同步发电机的并联运行课件.ppt

1、第十五章第十五章 同步发电机同步发电机的并联运行的并联运行主讲：张建辉主讲：张建辉15 同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行教学要求：教学要求：1 1熟悉同步发电机并联合闸的条件和方法熟悉同步发电机并联合闸的条件和方法2 2掌握同步发电机并联运行的基本电磁关系、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功率及转矩平衡方程式3 3掌握有功功率和无功功率的调节掌握有功功率和无功功率的调节4 4理解理解V形曲线的物理意义形曲线的物理意义15-1 概述概述同步发电机并联运行的优点：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

2、，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15-2 并联合闸的条件和方法并联合闸的条件和方法一、条件：一、条件：并联投入时，避免产生大的电流冲击和转轴受到并联投入时，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：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：发电机频率等于电网的频率（各国电网频率大致有两种：50Hz或或60Hz，我国为我国为50Hz）2.发电机的电压幅值等于电网电压的幅值，且波形一致发电机的电压幅值等

3、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）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在合闸时，发电机的电压相角与电网电压的相角一样15-2 并联合闸的条件和方法并联合闸的条件和方法二、方法：二、方法：1、准确同步法：、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，分为暗灯法暗灯法和旋转灯光法旋转灯光法两种。(1)暗灯法：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

4、灯同时熄灭时，表示电压差?，即可并网合闸。U?U?U?0ABC15-2 并联合闸的条件和方法并联合闸的条件和方法电网UGAVASBSCSAGBGCG?U1USA231?G?SUS CGS3?UGBUS B?U2?U3UGC暗灯法接线和相量图暗灯法接线和相量图当不满足并网条件时，暗灯法所呈见现象当不满足并网条件时，暗灯法所呈见现象a.频率不等：频率不等：相灯将呈现同时暗、同时亮的交替变相灯将呈现同时暗、同时亮的交替变b.电压不等：电压不等：化现象，说明发电机与电网的频率不化现象，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同，需调节原动机转速从而改变发电机频率。机频率。f?pn60三

5、个相灯没有绝对熄灭的时候，而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。励磁电流从而改变发电机的端电压。当不满足并网条件时，暗灯法所呈见现象当不满足并网条件时，暗灯法所呈见现象c.相序不等：相序不等：三个相灯明暗呈交替变化状态，说三个相灯明暗呈交替变化状态，说d.相角不等：相角不等：明发电机与电网的相序不同，需对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。调发电机或电网的任意两根接线。三组相灯不同时熄灭，不能合闸三组相灯不同时熄灭，不能合闸并网，需微调节转速。并网，需微调节转速。15-2 并联合闸的条

6、件和方法并联合闸的条件和方法(2)(2)灯光旋转法：灯光旋转法：此方法比暗灯法容易实现此方法比暗灯法容易实现并网操作，一个相灯熄灭并网操作，一个相灯熄灭时，另两个相灯亮度一样；时，另两个相灯亮度一样；电网ASBSCS2VA31GBGCGGS3 15-2 并联合闸的条件和方法并联合闸的条件和方法调节发电机转速，使灯光旋转极其缓慢。调节发电机转速，使灯光旋转极其缓慢。当相灯当相灯1熄灭，熄灭，相灯相灯2、相灯、相灯3亮度一样时，即可合闸并网。亮度一样时，即可合闸并网。条件不满足时对电机的影响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。、电机和电网之间有环流，定子绕组端部

7、受力变形。2、产生拍振电流和电压，引起电机内功率振荡。、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、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。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、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。除的环流，危害电机安全运行。2.自同步法并网（紧急情况采用）自同步法并网（紧急情况采用）自同步法的投入步骤：自同步法的投入步骤：（1 1）校验发电机相序，把发电机拖动到接近同）校验发电机相序，把发电机拖动到接近同步转速，励磁绕组经限流电阻短路。步转速，励磁绕组

