同步发电机的并联运行

概述
无限大电网 无穷大电网：1）S→∞
2）ZS →0
3 ） US = C 4 ） fS = C
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，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。
T1 T0
2 n 60
空载时改变发电机的励磁电流 ： 1．增大励磁，则 E0 U ，电流落后电压 900 电角 度（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。 2．减小励磁，则 E0 U，电流领先电压 900 电角度， 发电机从电网吸收感性无功功率，此时发电机对电 网相当于电感负载。
T1 T T0 P 1 P M p0
同步发电机有功功率的流程图
P1 pmec
图6-44
pFe
功率流程图
Pem pad
P2
Pem P1 ( Pmec PFe Pad ) P1 P0 P2 Pem Pcu1 Pem
三、 有功功率的调节和静态稳定
U

Id
I
UE0 mU2 1 1 Pem m sin ( ) sin 2 Xd 2 Xq Xd
第一项是励磁电流在气隙磁场中产生电磁力所引起 的， E0 与励磁电势 If 成正比，称为励磁电磁功率 （基本电磁功率）。 第二项在隐极机中不存在，与 If无关，与端电压 U即 合成等效磁极及纵横轴磁阻的差异有关即 X d X q ， 称作凸极电磁功率（附加电磁功率）。
6.4 同步发电机的并联运行
Parallel connection operation of synchronous generator
教学要求
1．熟悉同步发电机并联合闸的条件和方法 2．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 3．掌握有功功率和无功功率的调节 4．理解V形曲线的物理意义
两种电机功角特性的区别 隐极 1) P em sin
2) 90 Pem Pem max
0
3) 1800 Pem 0
凸极 :1) Pem与 sin 不成正比 2) 900 Pem Pem max 3) 1800 Pem 0 4) Pem附加 0
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，电机的电磁功
率和输出有功功率增大。
1.隐极发电机：若忽略电阻Ra
Pem P2 m UI cos E0 sin X t I cos UE0 Pem P2 m sin Xt
E 0
6.4.3 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。 稳定问题又分为静态稳定和动态稳定两种。
（ 1 ）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



条件不满足时对电机的影响
1、电机和电网间有环流，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。
方法：
1. 准确同步法：
凸极机的功角特性曲线
Pem
0
900
1800

结论1：
励磁电流 If 为常数，调节发电机输出有功功率，无
功功率会改变，输出有功功率减少时，输出落后性 无功功率会增大。 结论 2 ：电网上的同步发电机，保持 If 为常数，调节
发电机输出有功功率，电动势向量
步电机的圆图。
的轨迹是一个圆， E
. 0
电枢电流向量的轨迹也是一个圆 ( 圆心不是 0) ，称同
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
根据灯光旋转方向判断频率大小。
准确同步法（灯光法）又称理想整步法，合
闸时无明显的冲击电流；对并车条件逐一检查
和调整，操作复杂，费时较多。
(2) 自同步法 当电网出现故障，一般要求迅速将发 电机投入，因电网电压和频率出现不稳 定，准确同步法很难操作，往往用自同
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。
（2）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。
励磁绕组必须通过一限流电阻短接， 因为直接开路，将在其中感应出危险的高 压；直接短路，将在定、转子绕组间产生 很大的冲击电流。
③ 自同步法的优点 操作简单，方便快捷； ④ 自同步法的缺点
合闸时有冲击电流。
6.4.2
同步电机并网运行的理论基础
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.
5、比整步功率（整步功率系数）Psyn： 隐极机：Psyn=dPem/d=mE0Ucos/Xt 凸极机：Psyn=mE0Ucos/Xd+mU2*(1/Xq-1/Xd)cos2
6、比整步转矩（整步转矩系数）Tsyn 隐极机：Tsyn=mE0Ucos/(Xt) 凸极机：
Tsyn=mE0Ucos/(Xd)+mU2/ *(1/Xq-1/Xd)cos2
f1
B
1．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领先 于气隙磁密一个 电角度，使励磁电流if所在处的 气隙磁密不为零 ，有磁场有电流就必然产生电磁力， 转子受力为：
f b l i f B Sin l i f
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。

X jI t
U

I
同步发电机的功角特性
（1）保持励磁电流If不变时，Pem 值与 角
按正弦曲线变化，正半波代表发电机工况。
请比较if 1 和 if 2 的大小
（2） Pem一定时，改变励
磁电流 ，若 I f 1 I f 2 ， 则θ1＜θ2 .
Pem

