第7章 同步发电机的并列运行

T1 T em T 0
T1 ——原动机输入机械转矩（驱动性质）； Tem——发电机电磁转矩（制动性质）； T0 ——发电机空载转矩（制动性质）。
二、稳态功角特性
稳态功角特性：同步发电机并入电网后，当
E0和U保持不变时，Pem=f(θ)。 1.凸极机的功角特性
Pem P2 m U I cos m U I cos( ) m U I cos cos m U I sin sin m U I q cos m U I d sin

7.2 同步发电机的稳态功角特性
一、功率平衡和转矩平衡
1. 功率平衡方程式
P1—输入机械功率 pmec —机械损耗 pFe —定子铁耗 Pem —电磁功率 p0 —空载损耗 P2 —输出电功率 pcu —定子铜耗
同步发电机功率流程
一、功率平衡和转矩平衡
P1 Pem p m ec p F e
电磁转矩Tem。当θ增大到某个值，使
T1=Tem+T0，发电机不再加速，而在此θ处稳
定运行，且Pem=P1-p0
一、有功功率的调节
结论：

调节原动机输入的机械功率，改变功角，使
输出功率改变。即P1↑ → θ↑ → P2↑

在励磁电流一定的情况下，θ=90°时，电 磁功率达到最大值，称极限功率。
二、静态稳定
二、稳态功角特性
由凸极同步发电机的 简化相量图可得：
Iq U sin xq
E 0 U co s xd
Id
二、稳态功角特性
则有：
Pem m U I q co s m U I d sin mU U sin xq m E 0U xd Pem Pem sin m U 2

二、稳态功角特性
3. 隐极机的无功功角特性
Q m U I sin

由隐极机简化相量图可知：
E 0 cos U Ix t sin
I sin E 0 co s U xt
Q
m E 0U xt
co s
mU xt
2
二、稳态功角特性
隐极机的无功功角特性
0，Q m

增加If ，E0>U，有无功电流输出，即电流 只有直轴分量而无交轴分量，θ=0°,Pem=0

一、有功功率的调节
一、有功功率的调节
一、有功功率的调节

当增加P1，则T1增加，由于T1>T0，出现剩
余转矩（T1-T0），使转子加速，转子的磁极
轴线开始超前合成等效磁极轴线，使E0超前
端电压U一个θ，P2=Pem≠0，转子将受到制动
7.1 同步发电机并列运行的条件和方法
电厂
用户 电厂
用户
电厂
图7.1 电力系统示意图
7.1 同步发电机并列运行的条件和方法

并列运行的优点：
–
提高供电的可靠性
–
–
提高供电的经济性
提高电能的质量（主要是U和f）
–
便于轮流检修
7.1 同步发电机并列运行的条件和方法

无穷大电网： 1）S→∞ 2）ZS →0 3）US = C 4）fS= C

一、准同步法
具体分析： 若波形不同，并网后在电机与电网间必要 产生一系列高次谐波环流，从而损耗增加、 温度升高、效率降低。 若均是正弦波即波形相同但频率不等，UF 与US之间便有相对运动（图示）， UF与US 的夹角将在00 ~ 3600间不断变化，导致二者 电压差忽大忽小，若频率相差越大，一方 面牵入同步难，一方面产生差频环流，在 电机内引起功率振荡。
U E0
U (E0 U ) xt
arccos
，Q 0
U
2
90 ，Q m
0
xt
二、稳态功角特性

功角θ 的双重物理意义：
E 0 和电压 U
①是电动势
间的时间相角差；
②是励磁磁势 F f 和合成磁势 F 间的空间相 角差或与之间夹角。
说明：功角不仅决定发电机并列运行时的输 出功率，而且说明转子运动的空间位置， 把电磁变化关系和机械运动紧密联系起来。
一、准同步法
判断方法：
①若 fF≠fS ，则 UF与 US之间便有相对运动， ∆UA 、 ∆UB 、 ∆UC 将同时发生时大时小的 变化，三灯将同时呈现时亮时暗的现象（若 三灯轮流亮暗，则表示发电机与电网相序不 同，应改变发电机相序）。 ②调转速n，使三灯不再闪烁，而是缓慢明暗， 表明 fF ≈ fS 。 ③调 If ， 即调 UF，使UF= US ，当三灯同熄 （相当于调UF、 US的相位），且各相灯的 两端电压为0 时并入电网。
一、准同步法

