机对电 网相当于电感负载。
第三节
同步电机并网运行的理论基础
无限大电网：
电网的容量相对于并联的同步发电机容量来说要大得 多，如果对并联在电网上的同步发电机进行有功功率和无 功功率调节时，对电网的电压和频率不会有什么影响。无 限大电网的特点是端电压和频率均可认为是恒定的。
同步发电机的理想条件:
并联运行通常是指同步发电机与无限大电网并联运行。 就是发电机的端电压和频率与电网完全相等，同步发电机
1．同步发电机的电磁转矩 T :
用一个等值集中的励磁电流 (每对极只有一匝)去代替实际 的励磁电流。由于基波励磁磁动势领先于气隙磁密一个 电 角度，使励磁电流i f 所在处的气隙磁密不为零 ，有磁场有电 流就必然产生电磁力，转子受力为：
f b l i f B Sin l i f
二、方法：
1. 准确同步法：将同步发电机调整到符合并联 条件后进行并网操作，分为暗灯法和旋转灯光法 两种。 (1)暗灯法： 电网与同步发电机之间的三相并联开关两 侧接灯泡，称相灯，若三相相灯同明同暗，说 明相序正确；当三组相灯同时熄灭时，表示电 压差 U U U 0 ，即可并网合闸。
（2）发电机投放电网，立即加直流励磁电流，此 时靠定、转子磁场间所形成的引力就可把转
一、空载运行：（不是指 I =0，而是指有 功功率或有功电流为零）
由于 U 与 E0同相位，虽然有电枢电流 I 的存在，但由 于没有有功功率输出，仍认为是空载。同步发电机在理想条 件下并联到电网，原动机只能供给同步发电机转动时所需的 损耗功率，即风阻摩擦等机械损耗以及铁耗等。
P 1 pm pFe P 0
3． 改变发电机的励磁电流只能使电枢绕助产生落后或
领先的纯无功电流，没有能使发电机输出有功功率。
二、负载运行：
并联到电网上的发电机，能够调节的物理量 有两个：一个是励磁电流，另一个是原动机输出 转矩。调节原动机的输出转矩使之增加，T1 T0 引起转子加速，首先出现的是转子位置（以 Ff 1 为标志）领先气隙旋转磁密 B ，由于电网频率 不会改变， E 的频率也不会变，所以气隙磁密 的旋转速度也不能变，维持恒定的同步速度。代 表转子位置的空间向量 Ff 1 在空载时与 B 同相 位，当 T1 增大瞬间，转子加速使得 Ff 1 领先 B 一个角度 。
第二节 并联合闸的条件和方法
一、条件： 并联投入时，避免产生大的电流冲击和转轴受到突然的 扭矩。并联合闸必须满足四个条件： 1.发电机频率等于电网的频率（各国电网频率大致有两种： 50Hz或60Hz，我国为50Hz） 2.发电机的电压幅值等于电网电压的幅值，且波形一致 3.发电机的电压相序与电网的电压相序相同（发电机相序决 定于原动机的转向，一般是固定的） 4.在合闸时，发电机的电压相角与电网电压的相角一样
若转子极对数为 p ，则整个转子上有个 2 p等值励磁电流，作 用在转子的总电磁转矩为 T ：
T f r 2 p B Sin l i f r 2 p C Sin
2. 转矩平衡和功率平衡：
电磁转矩的出现，同步发电机转矩平衡式变为：
T1 T T0
转矩平衡等式的每项都乘以机械角速度，就 变成功率平衡式。