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1、第五篇 同步机,第23章 同步发电机的并网运行（简称并行、并联、运行）23.1 并行的条件和方法23.2 功角特性23.3 有功调节和静态稳定23.4 无功调节,23.1.1 并联的背景知识23.1.2 理想并行总条件23.1.3 理想并行分条件23.1.4 实际并行的方法,23.1 同步发电机并行的条件和方法,1 什么是并联？把各机的A相都接到母线A上，各机的B相都接到母线B上，各机的C相都接到母线C上。图示的是单相示意图。,23.1.1 并行的背景知识,2 并联的环路、环流并联会形成天然的环路。空载时环路中存在的电流叫环流。,3 无穷大电网相当于一台内阻抗为零的发电机-其电压恒等于其电势-
2、见左图右下角。,无环流-回路总电势为零：,23.1.2 理想并行总条件-无环流,1 相序一致；分析见后2 幅值一致；分析见后3 频率一致；分析见后4 相位一致。分析见后,23.1.3 理想并行分条件：如何做到无环流？,要想实现,无环流条件分析之一：相序一致,首先必须保证发电机、电网的相序一致。如果相序不一致，则上述两个电势就属于不同的相，二者之间就有120的相位差。合成电势不为零。不仅不为零，而且数值很大，达到线电势的数值-所生环流特别巨大，会很快烧毁发电机。,要想实现,无环流条件分析之二：幅值一致,其次必须保证发电机、电网的电势幅值一致。如果幅值不一致，两电势虽同相，合成电势仍不为零。如图示
3、。以为发电机的电势，一为无穷大电网的电势。环流大小（危害程度）取决于幅值相差的大小。,要想实现,无环流条件分析之三：频率一致,第三必须保证发电机、电网的电势频率一致。如果频率不一致，则合成电势是个变量，时而为零，时而不为零。环流亦然。,要想实现,无环流条件分析之四：相位一致,第四必须保证发电机、电网的电势相位一致。如果相位不一致，两电势虽相等，合成电势仍不为零，如图所示。从而环流亦不为零。,23.1.4 实际并行的方法,实际并行有两种方法：1 准确同步法-了解即可 各项理想并行条件均达到时，投入并行。2 自整步法-了解即可 仅相序一致，其它条件基本一致时就投入并行。,23.2 同步发电机的功角
4、特性,1 功角特性的定义2 功角特性的用途3 凸极机功角特性的表达式4 凸极机功角特性的相关术语5 凸极机功角特性的图形6 隐极机功角特性的表达式7 隐极机功角特性的图形8 电枢电阻的影响-不要求,23.2 同步发电机的功角特性,同步发电机的功角特性是指E0和U保持不变时，发电机发出的电磁功率与功率角之间的关系Pe=f()。功是什么功？-电磁功率角是什么角？-功率角,1 功角特性的定义,2 功角特性的用途,功角特性可以用来研究同步电机接在电网上运行时发出的有功功率，并进一步揭示机组的稳定性和阐明发电机与电动机之间的联系和转化。详后。,3 凸极机功角特性的表达式,以凸极机为例。隐极机可作为凸极机
5、的特例处理。不计电枢电阻。此时，电磁功率（E0发出的功率）=输出功率。,由下页的相量图可知：,由下面的相量图可知：,3 凸极机功角特性的表达式：续1,3 凸极机功角特性的表达式：续2,4 凸极机功角特性的相关术语,凸极机功角特性表达式中第一项Pe1称为基本电磁功率，第二项Pe2称为附加电磁功率。附加电磁功率与E0（即励磁）的大小无关，且仅当XdXq时才存在，是由交、直轴磁阻不相等的凸极效应所引起，亦称为磁阻功率。没有励磁绕组的同步电机称为磁阻电机。,术语：基本电磁功率附加电磁功率磁阻功率,5 凸极机功角特性的图形-对图形的描述见下页。,术语：基本电磁功率附加电磁功率（磁阻功率）,当=90时，基
6、本电磁功率达到其最大值。当=45时，附加电磁功率达到其最大值。总的电磁功率在=4590之间达到最大值，其具体位置和数值视Pe1(max)和Pe2(max)的相对大小而定。发电机状态：0180时，电磁功率为正值。电动机状态：-1800时，电磁功率为负值。,5 凸极机功角特性的图形：续1-对图形的描述。,6 隐极机功角特性的表达式,7 隐极机功角特性的图形,8 电枢电阻的影响-不要求,23.3 有功功率的调节和静态稳定,23.3.1 有功功率的调节23.3.2 静态稳定,23.3.1 有功功率的调节,发电机并入电网的目的，就是要向电网输出有功功率、无功功率。如图所示，这里以隐极电机为例，说明一台同
