同步电机(3)同步发电机并网运行
同步发电机并网运行解读
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。
注电考试最新版教材-第52讲 同步电机(三)
28.6 同步发电机的并联运行28.6.1 同步发电机的并网条件和方法28.6.1.1 同步发电机并联运行的优点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，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，可以灵活地决定投入电网的发电机数量，提高了发电效率和供电灵活性。
③提高了供电质量，电网的容量巨大(相对于单台发电机或者个别负载可视为无穷大)，单台发电机的投入与停机，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。
电网对单台发电机来说可视为无穷大电网或无穷大汇流排。
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。
28.6.1.2无限大电网概念系统的电压和频率可以看作是不变的，相当于内阻抗等于零的恒频、恒压电源28.6.1.3 并联投入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。
并车前必须检查发电机和电网是否适合以下条件：①双方应有一致的相序；②双方应有相等的电压；③双方应有同样或者十分接近的频率和相位。
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。
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相位以确定合闸时刻。
28.6.1.4 并联投入方法自整步法：在相序一致的情况下将励磁绕组通过适当的电阻短接，再用原动机把发电机拖动到接近同步速(相差2~5％)，在没有接通励磁电流的情况下将发电机接入电网，再接通励磁并调节励磁强弱，依靠定子磁场和转子磁场之间的电磁转矩将转子拉入同步转速，并车过程即告结束。
自-三相同步发电机的并网运行
三相同步发电机的并网运行一、实验目的1、掌握三相同步发电机投入电网并联运行的条件与操作方法。
2、掌握三相同步发电机并联运行时有功功率与无功功率的调节。
二、预习要点1、三相同步发电机投入电网并联运行有那些条件?不满足这些条件将产生什么后果?如何满足这些条件？2、三相同步发电机投入电网并联运行时怎样调节有功功率和无功功率?调节过程又是怎样的？三、实验项目1、用准确同步法将三相同步发电机投入电网并联运行。
2、用自同步法将三相同步发电机投入电网并联运行。
3、三相同步发电机与电网并联运行时有功功率的调节。
４、三相同步发电机与电网并联运行时无功功率调节。
(1) 测取当输出功率等于零时三相同步发电机的Ｖ形曲线。
(2)测取当输出功率等于0.５倍额定功率时三相同步发电机的V形曲线。
四、实验方法2、屏上挂件排列顺序D52、D５3、Ｄ34-２３、用准同步法将三相同步发电机投入电网并联运行三相同步发电机与电网并联运行必须满足下列条件：（1)发电机的频率和电网频率要相同,即fⅡ=fⅠ;（2）发电机和电网电压大小、相位要相同，即E０Ⅱ=UⅠ;(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。
4、旋转灯光法（1) 按图5-４接线。
三相同步发电机GＳ选用ＤJ18,ＧS的原动机采用DＪ23校正直流测功机ＭG。
Rｓt选用R2上1８0Ω电阻,Rｆ1选用Ｒ1上18０0Ω阻值，R f2选用R3上900Ω与900Ω并联加R4上９0Ω与90Ω并联共495Ω阻值,R选用Ｒ6上9０Ω固定电阻。
开关S1选用D５2挂箱，S2选用D５3挂箱。
并把开关S1打在“关断”位置,开关Ｓ2合向固定电阻端(图示左端)。
（2)三相调压器旋钮退至零位,在电枢电源及励磁电源开关都在“关断”位置的条件下,合上电源总开关,按下“启动”按钮,调节调压器使电压升至额定电压2２0伏,可通过V１表观测。
图5-4 三相同步发电机的并联运行(３) 按他励电动机的起动步骤(校正直流测功机MG电枢串联起动电阻R st，并调至最大位置。
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。
同步发电机的并联运行
I Z I ra j I d xd j I q xq
正序阻抗的分析和测定上一章已详细讨论。
2、负序阻抗Z－ （对应反转磁场）
I
Wf
Z r jx
WD
负序磁场，相对于转子以 二倍同步速旋转，在转子 的阻尼绕组和励磁绕组中 感应二倍频率的电势和电 流。