8、经限流电阻短路。（2 2）发电机投放电网，立即加直流励磁电流，）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此时靠定、转子磁场间所形成的引力就可把转子自动牵入同步。把转子自动牵入同步。缺点：合闸后有电流冲击。缺点：合闸后有电流冲击。15-3 同步电机并网运行的理论基础同步电机并网运行的理论基础无限大电网：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，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。率调节时，

9、对电网的电压和频率不会有什么影响。无限大无限大电网的特点是端电压和频率均可认为是恒定的。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。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，同步发电机就是发电机的端电压和频率与电网完全相等，同步发电机并联到电网上。并联到电网上。一、空载运行一、空载运行（忽略发电机电枢电阻忽略发电机电枢电阻）不是指不是指I=0=0，而是指，而是指有功功率或有功电流有功功率或有功电流为零为零由于由于U与与E同相位，虽然有电枢电流同相位，虽然有电枢电

10、流I的存在，但由的存在，但由0于没有有功功率输出，仍认为是空载。同步发电机在理想条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。损耗功率，即风阻摩擦等机械损耗以及铁耗等。pP?p?p?P1mFe00也就是，原动机的拖动转矩也就是，原动机的拖动转矩向电网输出功率。向电网输出功率。T1等于空载矩等于空载矩T0，发电机不，发电机不T1?T02?n?60一、空载运行（一、空载运行（U为电网电压，恒定为电网电压，恒定）?U?E0?E0?E?jIXS?U?

11、jIXS?U?B?F?f 1?B?F?f 1F?f 1F?a?B?理想情况理想情况If 增加增加If 减少减少由相量图可得：?U?E0?I?jXC空载时改变发电机的励磁电流空载时改变发电机的励磁电流1增大励磁，则增大励磁，则E0?U，电流滞后电压，电流滞后电压90电角度电角度（向电网输送感性无功，相当于吸收容性无功），（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。发电机对电网起电容器作用。02减小励磁，则减小励磁，则E0?U，电流超前电压，电流超前电压网相当于电感负载。网相当于电感负载。900电角度，电角度，发电机从电网吸收感性无功功率，此时发电机对电发电机从电网吸收感

12、性无功功率，此时发电机对电3改变发电机的励磁电流只能使电枢绕组产生落后或改变发电机的励磁电流只能使电枢绕组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、负载运行二、负载运行一个是一个是励磁电流励磁电流，另一个是原动机，另一个是原动机输出转矩输出转矩。并联到电网上的发电机，能够调节的物理量有两个：并联到电网上的发电机，能够调节的物理量有两个：调节原动机的输出转矩使之增加，T1?T0会引起转子加速，首先出现的是转子位置（以 Ff1为标志）超前气隙旋转磁密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B?的旋转速度也不能变，维持

13、恒定的同步速度。二、负载运行二、负载运行E?0jIXa代表转子位置的空代表转子位置的空间向量间向量Ff1在空载在空载时与时与B?同相位，同相位，当当TE?转子加速使得转子加速使得1增大瞬间，增大瞬间，jIXFSf1超前超前B一个角一个角度度?。?U?F?F?aF?f 1F?f 1二、负载运行二、负载运行b?f?B?Ff 1bB?sinIfIf负载情况下气隙磁密和磁动势分布曲线负载情况下气隙磁密和磁动势分布曲线1同步发电机的电磁转矩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超前于气隙磁密一个?电角度，使励磁电流i所在处的气隙磁密不为

14、零，有磁场有电流就必然产生电磁力，转子受力为：?f?b l i?B Sin?l i?f?f若转子极对数为p，则整个转子上有2p个等值励磁电流，作用在转子的总电磁转矩为T：?T?f?r?2p?B Sin l ir?2p?C?Sin?f?2.转矩平衡和功率平衡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：电磁转矩的出现，同步发电机转矩平衡式变为：T?T?T10转矩平衡等式的每项都乘以机械角速度，就变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。成功率平衡式。T?TT?P?Pp101M0同步发电机有功功率的流程图同步发电机有功功率的流程图输入输入功率功率P1输出功输出功率率P2

