华北电力大学电机学87讲-同步发电机的并联运行

第十一章同步发电机的并联运行§11-1概述一、并联运行的必要性(1)电能的供应可以相互调剂，合理使用，从而更合理地利用动力资源和发电设备。增加供电的可靠性。一台发电机的故障，不致于造成停电事故，同时，也减少了备用容量。供电的质量增加了。由于系统容量很大，一台电动机的起动、加载、停机，对系统来说，几乎就没有影响，因此，电网的电压和频率能保持在要求的恒定范围内。§11-1概述一、并联运行的必要性(2)系统愈大，负载就愈趋均匀，不同性质的负载，相互起补偿作用。就以地区来说，地区大，时差也大，使用照明的时间也就错开了，负载均匀，发电机就能经常满载运行，提高了设备的利用率，若电力系统处在尖峰负荷(短时用电量较大)，可以用增开担负尖峰负载的发电机来解决，不使电网中发电机的负载均衡性遭到破坏。联成大电力系统后，有可能使发电厂的布局更加合理。在产煤区，多布置一些火力发电厂，在水力资源丰富的地方，多布置一些水力发电厂，然后，利用高压输电线对工业中心区域供电。§11-1概述二、无限大电网无限大电网：现代的电力系统容量很大，系统的电压和频率可以看作是不变的，即U=常数，f＝常数，这样的电网称为无限大电网，所以无限大电网实际上是相当于一个内阻抗等于零的恒频、恒压电源。由于并网后的发电机运行情况要受到电力系统的制约，也就是它的电压、频率要和电网一致而不能单独变化。因此，对发电机的运行分析将与单机运行有所不同。实际上，系统的容量是有限的．无限大电网只是一个相对的概念．负载增加时，就必须增加发电量，否则，电压和频率就会下降，只是大容量系统中，电压和频率的变动很小而已。三、研究并联运行时所用的规定正方向AX0EGUSUGISI电网发电机一相绕组图11-1研究并联运行的正方向§11-2同步发电机并联投入的条件和方法一、并联投入条件为了避免并联合闸时引起电流、功率以及由此引起的发电机内部的机械应力的冲击，将要投入电网的发电机应满足下列条件：1.发电机的电压幅值等于电网电压幅值，而且波形一致。2.投入时，发电机的电压相位与电网电压相位一致，即3.发电机的频率等于电网的频率，即4.发电机的相序必须与电网相序一致。SGUUSGff§11-2同步发电机并联投入的条件和方法二、不满足并联投入条件的后果(1)１、频率相等，相序一致，但发电机电压和电网电压不相等。AX0EGUSU发电机一相绕组图11-2电压不相等时的并联合闸cIUUSUGUcISG(a)(b)SGSGcxxUjZZUI§11-2同步发电机并联投入的条件和方法二、不满足并联投入条件的后果(2)２、电压相等，相序一致，但发电机频率和电网频率不相等。SUGUSGSUGUSGUcISUGUSGUcI(a)(b)(c)图11-3频率不相等时的并联合闸§11-2同步发电机并联投入的条件和方法二、不满足并联投入条件的后果(3)３、电压相等，频率相等，但发电机相位和电网相位不相等。相序不同是绝对不允许投入的。因为即使某相满足了前面三个条件，但其它两相由于相序不同而使电压相位相差120度，它将引起很大的冲击环流，危害电机的安全运行。由于汽轮机和水轮机有一定的转向，而且发电机出线都用颜色黄、绿、红标明，在装置开关时，首先就要布置好相序，所以在发电厂一般不会出现相序错误。§11-2同步发电机并联投入的条件和方法三、并联投入方法(1)整步过程：把发电机投入到电网所进行的操作过程称为整步过程（或称并车)，整步方法：准整步和自整步。准整步：把发电机调整到完全合乎并联投入，然后投入电网，这种方法叫准整步。自整步；首先校验发电机的相序，并按照规定的转向(和定子旋转磁场的转向一致)把发电机拖动到接近同步速旋转，把励磁绕组通过一限流电阻短路(不加励磁)，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，把转子自动地拉入同步。§11-2同步发电机并联投入的条件和方法三、并联投入方法(2)讨论：1）进行自整步操作时要注意，发电机投入电网时，励磁绕组不应开路，否则励磁绕组中将感生危险高压；励磁绕组也不直接短路，否则合闸时定子电流会有很大冲击。通常的做法是把灭磁电阻接入闭合的励磁回路作为限流电阻。2）自整步法主要缺点是投网时冲击电流稍大。§11-2同步发电机并联投入的条件和方法三、并联投入方法(3)准整步法并车方法：为判断发电机是否满足并联投入条件，常常采用同步指示器，最简单的同步指示器由三组同步指示灯组成。同步指示器有两种接法，一种是暗灯法，另一种叫旋转灯光法。§11-2同步发电机并联投入的条件和方法三、并联投入方法(4)采用准整步法并车的判断方法：1.暗灯法在并联刀闸的对应端接上三组灯泡，如图11－4所示，每一组灯泡称为相灯，由于相灯两端电压最大可达两倍相电压，因此，对于相电压为220伏的发电机，应用两个220伏的灯泡串联作为一组相灯，如果发电机和电网电压较高，必须用电压互感器降压后再接相灯，而且发电机和电网的电压互感器必须有相同的联结组别。§11-2同步发电机并联投入的条件和方法并联投入方法(5)1.暗灯法VGS3~123sAsBsCGCGBGA电网BGUASUAGUBGUBSUCSUCGUSG1U2U3UASUAGUBGUBSUCSUCGUSG1U2U3UASUAGUBGUBSUCSUCGUSG123123123三个相灯最亮三个相灯亮度减弱三个相灯熄灭图11-4暗灯法接线和相量图三、并联投入方法(6)1.暗灯法发电机的相序和电网的相同，电压也相同，但，则发电机和电网这两组电压相量之间就有相对运动。