7、步发电机与无穷大电网并联时有功功率的调节。为简化分析，不计电枢电阻和磁饱和。,23.3.1 有功功率的调节：续1,如图所示，并行开始时，相量E0=相量U 功率角=0 发电机输出有功功率为0 发电机电磁转矩Te=0 发电机处于空载状态原动机的驱动转矩只需克服发电机的空载转矩。,23.3.1 有功功率的调节：续2,如图所示。开大汽轮机的汽门，则原动机的驱动转矩T1增大，使发电机的转子瞬时加速。与转子主磁场对应的励磁电势相量E0将超前电网电压相量U以角，同时产生电枢电流相量I。据功角特性，此时发电机将产生一定的电磁功率，向电网输出一定的有功功率，同时作用于转子一个制动的电磁转矩Te，与增加的驱动转矩
8、相平衡，发电机仍为同步速。发电机此时处于负载运行状态。,23.3.1 有功功率的调节：续3,由上可见，要增加发电机输出的有功功率，必须增加原动机的输入功率，使功率角增大，电磁功率和输出功率相应增大。简言之，调节有功靠汽门。这一分析，符合能量守恒定律。,23.3.2 静态稳定,1 稳定的背景知识：平衡、稳定2 静态稳定的定义3 静态稳定的分析准备：从功角 特性到矩角特性4 静态稳定的分析5 整步功率系数6 过载能力,1 稳定的背景知识：平衡、稳定,什么叫平衡？牛顿第一定律说：匀速直线运动状态、静止状态这两种状态称为平衡状态。什么叫稳定？平衡有两种，一种是稳定平衡，一种是不稳定平衡。如图所示。可见
9、，稳定是用来描述平衡的。经得起扰动的平衡，叫做稳定平衡。经不起扰动的平衡叫做不稳定平衡。,2 静态稳定的定义,发电机在某一状态下并行。设外界（电网或原动机）给发电机一个微扰（微小的扰动）。如果微扰消失后，发电机能回到原先的状态，那么该状态是静态稳定的；否则，该状态是静态不稳定的。,3 静态稳定的分析准备：从功角特性到矩角特性,发电机的矩角特性，指的是E0和U保持不变时，发电机的电磁转矩与功率角之间的关系。发电机的功角特性，指的是E0和U保持不变时，发电机的电磁功率与功率角之间的关系。比较二者可见，只要在功角特性表达式的两边同时除以同步角速度，即得矩角特性表达式。显然，矩角特性的图形亦为正弦形。
10、与功角特性图形比较，只是纵坐标的比例不同而已。,3 静态稳定的分析准备：从功角特性到矩角特性 续1,完全类似地，只要在原动机功角特性表达式的两边同时除以同步角速度，即得原动机矩角特性表达式。显然，与原动机功角特性相似，原动机矩角特性的图形亦为一条水平线。表示原动机的驱动功率、驱动转矩二者均与发电机的功率角无关。,4 静态稳定的分析,如图示，设发电机原先在A点运行，=A 0A90。电磁转矩为Te。若此时原动机给一微扰T1，则功率角将增大，电磁转矩将相应地增加Te。它抑制功率角的进一步增大。当微扰消失，制动的电磁转矩使机组回到A点运行。反之亦然。所以A点是稳定的。类似分析可知B点是不稳定的。,5
11、整步功率系数 为了衡量稳定程度，引入整步功率系数k。,当90时，k0，发电机是稳定的。越接近90，k越小，稳定程度也越低。当=90时，k=0，达到静态稳定极限。当90时，k0，发电机就变为不稳定。k与的关系曲线如图中虚线所示。,6 过载能力 发电机的最大电磁功率与额定功率之比称为过载能力，记为kP。,为使稳定运行，发电机额定功率要小于最大电磁功率。额定情况下，汽轮发电机的功率角一般为N3040，而kp1.62.0。,23.4 无功功率的调节,1 无功调节的背景2 无功调节的假定3 无功调节的相量图4 正励、过励、欠励5 稳定极限6 解释无功调节的磁势平衡理论7 V形曲线的定义8 V形曲线的基本
12、解读9 V形曲线的高级解读,1 无功调节的背景,电网上一般都带有大量的电感性负载，因此需要一定的无功功率。并联在电网中的同步发电机不仅要向电网输出有功功率，而且还要输出无功功率。这里仍以隐极电机为例，说明同步发电机与无穷大电网并联时，无功功率的调节。,2 无功调节的假定,1）不计电枢电阻；2）不计磁饱和的影响；3）调节励磁前、后，原动机的输入有功功率保持不变。根据功率平衡关系，发电机的电磁功率也应近似保持不变，于是有：,3 无功调节的相量图,由于电网电压U、发电机的相数m和同步电抗Xs均为定值，所以据上式有：,4 正励、过励和欠励,当功率因数cos=1时，励磁电流If称为正常励磁，简称正励。,