15、电磁功电磁功 率率PM机械损机械损耗耗pmec铁损铁损pFe附加损附加损耗耗pad定子铜定子铜损损pcupcu1P?P?p?mUIcos?mI RM2cu2?15-4 有功功率的调节和静态稳定有功功率的调节和静态稳定与电网并联运行的同步发电机，当增加原动机的与电网并联运行的同步发电机，当增加原动机的拖动转矩时，电机的电磁制动转矩随之增大，拖动转矩时，电机的电磁制动转矩随之增大，同步发同步发电机的电磁功率和输出有功功率增大。电机的电磁功率和输出有功功率增大。1.1.隐极发电机隐极发电机：若忽略电阻：若忽略电阻R，则则cos?P?P?m UICos?M2E0?jIXc?E sin?IX cos?0

16、CE?0sinI cos?XC?U?IUE0PPmSin?M?2?Xc?叫功率角同步发电机的功角特性：同步发电机的功角特性：（1）保持励磁电流）保持励磁电流if不变时，不变时，PM值与值与?角按正弦曲线变化，角按正弦曲线变化，正半波代表发电机工况。正半波代表发电机工况。PMPM一定时，改变励磁一定时，改变励磁（2）电流电流if请比较请比较if 1和和if 2的大小的大小12，if 1若若if1?if 2，则则12if90018002E U0?90 时，时，PmMmax0XC?2.凸极式发电机：凸极式发电机：P?mUIcos(?)mUIcos?M?P2?E0当忽略电枢电阻时，凸极式电磁功率亦等于

17、输出功率。当忽略电枢电阻时，凸极式电磁功率亦等于输出功率。?I?q?mU(I coscos?I sinsi)?mUIcos?mUIsin?qd?I由左图可知：由左图可知：?IUsin?qXq?I XE?Ucos?dd?0代入上式可得：代入上式可得：I?d2.凸极式发电机：凸极式发电机：mEU1210P?sin?mU(?)sin?cos?MXXdqXdX?XUEdq20?P?Pm?Sin?m USin2?M2X2X XXdcdq第一项是励磁电流在气隙磁场中产生电磁力所引第一项是励磁电流在气隙磁场中产生电磁力所引if与励磁电势与励磁电势E0成正比，称为励磁电磁功率成正比，称为励磁电磁功率。起的，起

18、的，第二项在隐极机中不存在，与第二项在隐极机中不存在，与if无关，与端电压无关，与端电压U即即合成等效磁极及交直轴磁阻的差异有关即合成等效磁极及交直轴磁阻的差异有关即Xd?Xq，称作凸极电磁功率。称作凸极电磁功率。凸凸 极极 机机 的的 功功 角角 特特 性性 曲曲 线线PX?XUEdq20?P?Pm?Sin?m USin2?M2MXXdc2XdXq09001800?调节有功功率时发电机输出无功功率的变化调节有功功率时发电机输出无功功率的变化E?0jI?XCjI?XCjI?XC?1?2U?jXI?CE0?U?jI?XC保持 If 不变?1?21、?1较大，有功功率较大，无功功率为零2、?2较小

19、，有功功率减小，无功功率增加3、?为零时，有功功率为零，无功功率最大结结论论结论结论1 1：当励磁电流：当励磁电流if为常数时，调节发电为常数时，调节发电结论结论2：并联在电网上的同步发电机，保持励磁电流：并联在电网上的同步发电机，保持励磁电流机输出的有功功率，发电机的无功功机输出的有功功率，发电机的无功功率也会改变，输出有功功率减少时，率也会改变，输出有功功率减少时，输出滞后性无功功率会增大。输出滞后性无功功率会增大。ifE0的轨迹是一个圆，电枢电流的轨迹是一个圆，电枢电流I向量向量(圆心不是圆心不是0)，把它们称为，把它们称为为常数，调节发电机输出的有功功率，电动为常数，调节发电机输出的有

