第十三章 同步发电机在大电网上运行

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一. 并联合闸的条件
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二. 并联运行的方法
• 整步
– 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
• 整步条件
– 相同的相序 – 相等的电压
• 电压的检验相对容易
– 相等或接近的频率
• 频率和相序检验
• 应用同步指示灯
– 灯光黑暗法 – 灯光旋转法
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电枢电阻对功角特性的影响
• 功角特性仍为正弦函数 • 坐标原点产生一个位移 • 输出功率有所减少
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P,PM
E sin Zs
2
0
0 0
U sin Zs
2


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电枢电阻对功角特性的影响
• 发电机
• 输出电功率即端点功率P，故功角特性应 取0’为原点
• 电动机
• 由电功率转变而来的机械功率即为电磁功 率PM ，故功角特性应取0’’为原点。
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j I dXd
E0


N
N
IN
j I qXq
UN
j I NXq

凸极式同步发电机相量图
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– 功角
• 角为正值
转子磁场超前合成磁场，同步电机作为发电机运行。
• 角有负值
合成磁场在前，转子磁场在后，同步电机便作为电
动机运行。
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• 【例13-2】 一台三相、50Hz、星形连 接、11kV、8750kVA凸极式水轮发电机。 当额定运行情况时的功率因数为0.8 (滞后)， 每相同步电抗x d = 17，x q = 9，电阻 可以略去不计。试求： – (1)同步电抗的标么值； – (2)该机在额定运行情况下的功率角N及 空载电势E0 ； – (3)该机的最大电磁功率 P max 、过载能 力及产生最大功率时的功率角 。
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c1 b1 a1
b2
b2
a2
(a)
c2
a2
(b)
c2
(a)灯光黑暗法；(b)灯光旋转法 三相同步发电机的整步
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– 灯光黑暗法
• 电压将不断的变化，它们的灯光便 将忽亮忽暗的闪烁 • 当两边的频率愈为接近时，灯光的 闪烁便愈为缓慢 • 灯光黑暗时合闸
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– 灯光旋转法
• 指示灯将将依次明亮或黑暗，若把 三组指示灯排列成圆形，就形成灯 光旋转现象 • 发电机应在直接连接的一组指示灯 黑暗时合闸
xs
U
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I ZS

j I XS



I
U (b)
Ir a
隐极同步发电机的等效电路和相量图
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• 输出功率表示式 2 E0U U P UI cos sin sin zs zs • 电磁功率表示式
PM UI cos I ra E0 I cos
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• 解： – (1)额定电流和额定电压
IN
UN
8750 460A 3 11 11000 6350V 3
– 同步电抗的标么值
x d* x d
IN 460 17 1.232 UN 6350
IN 460 x q* x q 9 0.654 UN 6350
– (1)不饱和的空载电势E0；
– (2)功角N ；
– (3)电磁功率PM ；
– (4)过载能力k M
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• 解：(1)求不饱和的E0。作简化相量图
• 则

E0
j I Xs


U
I 例13-1的相量图
N cos 1 0.85 31.8 sin N 1 0.85 2 0.527
U*E0* 1 2.92 P* sin N sin 41.2 0.85 xs* 2.26
• 三相总的电磁功率为
PM 0.85 353 106 300 106 300MW
• (4)求过载能力k M
kM 1 1 1 1.52 sin N sin 41.2 0.66
180°
90°

凸极式同步电机的功角特性
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– 凸极机电磁功率的特征
• 凸极机的最大电磁功率将比具有同样E0、 U及x d值的隐极机略大 • 当同步电机的E0愈大，附加电磁功率在整 个电磁功率中所占的比例愈小；在正常情 况下，附加电磁功率仅占百分之几。
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– 功角与位移角
• 漏阻抗压降一般较小，端电压U和电枢合成 电势E相差甚微， 角就可近似认为是合成 电势 E 和空载电势 E0 间的时间相角差 • 角约等于转子磁场和空气隙合成磁场之 间的空间位移角
2
P
• 定子侧
PM P pCu1 I ra
– 可以把发电机和电动机合并考虑 – 取发电机的输出电功率为正值，电动机的输 入电功率便取负值。 – 发电机： | P | < | PM | – 电动机： | P | > | PM | – 上式同样适用于发电机和电动机
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E0
I
ra
~ E0
(a)
– 原动机把同步发电机带动至接近同步 速度[相差约(2% ~ 5%)] – 不加直流激磁，将发电机接入电网 – 为了在合闸瞬间避免过电压现象，应 把激磁绕组通过适当的电阻短路 – 接入电网后，便立即加上激磁
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第二节 隐极式同步电机的功角特性
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同步发电机的功率流程
P1
Pm
PM
PFe PCu1
第十三章 同步发电机在大电网上运行
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并联运行定义：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。
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第一节 同步发电机并联运行
• 与变压器并联运行的区别
– 当变压器并联运行时，其初级电压和次级电 压都必需相等，因此绕组的阻抗将决定负载 电流的分配 – 连接至同一汇流排的发电机必须有相同的额 定电压和相同的额定频率，同步电抗的数值 并不能决定负载电流的分配
1
N N 20.7 36.9 57.6
I d * 1 sin sin 57.6 0.845 I q* 1 cos cos 57.6 0.536
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• 所以
E0* U N * cos N I d * xd *
2
E0U E sin sin zs zs
2 0
ra tg xs
1
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– 对于发电机而言，输出功率即为端点功率P – 对于电动机而言，输出功率转变为机械功率 的功率为PM – 如取发电机的P和 有正，则电动机PM和 均 应有负值 – 如把电枢电阻r a略去不计，则 =0，sin =0， Zs=Xs，端点功率和电磁功率相等
E0U P PM sin Pmax sin xs
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功角特性
• 同步电机中所产生的电磁功率称为 同步功率 • 功率PM 或P 随着功角而变化的关系 称为功角特性
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P
UE 0 P max XS
-
-
—
2
0
—
2