并列运行的具体要求：
① 待并发电机与系统的电压相序相同； ② 待并发电机与系统的电压波形相同；
③ 待并发电机与系统的频率相等；
④ 待并发电机与系统的电压幅值相等；
⑤ 待并发电机与系统的电压相位相同。
注意：相序一致是绝对条件，其他条件都是 相对的。
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一、准同步法
条件不满足时对电机的影响： ① 相序不同：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。 ② 电压不同：电机和电网之间有环流，定子 绕组端部受力变形。 ③ 频率不同：产生拍振电流和电压，引起电 机内功率振荡。 ④ 波形不同：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。
二、静态稳定
结论：

发电机功角特性稳定范围在θ=0°～90°


dPem/dθ ＞0 ——稳定运行
dPem/dθ ＜0 ——不稳定运行 dPem/dθ ＝0 ——稳定极限
二、静态稳定

静态过载能力kM
m kM Pem m a x PN m E 0U xt E 0U xt sin N 1 sin N
2、准同步法并列
从公式：f = pn/60 ，E0 = 4.44fN1KN1Φ0 可 知要 f , E0与电网一致，只需调 n ，If ，电动 势的相位则可通过调节发电机的瞬时速度来 调整。

判断工具：
同步指示器—由三个同步指示灯组成。其接 法有直接接法和交叉接法两种。
一、准同步法
1）直接接法：
直接接法 C B A
P1 Pem p 0
Pem P2 p C u
由于定子绕组的电阻ra一般较小，其铜耗可忽 略不计，则有：
Pem P2 m U I co s m U I co s( )
一、功率平衡和转矩平衡
2. 转矩平衡方程式
P1 Pem p0
第7章 同步发电机的并列运行


同步发电机并列运行的条件和方法 同步发电机的稳态功角特性 并列运行时有功功率的调节和静态 稳定 并列运行时无功功率的调节和V形 曲线
7.1 同步发电机并列运行的条件和方法

并列运行：将两台或更多台同步发电机分别
接在电力系统的对应母线上，或通过主变压 器、输电线接在电力系统的公共母线上，共 同向用户供电。
一、准同步法
2）交叉接法：
一、准同步法
一、准同步法
一、准同步法

判断方法：
① fF≠fS ，则三灯交替亮暗，形成灯光旋转现象； ②调转速n，使三灯旋转缓慢，表明 fF ≈ fS ； ③调If ，即调 UF，使UF= US ，当灯1熄，且两 端电压为0，灯2、3同亮度时并入电网。 故交叉接法亦称旋转灯光法。
二、稳态功角特性
图7.8 功角的物理意义 (a)相量图；(b)功角的空间示意
二、稳态功角特性
例：一台汽轮发电机并联于无穷大电网，额 定负载时功率角θ=20°，现因外线发生故 障，电网电压降为60%UN，问：为使θ角 保持在25°，应加大励磁使E0上升为原来 的多少倍？
二、稳态功角特性
例：有一台同步发电机在额定状态下运行时功 率角θ=30°。设在励磁电流保持不变的情 况下，运行情况发生了下述变化，问功率角 有何变化（定子电阻忽略不计）： （1）电网频率下降5%，电磁转矩不变；
一、准同步法
一、准同步法

所以直接接法亦称灯光熄灭法。 严格来说fF ≈ fS ， 当 fF > fS时，发电机转 速高于同步转速，电机转轴上要承受制动 性质的电磁转矩，使转速降低，直至同步 运行；当fF < fS时，发电机转速低于同步转 速，电机转轴上要承受驱动性质的电磁转 矩，使转速上升，直至同步运行。
2
co s m U 1 xq
E 0 U co s xd
sin
(