20、功功率，电动势向量势向量的轨迹也是一个圆的轨迹也是一个圆同步电机的圆图。同步电机的圆图。3、同步发电机与电网并联运行时的静态稳定、同步发电机与电网并联运行时的静态稳定同步发电机输出容量的大小，不仅受到发热的限同步发电机输出容量的大小，不仅受到发热的限制，而且受到运行稳定性的限制。制，而且受到运行稳定性的限制。稳定问题包括由若干个发电厂或发电机的电力系稳定问题包括由若干个发电厂或发电机的电力系统，在正常负载调配和不正常事故中，这些电机或电统，在正常负载调配和不正常事故中，这些电机或电厂是否还能保持同步运行的问题。厂是否还能保持同步运行的问题。稳定问题又分为稳定问题又分为静态稳定静态稳定和和动态稳

21、定动态稳定两种。两种。3、同步发电机与电网并联运行时的静态稳定、同步发电机与电网并联运行时的静态稳定（1）静态稳定问题：）静态稳定问题：发电机在某一稳定运行状态，（即发电机和电网并联运行时，电压 U 和频率 f 都为恒定值，励磁电流If不变，其输入功率和输出功率都不变的运行状态）如果在电网或原动机方面，突然发生一些微小如果在电网或原动机方面，突然发生一些微小干扰，在此小干扰去掉后，发电机如能恢复到原来干扰，在此小干扰去掉后，发电机如能恢复到原来的稳定运行状态，即认为该发电机的运行是稳定的的稳定运行状态，即认为该发电机的运行是稳定的。3、同步发电机与电网并联运行时的静态稳定、同步发电机与电网并联

22、运行时的静态稳定（2）动态稳定问题：）动态稳定问题：发电机突然加负载、切除负载等正常操作运行时，或者在发生突然短路、电压突变、发电机失去励磁电流等非正常运行，以及遭受到大的或是一定数值参数变化或负载变化时，电机是否还能保持同步运行的问题。3、同步发电机与电网并联运行时的静态稳定、同步发电机与电网并联运行时的静态稳定（3）静态稳定分析：）静态稳定分析：A、隐极机隐极机UPmE0MT?sin?XC2?n?600?90若原动机拖动转矩若原动机拖动转矩1?不变，当不变，当增大一个增大一个?11时，电磁转矩时，电磁转矩T也增加一个也增加一个?T，去掉干扰后，因，去掉干扰后，因?TT1，使电机自动回到原工

23、作点（，使电机自动回到原工作点（T?T）T+稳定。稳定。1T3、同步发电机与电网并联运行时的静态稳定、同步发电机与电网并联运行时的静态稳定（3）静态稳定分析：）静态稳定分析：90?1802?不变，当不变，当增大一个增大一个?21时，电磁转矩时，电磁转矩T却减少一个却减少一个?T，去掉干扰后，因，去掉干扰后，因T1，使电机不能再回到原来的稳定工作点，使电机不能再回到原来的稳定工作点T?T 若原动机拖动转矩若原动机拖动转矩（TT?T1）。）。3、同步发电机与电网并联运行时的静态稳定、同步发电机与电网并联运行时的静态稳定（3）静态稳定分析：）静态稳定分析：UPmE0MT?sin?XCUdTmE0?c

24、os?d?XC称为整步转矩系数?角越小，稳定度越高0时，?0?90时，时，00?越接近越接近90，稳定度越，稳定度越结论：对于隐极同步发电机结论：对于隐极同步发电机?900?发电机是静态稳定的，发电机是静态稳定的，dT?0静态稳定。静态稳定。或，或，d?dT?0d?dT?0d?0?1809发电机是静态不稳定的，发电机是静态不稳定的，dT或或?0静态不稳定。静态不稳定。d?dT?90时为静态稳定极限，时为静态稳定极限，?0为稳定极限。为稳定极限。d?3、同步发电机与电网并联运行时的静态稳定、同步发电机与电网并联运行时的静态稳定（3）静态稳定分析：）静态稳定分析：B、凸极机：凸极机：凸极机与隐极机

