同步发电机的并联运行

I 和励磁电流 If 的关系曲线 I = f（If）
P''' M
PM''
PM'
PM 0
cos 0.8
cos 0.8
（超前）
滞后
I 不稳定区域
900
cos 1
P PM"'
PM"PM'
"' M
PM"
PM'
PM 0
超前
滞后 I f
0
欠励 正常励磁
过励
E 02
jI2 xs
E 01
jI1xs U jI3xs
E0
jIxs
2
if if 2
U
0
1 2
2
I
思考：保持有功功率不变，提高励磁电流，φ、I变化规律？
2、凸极式同步发电机
PM mUI cos( ) mUI (cos cos sin sin ) mUIq cos mUId sin
Iq
U
sin
xq
Id
E0
U cos
xd
E0 jId xd jIq xq
第二篇 同步电机
第七章 同步电机的基本知识及结构 第八章 交流电机的绕组和电动势 第九章 交流绕组的磁动势 第十章 同步发电机的基本电磁关系 第十一章 同步发电机的并联运行 第十二章 同步电动机和同步调相机 第十三章 同步发电机的不对称运行 第十四章 同步发电机的三相突然短路
并网：把发电机投入到电网所进行的操作过程称为并网（并列、并车或
U BGUCS
3
U
U
AG
BS
2 1
3灯灭，1、2灯亮度相同
U CGUCS
U 2 U3
2
3
1
UUBBGS
1灯灭，2、3灯亮度相同
同步发电机的功率和转矩平衡方程式
一、功率流程图
pcua
E0 jIxa E jIx
P1
PM
P2
pmLeabharlann Baidu
p fe pad
二、功率平衡方程式
P1 ( pm p fe pad ) PM PM P2 Pcua
U Ira I
U cos Ira E cos '
mUI cos mI 2ra mE I cos '
P2
Pcua
?
PM mE I cos '
三、转矩方程式
P1 ( pm p fe pad ) PM p0 PM
T1 T0 TM
T1为原动机驱动转矩
T1
P1 1
T0为发电机空载转矩
整步)。（解列）
无穷大电网： 1）S→∞；2）US = C；3）fS= C；4）ZS →0 一、并联运行的优点
1、提高供电的可靠性； 2、提高供电的经济性； 3、提高电能的质量。
二、并联运行的条件 1、电压大小相同； 2、频率相同； 3、相序一致； 4、相位相同。
A
发
电
机 一 相
E0
U G
绕
组
X
U S 电网
三、动态稳定简介 动态稳定：同步发电机遭受大的扰动后，还能否保持同步运行问题。 举例：
1）发电机机端突然短路； 2）发电机突然失去励磁； 3）电网电压突然降低太多；
TM
d T1 a c e
b
TM
m 1
UE0 xs
sin
TM
m 1
U E0 xs
sin
0 a c d
180
无功功率的调节和V形曲线
d
过载能力：
km
TM max TN
TM
隐极发电机的过载能力
TN
m E0U
km
PM max PN
xs
m
E0U xs
sin N
1
sin N
1.5～2
0
1）隐极式汽轮发电机额定运行点 300 400；
2）凸极发电机额定运行点 200 300 ；
TM max
N
90
180
注意： 1）过载能力是表示静态稳定的程度，而不是发电机可以过载的倍数。 2）提高静态稳定的程度(过载能力)，必然要提高最大电磁功率，即减小 同步电抗xd ，但减少xd电机成本增加，所以不能过份地要求较高的过载能 力。
U AG
U BS U BG
2
3
1
2
3
1
2
3
1
三个相灯最亮
三个相灯亮度减弱
三个相灯熄灭
2.旋转灯光法
电网
As Bs Cs
2
V AG BG CG
3
1
U BGU AS
GS
U AS U CG
3~
U AS U AG
G
S
U U 3
1
G
S
G
S
U 2 U 1
U CSU AG
3
U
U BS
CG
2
1
2灯灭，1、3灯亮度相同
条件不满足时并网对电机的影响 1、电机和电网之间有电位差，形成环流，定子绕组端部受力变形，危害电 机安全运行。 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。
三、并联投入方法 1）准整步法：把发电机调整到完全条件再并联投入电网。 2）自整步法：按照定子旋转磁场的转向把发电机拖动到接近同步速，把励 磁绕组通过一灭磁电阻短路，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拉入同步。主要缺点是投网时冲击 电流稍大。
dTM d
2）凸极同步电机
dTM m [UE0 cos U 2 ( 1 1 ) cos 2 ]
d 1 xd
xq xd
TM
dTM d
dTM d
TM TM max
0
90
180
TM TM max
0
90
180
一般把dTM/dθ称为同步电机的同步转矩系数，dTM/dθ愈大，保持静态稳定 的能力愈强。
静态稳定条件：
不满足条件的并网分析
1、频率、相位相等，相序一致，发电机电压和电网电压不相等。
UG U
U S G S
Ic
U ZG ZS
j
U xG xS
Ic
2、电压、相位相等，相序一致，发电机频率和电网频率不相等。
UG U S
U U S
U G
Ic
U S U G S UG
G S
G S
Ic
3、电压相等，频率相等，发电机相序和电网相序不相等。
xq、xs）为常数、空载电势E0不变时，电机的无功功率与功率角之间的关系
（Q=f (θ)）。
Q
1）隐极同步电机
Q m UE0 cos m U 2
xs
xs
2）凸极同步电机
m(E0 U )U
mE0U
xs
xs
mU 2 0
xs