1 xd
) sin 2
Pm P 式中： em —基本电磁功率； e —附加电磁功率
二、稳态功角特性
附加电磁功率 Pe 的特点： m

与 If 无关；


θ=45°时最大，θ=90°时为0；
xd≠xq是其存在的原因。
一、准同步法
操作步骤： 冲转，调节原动机输入功率，使发电机转速 升高到额定转速； 接入发电侧和系统侧的电压表、频率表； 投励，调节发电机励磁电流的大小，使两只 电压表指示相等；调节原动机输入功率，使 两只频率表指示相等； 用旋转灯光法检查相序； 接入整步表； 继续调整发电机转速，使整步表指针顺时针 缓慢转动； 当整步表指针接近同步点时，迅速合闸； 退出整步表。
二、稳态功角特性
2. 隐极机的功角特性 由于隐极机xd = xq = xt，故只有基本电磁功 率，功角特性表达式为
Pem m E 0U xt E 0U xt sin
Pem m a x m
二、稳态功角特性
二、稳态功角特性
隐极机与凸极机的功角特性比较
隐极机θ=90°时电磁功率取得最大值；曲 线为正弦。 与隐极机比较：凸极机Pemmax略有增加； 45°<θ<90°时取得最大值；曲线为非正 弦。 00≤θ≤1800： Pem≥0 为发电机状态； 1800≤θ≤3600： Pem≤0为电动机状态；
要求：kＭ>1.7 , θN=20°~ 35°
二、静态稳定

s
并列运行的方法： ① 准同步法 ② 自同步法

图7.2 发电机和电网并列的等效电路
一、准同步法
1、准同步法并列的条件
准同步法：将发电机调整到完全符合并联条件
再进行合闸并网操作。

投入并列的原则：
避免瞬间电流冲击，稳态时无环流。

投入并列的总体条件：
要求发电机空载电动势的瞬时值与电网对应 电压的瞬时值相等。
一、准同步法
准确同步法的优点：冲击电流小； 准确同步法的缺点：较复杂。
二、自同步法

自同步法并列原理接线图
二、自同步法
并列操作步骤： ①校验发电机相序； ②励磁绕组经限流电阻短路； ③拖动转子，使其转速接近同步转速(相差2%～ 5%)，注意应与定子旋转磁场转向一致； ④合闸，同时转子上加直流励磁并调节励磁电流 强弱 ，依靠定转子磁场间所形成的电磁转矩即 可把转子拖入同步。 • 优点：简单、投入迅速； • 缺点：合闸时冲击电流较大。
一、准同步法

若 UF≠US， 则分两种情况讨论：
①相位相同但幅值不等； ②幅值相同但相位不等。
此两种情况均使二者存在电势差，仍会产生冲 击电流。 若以上条件均满足，但相序不同是决不允 许合闸的，因为仅一相符合条件，但另两相之 间巨大的电位差将产生巨大环流和机械冲击， 会严重危害电机安全。
一、准同步法
（2）电网频率下降5%，电磁功率不变；
（3）电网电压和频率各下降5%，电磁转矩不 变。
7.3 并列运行时有功功率的调节和 静态稳定
一、有功功率的调节
以隐极电机为例，略去定子电阻和磁饱 和的影响，发电机接到无穷大电网。 当发电机用准同步法并入电网后，该发电 机基本上处于空载状态： E0=U，P2=0， P1=p0，T1=T0，θ=0°，Pem=0

并联在电网上的同步发电机，在电网或原动
机发生微小扰动时，运行状态将发生变化，
当扰动消失后，发电机能回复到原来的状态
下稳定运行，就称为发电机是静态稳定的，
反之就是不稳定。
二、静态稳定

分析
二、静态稳定
二、静态稳定


a点：平衡运行，T1=Tem+T0；若小扰动使 P1↑，则T1↑，△T>0，n↑,θ↑,Pem↑, Tem↑,即 T1↑=Tem↑+T0，在a′点平衡；扰动消失后， 在a点重新平衡。a点为静态稳定点。 b点：平衡运行，T1=Tem+T0；若小扰动使 P1↑，则T1↑，△T>0，n↑,θ↑,Pem↓, Tem↓,即 T1↑=Tem↓+T0，△T>0，n↑,θ↑,Pem↓,Tem↓， 不能达到新的平衡，失步；b点为静态不稳 定点。