25、相似，额定运行点一般在凸极机与隐极机相似，额定运行点一般在00?20 30电角度范围。电角度范围。C、最大转矩、最大转矩Tma（或最大电磁功率（或最大电磁功率）与额定与额定PxMmax电磁转矩电磁转矩TN（或额定电磁功率（或额定电磁功率PN）之比称为过载能）之比称为过载能力，用力，用k表示：表示：mTP1maxNmaxk?m?TPSin?NN隐极机隐极机k一般为一般为1.52左右。左右。m15-5 无功功率的调节和无功功率的调节和V形曲线形曲线电力系统，除了要供给负载电力系统，除了要供给负载有功功率有功功率以外，以外，还要供给负载大量的还要供给负载大量的无功功率无功功率，电网的总无功，电网的总

26、无功功率由电网中全部发电机共同负担。发电机在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。角都相等），并联合闸到电网上去。15-5 无功功率的调节和无功功率的调节和V形曲线形曲线当发电机输出一定的有功功率并保持不变当发电机输出一定的有功功率并保持不变:PUE0M?mXSin?cPM?P2P2?m UICcosos?=常数m、UXC均为不变量?ICcosos?常数?E0Sin?常数?E015-5 无功功率的调节和无功功率的调节和V形曲线形曲线?XjICcosos?常数?IC?常数E Sin?

27、0?滞后的电枢电流，I励磁电流就比较大，称为过励磁过励磁?E0较大，需要的?E0?I?XjIC?II cos?超前的电枢电流，I励磁电流就比较小，称为欠励磁欠励磁?E0较小，需要的E0sin?总总 结结把励磁电流调到把励磁电流调到欠励欠励状态，发电机就送出状态，发电机就送出超前（容性）超前（容性）的电流的电流把励磁电流调到把励磁电流调到过励过励状态，发电机就送出状态，发电机就送出滞后（感性）滞后（感性）的电流的电流实际负载多为异步电动机，需要电网供给实际负载多为异步电动机，需要电网供给大量感性无功功率大量感性无功功率同步发电机的同步发电机的V形曲线形曲线可以用实验方法，在保持电网电压和发电机可

28、以用实验方法，在保持电网电压和发电机输出有功功率输出有功功率 P2 不变的条件下，改变励磁电流不变的条件下，改变励磁电流 If 测出对应的定子电流测出对应的定子电流 I，并得出二者之间的关系曲，并得出二者之间的关系曲线线 I=f(If)。此曲线形状如字母此曲线形状如字母“V”，故称同步，故称同步发电机的发电机的V形曲线。形曲线。对每一个恒定的有功功率值都可以作出一条对每一个恒定的有功功率值都可以作出一条 V形曲线，功率值越大，曲线愈往上移，每条曲线的形曲线，功率值越大，曲线愈往上移，每条曲线的最低点，表示最低点，表示 cos?=1。同步发电机的同步发电机的V形曲线形曲线将各曲线最低点连接所得到的虚线都对应于将各曲线最低点连接所得到的虚线都对应于cos?=1。在此线右侧为过励区，在此线右侧为过励区，cos?为滞后。为滞后。在此线左侧为欠励区，在此线左侧为欠励区，cos?为超前。为超前。而在超前区中而在超前区中?=900 所画的虚线对应于静态所画的虚线对应于静态稳定极限。稳定极限。同步发电机的同步发电机的V形曲线形曲线I?900em?PMcos?.8cos?0?0.8?1 cosemP?PMP?PMPM?0Pem超前超前滞后滞后正正常常励励磁磁过励过励0欠励欠励If本本 章章 作作 业业154、5、19习题习题