0
900
1800
2. 凸极式发电机
一、空载运行
（不是I=0，而是有功功率或有功电流为零）
U与
.
E 同相位，有电枢电流，但无有功功率输出，仍
0
.
认为是空载。在理想条件下并联到电网，原动机只供给发电 机转动所需的损耗功率，即风阻摩擦、机械损耗及铁耗等。
P 1 pm pFe P 0
也就是，原动机的拖动转矩 T1 等于空载矩T0 ，发电机不向 电网输出功率。
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
2． 静Βιβλιοθήκη Baidu稳定分析
(1) 隐极机
Pem
静态稳定判据： dPem/d0
0
900
1800
(2) 凸极机
Pem
0
900
1800

3、同步发电机的极限功率Pemmax
m ：最大电磁功率的功角。
凸极电机m=45～900；隐极机m=900
隐极机： =m=900时，Pem=Pemmax 凸极机：令dPem/d=0，求得=m ，Pem=Pemmax 分析： =0~m:增大→ Pem增大→ =m时Pem=Pemmax ，能稳定运行。 >m:增大→ Pem减小，发电机将失去同步，不能稳定运行。
将同步发电机调整到符合并联条件后进行并
网操作，分为暗灯法和旋转灯光法两种。
(1)暗灯法（直接接法）： 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；当三组相灯同时熄灭时，表示电 压差 U U U 0 ，即可并网合闸。 A B C
若转子极对数为P，则整个转子上有个 2P等值励 磁电流，作用在转子的总电磁转矩为 T ：
T f r 2 p BS in l i r f p2 C S in

2. 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：
T1 T T0
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。
(2) 灯光旋转法：
（交叉接法） 此方法比暗灯 法容易实现并网
电网
操作，一个相灯
熄灭时，另两个 相灯亮度一样； 另外可根据灯光 旋转方向判断频
V
A S BS C S AG BG CG
2 3 1
率大小。
GS 3~
旋转法并车方法 A、通过调节发电机励磁电流的大小使得端电压与 电网电压相等； B、电压调整好后，如相序一致，灯光旋转，否则 说明相序不一致，应调整发电机出线相序或电网引 线相序，保证相序一致； C、调节发电机的转速改变频率，直到灯光旋转十 分缓慢，频率f2f1，灯I完全熄灭，另两组灯等亮 度时迅速合闸并车。并联后最终由自整步作用牵入 同步运行。
步法实现并联运行。
①自同步法操作过程
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转
速(相差小于2~5％)，在没有接通励磁电流的情况
下合闸将发电机接入电网，并立即加入励磁，依
靠定子磁场和转子磁场之间形成的引力（电磁转
矩）将转子拉入同步转速，并车过程即告结束。
②注意事项
5.联成大电力系统，有可能使发电厂的布局更 加合理。
同步发电机的并联运行
通常是指同步发电机与无限大电网并 联运行。
6.4.1 投入并联的条件和方 法
方法 条件： 1.电压大小相位(波形)相同 1.准确同步法 2.自同步法 2.频率相同 3.电压幅值相同 4.电压相位相同 5.相序相同(相序一致是绝对 条件)
忽略电枢电阻电磁功率等于输出功率。 E0
jI d xd
U Iq sin Xq
E 0 U cos Id Xd
I cos I cos( ) I q cos I d sin
jI q xq
Pem P2 m UI cos UE0 m U2 1 1 m sin ( ) sin 2 I q Xd 2 Xq Xd
3． 改变发电机的励磁电流只能使电枢绕助产生落后或
领先的纯无功电流，没有能使发电机输出有功功率。
二、负载运行
并联到电网上的发电机，能够调节的物理量有两个： 励磁电流；原动机输出转矩。 原动机的输出转矩增加，T1 T0 转子加速，首先出现的是 转子位置（以 Ff 1为标志）领先气隙旋转磁密 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 的旋转速度也不能变，维持恒定的同步速度。代表转子位 置的空间向量 Ff 1 在空载时与 B 同相位，当 T1 增大 瞬间，转子加速使得 F 领先 一个角度 。
发电机失去同步后，必须立即减小原动机输入的机 械功率，否则将使转子达到极高的转速，以致离心 力过大而损坏转子。另失步后，发电机的频率和电 网频率不一致，定子绕组中将出现一个很大的电流 而烧坏定子绕组。因此保持同步十分重要。
4、过载能力
发电机输出的最大功率与额定功率的比值为同过载 能力。 kM=Pemmax/PN 隐极机：不计Ra PNPemN 则kM=Pemmax/PN=1/sinN