故三组相灯上的电压同时发生变化，于是三组灯将同时亮，同时灭，亮灭的快慢决定于，调节发电机的转速，直到三组灯亮、灭变化很慢时，就表示，当三组灯同时熄灭，AS、AG间电压表读数为零时，就表示发电机巳经满足了并联投入条件，此时就可合闸。)(SGSGffSG)(SGSGff2.灯光旋转法在暗灯法中，如果相序接错，相灯的灯光就会旋转起来。如果把两组相灯接在不同的相之间，使它们在正确的相序下。出现旋转的灯光，这种并联合闸的方法，叫做灯光旋转法。图11-6灯光旋转法接线VGS3~123sAsBsCGCGBGA电网§11-3同步发电机的功率和转矩平衡方程式一、功率平衡方程式(1)发电机对称稳态运行时，原动机投入到发电机的机械功率为P1，扣除发电机的机械损耗pm，铁耗pfe和附加损耗pad后，通过电磁感应和定、转子磁场的相互作用，机械能就转换为电能，这部分转换的功率称为电磁功率PM，用方程式表示为MadfemPpppP)(1cuaMPPP2cos2mUIP§11-3同步发电机的功率和转矩平衡方程式一、功率平衡方程式(2)cosImEPM说明：转子(励磁)铜耗没有列入上列功率方程式UIxIjsxIj0EEarI图11-7隐极同步发电机电动势相量图mp图11-8同步发电机功率流程图1P2PMPcuapfepadp2coscosamUImIrmEIcoscosaUIrE§11-3同步发电机的功率和转矩平衡方程式二、转矩方程式(1)MMadfemPpPpppP01)(MTTT01T1为原动机驱动转矩T0为发电机空载转矩TM为发电机的电磁转矩111PT01femppT1MMPT)/(260211秒电弧度pfn§11-4同步电机的功角特性功率角：指励磁电动势和电网电压这两个向量之间的夹角功角特性：指同步电机接在电网上对称稳态运行时，电机的电磁功率与功率角之间的关系。功角特性是同步电机并网运行的基本特性之一。通过功角特性，就可以确定稳态运行时发电机所能发出的最大电磁功率，还可以用它来分析静态稳定等问题。0EU一、隐极式同步发电机的功角特性(1)推导：cos2mUIPPM)sinsincos(cos)cos(mUImUIPM图11-9隐极同步发电机相量图UIsxIj0EsIxUsincossIxUEcossin0sinsincoscossin00sssMxmUEIxUEmUIIxUmUIP0sESinICosxsin0sMxmUEPcos2mUIPPM功角特性证明(２)§11-4同步电机的功角特性一、隐极式同步发电机的功角特性(2)sin0sMxmUEP（1）保持励磁电流不变时，电磁功率与功角按正弦曲线变化，正半波代表发电机工况。（2）电磁功率一定时，改变励磁电流，若，则θ1＜θ212ffii§11-4同步电机的功角特性一、隐极式同步发电机的功角特性(3)讨论：1）若功角特性两边同除以同步机械角速度2）不同的励磁电流产生不同的励磁电动势E0，因此可以得到不同的功角特性3）若用标么值表示sinP101MsMxmUET图11-10隐极同步发电机的功角特性120MPMT901801ffii12fffiiisin**0***sMMxEUTP二、凸极式同步发电机的功角特性(1)ddddqqqqxUEIUExIxUIUxIcoscossinsin00图11-11凸极同步发电机相量图UI0EddxIjqqxIjdIqI2011sin()sin22MMMdqdUEUPmmPPxxxcos()(coscossinsin)cossinMqdPmUImUImUImUI§11-4同步电机的功角特性二、凸极式同步发电机的功角特性(2)基本电磁功率2011sin()sin22MMMdqdUEUPmmPPxxx附加电磁功率0sinMdUEPmx2sin)11(22dqMxxUmP图11-12凸极同步发电机的功角特性0MP90180MPMPMPθ90’时，电磁功率就达到最大值。§11-4同步电机的功角特性二、凸极式同步发电机的功角特性(3)讨论：1）将凸极同步电动机的功角特性两边同除以同步机械角速度2011111sin()sin22MMMMdqdUEPUTmmTTxxx01sinMdUETmx为基本电磁转矩。2sin)11(212dqMxxUmT为附加电磁转矩或凸极电磁转矩。二、凸极式同步发电机的功角特性(4)2）若要求取无功功率Q＝mUIsinφ的功角特性，可用类似方法推导出：当E0、U和xd为常数时，无功功率也是功率角θ的函数220coscos222dqdqddqdqxxxxUEUmUQmmxxxxx二、凸极式同步发电机的功角特性(4)3）对于隐极电机10cosUEssxUmxUEmQ20cos图11-13隐极电机的无功功率功角特性sxUmE0090180QsxmU2sxUUEm)(0三、功率角θ的物理意义1）对发电机而言，θ角是励磁电动势超前于端电压的时间角2）θ以空间意义，θ是主磁场与电枢等效合成磁场之间的空间角。功率角可看作转子磁极轴线与电枢等效合成磁极轴线之间的空间角UIaB0BarIxIjaqqxIjaddxIj0EENS1n1nNS定子合成磁场等效电路(a)(b)图11-14功率角的时空意义UIaB0BarIxIjaqqxIjaddxIj0EENS1n1nNS定子合成磁场等效电路(a)(b)图11-14功率角的时空意义总之：功率角θ实际上反映了定子合成磁场扭斜的角度，它愈大，产生的电磁功率和电磁转矩也愈大。而形成θ角的原因是由于有交轴电枢反应磁