不稳定
稳 定
不稳定
20
隐极式同步电机略去电阻时的功角特性
cos 20.7 0.845 1.232 0.937 1.041 1.978
• 空载电势每相实际值为
1.978 6350 12560V
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• 功角特性
PM *
2 U* xd * xq * E0*U * sin sin 2 xd * 2 x d * xq *
8
9
10
• 半自动或全自动并车装置
– 取代灯光法进行整步 – 但是它们的基本功能是一致的
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• 自整步并列法
– 灯光法并车是属于准确整步法 – 当电力系统出了某种事故，急需将发 电机并入电网时，应用准确整步法就 感到太慢 – 这时可应用简单的整步手续，称为自 整步并列法或粗整步法
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• 自整步并列法过程
转矩特性
• 由于同步电机的转速为同步转速，且经常 保持不变，故转矩和功率成正比 • 略去电枢电阻，则得电磁转矩的公式为
E0U T PM sin xs p p
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• 过载能力
– 最大功率 Pmax 与PN额定功率之比称为过载能力， 用KM表示 – 隐极式同步机，在额定运行时的功角为N，则有
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• 用标么值进行计算，因为U*=1，I*=1，
E0*

2 U* sin N I* xs* 2 U* cos 2 N
1 0.527 1 2.262 1 0.852
E 0 E 0*
UN 18000 2.92 3 3 30345V 每相值
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• 基本电磁功率
• 当 =90°时达到最高值
• 附加电磁功率
• 则当 =45°时有最高值
• 总的电磁功率
• 的最高值将出现在45°~ 90°之间，具体 视两项的振幅的相对大小而定
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PM
U 2 ( Xd Xp ) sin 2 2 XdXp
P=f()
-180°
-90° 0
E0U sin Xd
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第三节 凸极式同步电机的功角特性
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I q xq U sin
I d xd E0 U cos
j Idx d
E0


jIq xq

j Id(x d –x q)
j Ix q

I
U
P PM UI cos UI cos UI q cos UI d sin
1.605 cos 0.718 2 cos 2 1 0 1.436 cos 2 1.605 cos 0.718 0


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1.605 1.6052 4 1.436 0.718 cos 2 1.4360
1.605 2.59 2.872
• 由于 cos 必须小于1，故应取正号，即
0.985 cos 0.342 2.872 70 sin 0.94 sin 2 0.643
2.92
• (2)求N
N tg 1 U* sin N I * x s* 0.527 2.26 tg 1 U* cos N 0.85 tg 1 3.3 73 N N N 73 31.8 41.2
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• (3)求PM
1.978 12 1.232 0.654 sin sin 2 1.232 2 1.232 0.654 1.605 sin 0.359 sin 2
• 令
• 即
dPM 0 d
，则有
dPM 1.605 cos 0.718 cos 2 0 d
E0U PN sin N xs E0U Pmax xs 1 kM sin N
• N愈小，过载能力KM愈大
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• 在一定的负载情况下
– 要减小N ，就必须减小同步电抗Xs ， 即，短路比大，过载能力强
– 但增大短路比，将增加电机的成本， 故过载能力不应规定得过大。汽轮发 电机的过载能力一般不小于1.5
• 结论： 无论发电机或电动机，电枢电阻的 存在，都将使最大功率的数值减小， 且使最大功率在 角的绝对值小于 90°时出现
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• 【例13-1】 QFS-300-2型汽轮发电机， SN =353MVA，IN =11320A，UN =18000V， 双星形接法，COS N =0.85(滞后)，Xs* =2.26(不饱和值)，电枢电阻可忽略不计。 此发电机并联在无穷大汇流排进行，当 运行在额定情况时，试求：
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– (2) 作相量图。令端电压为参考轴，
U N * 1.0 j0 I N * 0.8 j0.6 U N * j I N* xq* 1.0 j0.8 j0.6 0.654

1.392 j 0.523
0.523 N tg tg 1 0.376 20.7 1.392 N cos 1 0.8 36.9
凸极式同步电机略去电阻时的相量图
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• 功率的组成
E0U P PM sin xd
U 2 xd xq 2 xd xq
sin 2
基本电磁功率
• 附加电磁功率
附加电磁功率
– 与E0无关，只与电网电压U有关 – 即使E0=0，转子没有加激磁，只要U0， 0，而沿交 轴直轴的磁阻不相同（即 Xd Xq ），就会产生附加电 磁功率