F
a
隐极同步机：xd =xq=xs 凸极效应：直轴和交轴磁路的磁阻不同 而传递能量
专门利用凸极电磁转矩来运行的电机称为反 应式同步电机或磁阻式电机
基本分量
’
附加分量
本章小结
• 同步发电机并联运行的条件与方法 • 同步发电机的功角特性 • 同步发电机有功功率的调节 • 同步发电机无功功率的调节 • 隐极、凸极同步发电机特点 作业：P.215 10-7、8、9、10
0.8UE0 1.6 sin " Pem xs
" 230
sin 30 0 sin " 0.391 0.8 1.6
I A1
IA
IC
I C1
对称分量系统
I B1
不对称分量系统
IB
第十章 同步发电机不对称运行
后果：损耗大、局部易发热、影响供电质量、 其它用电设备性能恶化
C
•不同相序分量的电压平衡式 （隐极电机为例）
U E0 I Z
转子正转、励磁电流恒定
各相序分量的电压平衡式
U E I Z
U E I Z
0 0 0
U E I Z
E ;E 0; E 0 0 E 0
同步发电机并网运行时无功功率的调节
同步发电机并网运行时无功功率的调节一、无功功率的调节负载类型,多数负载除了消耗有功功率外,还要消耗电感性无功功率,如异步电机/变压器/电抗器等。
电网除了供给有功功率外，还要供给大量滞后性的无功功率。
电网所供应的全部无功功率一般由并网的所有发电机分担。
本节将讨论发电机所担负的无功功率的调节方法。
分析过程中，认为发电机的电压和频率将维持常数。
如果保持原动机的拖动转矩不变(即不调节原动机的汽门、油门或水门)，那么发电机输出的有功功率亦将保持不变。
P2=mUIacosj = mUE0sind /Xs= 常数Iacosj = 常数E0sind = 常数在有功功率不变时，调节发电机的励磁电流，则空载电势也随之变化。
隐极发电机的电势相量图中，Ia和E0的矢端必须落在直线AB和CD上。
①如果在某一励磁电流If0时，Ia正好与平行，此时无功功率为0,发电机输出的全部是有功功率，我们说发电机处于正常励磁状态。
②如果增加励磁电流到If1，则E0的矢端沿直线AB右移到E01，Ia的矢端将沿直线CD下移至Ia1，Ia1滞后于U，我们说发电机处于过励状态，输出功率中除了有功功率外，还有滞后性的无功功率；③如将励磁电流减少到If2，则E0的矢端沿BA左移到E02，Ia的矢端将沿DC上移到Ia2，Ia2超前于U，我们说发电机处于欠励状态，发电机输出功率中除了有功功率外，还有超前性的无功功率。
二、V形曲线通过调节励磁电流可以调节同步发电机无功功率。
励磁电流变化时，发电机的电枢电流也会发生相应的变化。
在有功功率不变时，将励磁电流If从欠励调节到过励,Ia=f(If)的曲线是一个V形。
V形曲线是一簇曲线，每条曲线对应一定的有功功率。
V形曲线上都有一个最低点，对应cosj=0的情况。
将所有的最低点连接起来，将得到与cosj =0 对应的曲线，该线左边为欠励状态，功率因数超前，右边为过励状态，功率因数滞后。
V形曲线可以利用电势相量图及发电机参数大小来计算求得，亦可直接通过负载试验求得。
电机学 三相同步发电机的并联运行实验
一、实验目的1．掌握三相同步发电机投入电网并联运行的条件与操作方法。
2．掌握三相同步发电机并联运行时有功功率与无功功率的调节方法。
二、预习要点1．同步发电机并联运行有哪些条件？如何满足这些条件？2．同步发电机并网运行时，怎样调节其有功功率和无功功率？在改变有功功率时，无功功率有无变化？3．同步发电机并网后，若原动机为直流电动机，为什么减少直流电动机的励磁电流可以增加发电机有功功率？三．实验项目1．用准确整步法将三相同步发电机投入电网并联运行。
2．三相同步发电机与电网并联运行时有功功率的调节。
3．三相同步发电机与电网并联运行时无功功率的调节。
(1)测取当输出功率时三相同步发电机的形曲线。
(2)测取当输出功率时三相同步发电机的形曲线。
四．实验设备及仪器1．MEL系列电机教学实验台主控制屏（含交流电压表、交流电流表）2．功率及功率因数表（MEL-20或含在主控制屏内）3．三相组式变压器（MEL-01）或单相变压器（在主控制屏的右下方）4．三相可调电阻900Ω（MEL-03）5．波形测试及开关板（MEL-05）6．三相可调电抗（MEL-08）五．实验方法接线说明：实验线路如图1。
图中为直流电动机，作原动机用；被试电机为三相凸极式同步电机，其额定值为：，，，；为涡流测功机。
、同步电机、由联轴器直接联接（虚线所示）。
电阻选用挂箱上的阻值为（接端，即两只串联）、电流为的可调电阻，作为直流并励电动机的起动电阻。
电阻选用挂箱上的阻值为、电流为的可调电阻，作为直流并励电动机励磁回路串接电阻。
直流电流表选用直流电机励磁电源上的励磁电流表（mA），选用直流稳压电源上的电枢电流表（A）。