13、此时发电机的电枢电流全部为有功电流；输出功率全部为有功功率。,4 正励、过励和欠励：续1,在正励的基础上：,如果增加励磁电流，使IfIf，从上图可见，此时的电枢电流将滞后于电网电压，电枢电流中除有功分量外，还有滞后的无功分量；换言之，发电机除输出有功功率外，还将输出滞后的无功功率。此时的发电机运行状态称为过励。如果减少励磁电流，使IfIf，从上图可见，此时的电枢电流将超前于电网电压，电枢电流中除有功分量外，还有超前的无功分量；换言之，发电机除输出有功功率外，还将输出超前的无功功率。此时的发电机运行状态称为欠励，也称进相运行。,5 稳定极限,如果在欠励的基础上进一步减少励磁电流，直到=90，则发
14、电机达到稳定运行的极限。如再减少励磁电流，发电机则不能稳定运行。,6 解释无功调节的磁势平衡理论,发电机与无穷大电网并联时，其端电压恒定。因此，无论励磁如何变化，电枢绕组的合成磁通基本不变。过励时，主磁通增多，为维持电枢绕组的合成磁通不变，发电机应输出滞后电流，使去磁性的电枢反应增加，以抵消过多的主磁通。欠励时，主磁通减少，为维持合成磁通不变，发电机必须输出超前电流，使电枢反应变为增磁性，以补偿主磁通的不足。,7 V形曲线的定义,电网电压、输出功率不变时，电枢电流I与励磁电流If之间的关系曲线I=f(If)称为V形曲线。如图示。因状似V字，故得此名。,8 V形曲线的基本解读,1固定电网电压，改
15、变电磁功率，可得出一族V形曲线。2空载V形线：最低的V形曲线对应于Pe=0，也称空载V形线，它表征空载状况。功率加大时，曲线上移。3正励与幺功因线：每条曲线的最低点表示cos=1，此时电枢电流最小，全部为有功分量，此时励磁是正励。将各曲线最低点连接起来得到一条幺功因线，它略微右倾。它为什么略微右倾呢？思考4过励：幺功因线的右侧为过励状态，功因滞后。5欠励：幺功因线的左侧为欠励状态，功因超前。6稳定极限：当励磁减小至图左虚线时，电机将出现不稳定现象。图左虚线表示稳定极限。发电机欠励运行时，应注意控制励磁，以防不稳。,9 V形曲线的高级解读9.1幺功因线为何略微右倾？,略微右倾表示：同样是正励，随
16、着电枢电流的增大，励磁电流也要增大，但仅是略微增大。原因如下：幺功因意味着外功因角为零。由于存在漏抗，故内功因角0不为零。因而电枢反应具有去磁性。由于漏抗很小，故这个去磁性是很弱的。为了克服这个弱弱的去磁效应，励磁电流必须略微地增加。故幺功因线略微地右倾。,9 V形曲线的高级解读：续19.2 最低V形线上功因角如何取值？,答：取值分三种情形：0，+90，-90。最低V形线上的最低点。此点I=0,值似乎不定。但因此点位于幺功因线上，故可认为=0。最低V形线的右枝：此时I0、Pe=0，故 cos=0=+90。最低V形线的左枝：此时I0、Pe=0，故cos=0=-90。,9 V形曲线的高级解读：续2
17、9.3 负载V形线上功因角如何取值？,答：值分三种情形：左负右正，底点为0。最低点位于幺功因线上：故=0。最低点的右侧 Icos不变：I增cos降 从0向+90连续变化。最低点的左侧 Icos不变：I增cos降 从0向-90连续变化。,9 V形曲线的高级解读：续39.4 稳极线为何与纵标斜交？,答：稳极线由稳极点组成。以顶部稳极点为参照，观察Pe减小时稳极点坐标的变化。横标：当Pe减小时，E0sin减小。到达稳极时，sin=1，故稳极时的E0变小，因而If变小。纵标：看右图。U不变，E0变小致IXs变小 I变小。可见，随着Pe的减小，稳极点向左下移动，即稳极线与纵标斜交。,9 V形曲线的高级解读：续49.5 如何理解稳极线与纵标的交点？,答：前已述及，随着Pe的减小，稳极点向左下移动。最终，当Pe减小到零时，E0=0，从而If=0，即稳极点落到纵标上。这就是稳极线与纵标的交点。此时，I0。事实上，由于此时If=0，完全靠进相的电枢电流来助磁，以维持端电压U的恒定。,9 V形曲线的高级解读：续59.6 为何空载稳极点横标为零而纵标不为零？,答：空载稳极点位于最低V形曲线上。因为是稳极，故功率角=90。因为是空载，故Pe=0。Pe=0E0sin=0 E0=0 If=0。此时完全靠进相的电枢电流来助磁，以维持端电压U的恒定。故横标为零、纵标不为零。,