cos1 U E0
90
180
Q m UE0 cos m U 2 xd xq mU 2 xd xq cos 2
1、隐极式同步发电机
PM P2 mUI cos mUI cos mUI (cos cos sin sin )
cos U sin Ixs
sin E0 U cos Ixs
PM
mUI
U sin
Ixs
cos
mUI
E0
U cos
Ixs
sin
mUE0 xs
sin
PM
1
if if1
E03 I3 I4
jI4 xs
P''' 2
P2''
I1 I2 P2'
V形曲线的几个特点
不E稳04定区
P2 0
1、每条曲线的最低点：cosφ=1，连线向右倾斜；
2、不稳定区域边缘：θ=900，连线向右倾斜；
3、励磁电流增大时，电枢电流变化规律为先减小后增大；
4、每条曲线上的电流变化量ΔI 为无功分量。
2）凸极同步电机
TM
PM 1
mUE0 xs1
sin
TM
PM 1
m UE0 xd 1
sin
m U2 ( 1 21 xq
1 xd
)sin 2
TM
TM
TM
m
UE0 xd 1
sin
为基本电磁转矩。
TM
m
U2 21
(1 xq
1 xd
) sin
2
为附加电磁转矩或凸极电磁转矩。
三、无功功率的功角特性：并联于无穷大电网的同步发电机，参数（xd、
准整步法并网方法： 1）暗灯法； 2）灯光旋转法。
1.暗灯法
U 2
U BG
U AS
G S
U CS
U AG
U 3 U CG U BS
U1
U CG G S U3
U CS
电网 UBG
As Bs Cs
2
V AG BG CG
3
1
U AS U1 U AG
U
U
2
BS
U BG
GS 3~
U AS
G S
U CS U CG
T0
p fe pm pad 1
TM为发电机的电磁转矩
TM
PM 1
1
2n1
60
2f
p
(电弧度 / 秒)
同步发电机的功角特性
一、功率角θ的物理意义
1）空间意义； E0 jId xad
2）时间意义。
jIq xaq
气隙合成磁
E
jIx U Ira
场等效磁极
S
S
N
I
B
N
n1
n1
B0
二、有功功率的功角特性
并联于无穷大电网的同步电机，当电网电压和频率恒定、参数(xd、xq、xs) 为常数、空载电势E0 ( If )不变时，电机电磁功率与功率角间的关系(PM=f (θ))。
PM 0
E0 jIxs U
E0
jIxs
PM
U I
B N
B0
S I B B0
S
N
PM
B PM max
A
0 a
90
180
二、静态稳定 概念：电网或原动机方面偶然发生一些小的扰动，当扰动消失以后，发电 机能否回到原先的状态继续运行，这个问题称为同步发电机的静态稳定问 题。如果能回到原先的状态，发电机就是“静态稳定”的，反之，就是不 稳定的。
PM
mE0U xs
sin
常数
E0 sin 常数
P2 mUI cos 常数
I cos 常数
PM P2
E0 sin I cos
xs
E02
E 01
E 03
I4
E04
jI2 xs
jI1xs I3
U
jI3 xs
jI4 xs
I1
I2
V形曲线：并联于无穷大电网的同步发电机，保持有功功率不变，电枢电流
TM
TM
TM max
TMmax
0
90
180
0
θm
1800 θ
隐极同步发电机
静态稳定
θ角表示
0 90
静态不稳定 90 180
静态稳定极限 90
微分表示
dTM 0 d dTM 0 d dTM 0
d
凸极同步发电机
θ角表示
0 m m 180
m
微分表示
dTM 0 d dTM 0 d dTM 0
PM
m UE0 xd
sin
U2 m
2
1 ( xq
1 xd
)sin 2
PM
PM
U I
PM
m UE0 xd
sin
基本电磁功率；
PM
mU2 2
(1 xq
1 xd
) sin
2
PM
附加电磁功率。
Iq
Id
PMax
PM
思考：什么原因引起了附加电磁功率？
0
PM
900
1800
凸极原理的应用：
开关磁阻电机
3、同步电机的矩角特性 1）隐极同步电机
静态稳定分析： 1、电机在A点运行； 2、电机在B点运行。
思考：静态稳定的临界点在哪？ 静态稳定区间是什么？
TM
TM TM
A
T1 TM A TM TM A
0 a
B B B
90 b 180
同步电机稳定性与dTM 的关系： d
1）隐极同步电机
dTM m UE0 cos d 1 xs
TM
dTM d
三、发电机空载情况下无功功率的调节
1 空载正常励磁：发电机既不发有功功率，也不发无功功率。
2 过励磁：发电机发出感性无功功率。
3 欠励磁：发电机发出容性无功功率。
E0 U
E0
UjIxs
jIxs U E0
Ff 1
Ff 1
Ff 1
Fa I
I Fa
四、发电机负载情况下无功功率的调节 保持输出有功功率不变，用电动势相量图分析发电机电枢电流和励磁电 流的关系。
一、调节无功功率的必要性 电力系统的无功构成：
无功生产者
同步电机 100%
无功消费者
异步电机 变压器 其他设备
70%
20%
10%
无功调节者
无功补偿装置
思考：电网每台发电机究竟负担多少无功功率？怎样调节一台发电机发出 的无功功率呢？
二、分析前提 同步发电机并联于无穷大电网，电网电压和频率恒定、参数（xd、xq、xs） 为常数。
xd
2 xd xq
2 xd xq
Q
0
90
180
同步发电机与无限大电网并联运行时有 功功率的调节和静态稳定
分析前提：忽略饱和、电枢电阻，U=常值，f=常值, E0=常值。 一、有功功率的调节（调节原动机的拖动转矩）
1）不发出有功时： P1 pm p fe pad PM 0 2）增加原动机输入功率时： P1 pm p fe pad