同步发电机定子回路的电流表、功率表、电压表选用主控屏左侧的交流电流表、功率表、电压表。
同步指示灯为挂箱上的三组灯。
开关选用挂箱上的。
图1 同步发电机与电网并联接线图1．用准确整步法将三相同步发电机投入电网关联运行本实验采用交叉法将三相同步发电机投入电网关联运行。
第十七章同步电机并网运行_2016
A
E01 U
S
B
U
E02
16
汇流排
并联投入的准备
合闸时刻的确定 发电机与电网之间相序、电压满足条件时，合闸
u AII U mII sin II t II
U A
u AI U mI sin I t I
第十七章 同步发电机并联运行
Parallel connecting operation of synchronous generator Operation of synchronous generator with grid
1
本章教学要求
掌握同步发电机投入并联的条件和 方法； 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； 掌握有功功率的调节、稳定概念；
34
1、准确同步法
准确同步法又称为理想整步法。由于它对并车条 件逐一检查和调整，所以费时较多。 准确同步并列的优点是并列时冲击电流小，不会 引起系统电压变化。 灯光旋转和灯管熄灭属于手工操作，随着检测技 术和控制技术的不断发展，手工并网已很少，而 是广泛采用自动并网装臵。准确同步并列法按自 动化程度不同，分为手动准同步、半自动准同步 和自动准同步。
若任何一个不满足则在开关的两端，会出现差额电压，如 果闭合开关，在发电机和电网组成的回路中必然会出现瞬 态冲击电流。 发电机并网时避免产生大的电流冲击和转轴受到突然的扭 矩，从而威胁到发电机及电网的安全运行。
U BII
U AII
U CII
U A
U BI
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x jI d ad x jI
q aq
E
x jI U r I a
定子合成磁 场等效电路
S
S
Ba B0 (a)
N n1
N
n1
I
(b)
图11-14
功率角的时空意义
第六章 同步电机
§5
并网同步发电机的有功调节及静态稳定
一、分析假设
第六章 同步电机
二、发出有功功率的调节过程
PM 2.125 max 2.66 0.8 PM
kM
第六章 同步电机
§6
并网同步发电机的无功调节及V形曲线
一、调节无功功率的必要性 接到电网上的负载，除了少数电热设备外，绝大多数都是电 感性质的负载。所以，一个电力系统，除了要给负载有功功率外 ，还要给负载大量的感性无功功率。据大致估计，一个现代化的 电力系统，异步电机需要的无功功率占了电网给的总无功功率的 70％，变压器占了20％，其它设备占10％。 电网给的总无功功率，应该由电网里的全部发电机共同负担 。但是，每台发电机究竟负担多少，怎样调节一台发电机的无功 功率呢？这是本节要研究的问题。
一、并联运行的必要性(1)
电能的供应可以相互调剂，合理使用，从而更合理地利用动力 资源和发电设备。 增加供电的可靠性。一台发电机的故障，不致于造成停电事故 ，同时，也减少了备用容量。 供电的质量增加了。由于系统容量很大，一台电动机的起动、 加载、停机，对系统来说，几乎就没有影响，因此，电网的电压 和频率能保持在要求的恒定范围内。
第六章 同步电机
第六章 同步电机
第六章 同步电机
第六章 同步电机
第六章 同步电机
三、并网同步发电机的静态稳定
第六章 同步电机
第六章 同步电机
第六章 同步电机
第六章 同步电机
第六章 同步电机
第六章 同步电机
第六章 同步电机
第六章 同步电机
例题 一台凸极同步发电机，接在电网上额 定运行，运行于cos 0.8 （滞后）下，略去定子 电阻， xd 0.8，xq 0.5 试求： (1) PM (2) E0 与 PM max (3) 过载能力
第六章 同步电机
三、转矩平衡方程式
第六章 同步电机
§4
同步发电机的功角特性
一、功角特性的定义及意义
第六章 同步电机
二、功角特性公式的推导
第六章 同步电机
E 0
x jI d d x jI
q q
U
I q
I I d
图11-11 凸极同 步发电机相量图
第六章 同步电机
U2 1 1 m TM ( ) sin 2 21 xq xd
为基本电磁转矩。
为附加电磁转矩或凸极电磁转矩。
第六章 同步电机
若要求取无功功率Q＝mUIsinφ的功角特性，可用类似方法推导 出：
UE0 U 2 xd xq mU 2 xd xq Qm cos m cos 2 xd 2 xd xq 2 xd xq
X
图11-1
研究并联运行的正方向
第六章 同步电机
三、并网情况分析
第六章 同步电机
第六章 同步电机
第六章 同步电机
理想并网条件：
第六章 同步电机
§2
一、并网投入方法
同步发电机并网操作的方法
整步过程：把发电机投入到电网所进行的操作过程称为整步过程 （或称并车)，整步方法：准整步和自整步。 准整步：把发电机调整到完全合乎并联投入，然后投入电网 ，这种方法叫准整步。 自整步：首先校验发电机的相序，并按照规定的转向(和定 子旋转磁场的转向一致)把发电机拖动到接近同步速旋转， 把励磁绕组通过一限流电阻短路(不加励磁)，然后把发电机 投入电网，并立即加上励磁，依靠定、转子间形成的电磁力 矩，把转子自动地拉入同步。
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。
第六章 同步电机
二、准整步法
第六章 同步电机
第六章 同步电机
第六章 同步电机
第六章 同步电机
第六章 同步电机
§3
同步发电机的功率、转矩关系
一、功率平衡方程式
第六章 同步电机
二、关于电磁功率的初步认识
第六章 同步电机
第六章 同步电机
七、举例
第六章 同步电机
第六章 同步电机
第六章 同步电机
第六章 同步电机
第六章 同步电机
q aq
E
x jI U r I a
定子合成磁 场等效电路
S
S
Ba B0 (a)
N n1
N
n1
I
(b)
图11-14
功率角的时空意义
第六章 同步电机
总之：功率角θ实际上反映了定子合成磁场扭斜的角度，它愈大， 产生的电磁功率和电磁转矩也愈大。而形成θ角的原因是由于有交 轴电枢反应磁动势 Faq（或 Iq），所以，交轴电枢反应磁动势是产 生电磁转矩、进行机电能量转换的必要条件。
当E0、U和xd为常数时，无功功率也是功率角θ的函数
第六章 同步电机
四、功角的物理意义
1）对发电机而言，θ 角是励磁电动势超前于端电压的时间角 2）θ的空间意义，θ是主磁场与电枢等效合成磁场之间的空间角。功率角可看 作转子磁极轴线与电枢等效合成磁极轴线之间的空间角
E 0
x jI d ad x jI
第六章 同步电机
一、并网投入方法
讨论：1）进行自整步操作时要注意，发电机投入电网时，
励磁绕 组不 应开路，否则励磁绕组中将感生危险高压；励 磁绕组也不直接 短路，否则合闸时定子电流会有很大冲击。 2）自整步法主要缺点是投网时冲击电流稍大。
第六章 同步电机
二、准整步法 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
第六章 同步电机
6.3
同步发电机的并网运行
§1 §2 §3
同步发电机理想并网条件 同步发电机并网操作的方法 同步发电机的功率、转矩关系
§4
§5 §6
同步发电机的功角特性
并网同步发电机的有功调节及静态稳定 并网同步发电机的无功调节及V形曲线
第六章 同步电机
§1
同步发电机理想并网条件
三、关于功角特性的讨论
第六章 同步电机
第六章 同步电机
将凸极同步电动机的功角特性两边同除以同步机械角速度
讨论：
UE0 PM U 1 1 TM TM m sin m ( )sin 2 TM 1 xd 1 21 xq xd
2
UE0 m TM sin xd 1
第六章 同步电机
tg
* I xq U sin
U cos
1.375
54
17
E0 U cos I d xd 1.602
1 E0U 1 2 P sin U sin 2 0.8 x xd xd q
第六章 同步电机
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。 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。
第六章 同步电机
三、研究并联运行时所用的规定正方向
A
发 电 机 一 相 绕 组
I G
E 0
I S U G 电网 U S
* M
1 dPM E0U 1 2 cos U cos 2 0 x d xd xd q
* PM max 2 1.602 1 1 1 1 sin 72.2 sin 2 72.2 2.125 0.8 2 0.5 0.8
第六章 同步电机
二、分析假设
第六章 同步电机
三、发出无功功率的调节过程
第六章 同步电机
第六章 同步电机
第六章 同步电机
四、同步发电机的V形曲线
第六章 电机
五、关于有功调节需保持无功不变的分析
第六章 同步电机
六、关于有功、无功调节综合性结论
第六章 同步电机
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。 联成大电力系统后，有可能使发电厂的布局更加合理。在产煤 区，多布置一些火力发电厂，在水力资源丰富的地方，多布置一 些水力发电厂，然后，利用高压输电线对工业中心区域供电。