电机学孙旭明王善明版第10章

第10章同步发电机的并联运行一台发电机独立向负载供电的缺点每一台发电机的容量有限制。若负载经常变化，轻载时运行效率低。发电机检修则需要停电；否则要备用一台同容量的机组，平时却不用，不经济。一台发电机供电，供电的品质会受影响频率和电压会变化（负载突变时）。一般在较偏远或无法与电网相联的场合下使用。同步发电机的并联运行将每个电厂的多台发电机与多个电厂的发电机通过变压器和高压输电线互相并联在一起，形成电力系统。并联运行的优点电能可以互相调剂，合理使用。增加供电可靠性,减小备用容量。系统越大，负载越趋于均匀。使发电厂的布局更合理。同步发电机的并联运行无限大电网一台发电机单独供电时，电压的频率由原动机决定，调节励磁电流可以调节电压的大小。一台发电机并联于无限大电网运行时，调节原动机的转速不会改变其电压的频率；调节励磁电流也不能改变其电压的大小。当一台发电机的容量远小于它所并联的电网的容量时，电网可看成是无限大电网。无限大电网的容量可近似认为是无穷大，电网的电压和频率不变。10.1同步发电机并联合闸的条件和方法并联合闸条件要求发电机与电网电压满足4个条件：频率相同；幅值相同，且波形一致；相序相同；相位相同。满足4个条件时，合闸时发电机与电网电压的瞬时值相同，不会产生电流冲击。并联合闸的条件和方法4个条件中任何一个不满足，并网合闸时都会出现电流冲击。在并网过程中，需要对4个并网条件进行检查，调节直到满足。如何判断条件是否满足？条件不满足时如何处理？分析时将无限大电网视为一台同步发电机，其电压的大小和频率不变。两种最基本的方法：暗灯法，旋转灯光法。暗灯法判断合闸开关两端的电压差。如果3个相灯都熄灭，说明合闸开关两端的电压差为零，4个条件满足。利用相灯来判断，即把灯泡跨接在合闸开关两端，由灯的亮暗情况来判断电压差的大小。暗灯法（1）频率不等时调节方法调节原动机的转速，使相灯亮暗变化很慢。现象3个相灯同时亮，同时暗，亮暗交替变化；频率相差越大，亮暗变化越快。暗灯法（2）电压不等时调节方法调节发电机的励磁，使电压相等。现象3个相灯都不会完全熄灭。相序相同、频率相近时，3个相灯同时亮、同时暗，在最亮和最暗之间交替变化。相灯在低电压时就会熄灭，并不说明电压差为零。可用电压表来检测。暗灯法（3）相序不同时现象3个相灯旋转。暗灯法（3）相序不同时调节方法将发电机接到合闸开关的任何两根线对调，使相序相同。现象若发电机频率高于电网，则顺时针旋转；反之，则逆时针旋转。频率差越大，灯光旋转速度越快。暗灯法（4）相位不等时调节方法稍微调节发电机转速，使相位差发生变化，灯光亮暗的频率很低。现象若频率相同，则3个相灯都不会熄灭，且亮度不变。相等完全熄灭时，相位相同，此时即可并网。灯光旋转法有意把相灯接在不同相的电压之间，在相序正确时使灯光旋转，这种并联合闸方法称为灯光旋转法。采用暗灯法，在相序不同时，灯光出现旋转。通过旋转的速度和方向，可以判断发电机频率与电网频率的差别和快慢。灯光旋转法如果并联合闸条件不满足，会有何现象？应在一个相灯熄灭、另两个相灯亮度相同时合闸。比暗灯法判断更为准确。准确的并网合闸时刻如何判断？并联合闸的条件和方法暗灯法和灯光旋转法都可比较准确地确定合闸时刻，使合闸时无电流冲击，称为准确同步法。实际中，在需要将发电机很快投入并网运行时，可采用自同步法。事先校验好发电机的相序；起动发电机，使转速接近同步转速，励磁绕组经限流电阻短路；合上并联开关，再立即加励磁，使发电机自动牵入同步。操作简单，装置简单，但是合闸有电流冲击。10.2同步发电机并联运行分析发电机并联于无限大电网运行时，发电机电压等于电网电压，其频率和大小都是不变的。如何调节，使发电机输出有功功率、无功功率，负载将如何在发电机之间分配？发电机并联运行时的两个调节量发电机的励磁电流原动机的拖动转矩并联运行分析在并网的4个条件都满足的条件下并网合闸0s0jEUIX发电机空载电动势与电网相电压大小、相位都相同；发电机电枢电流为零，仍相当于空载运行。不进行任何调节时并联运行分析在并网的4个条件都满足的条件下并网合闸0s0jEUIX发电机不输出功率，原动机只需要提供发电机所需的空载损耗p0，包括机械损耗pm（摩擦和风阻损耗等）和铁耗pFe。发电机输入功率P1＝p0＝pm＋pFe并联运行分析在并网的4个条件都满足的条件下并网合闸功率平衡关系也可表示为转矩平衡关系。拖动转矩与制动转矩相平衡。01TT01pPΩΩ为机械角速度T1为原动机的拖动转矩;T0为与发电机空载损耗对应的空载转矩。12π60nΩ调节励磁电流电网电压U不变。此时，发电机发出滞后性的无功电流，产生去磁的电枢反应。0sjEUIX增大励磁电流If，则励磁磁动势Ff1增大，空载电动势E0增大。调节励磁电流电网电压U不变。此时，发电机发出超前性的无功电流，产生增磁的电枢反应。0sjEUIX减小励磁电流If，则励磁磁动势Ff1减小，空载电动势E0减小。调节励磁电流调节发电机的励磁电流0sjEUIX只能使电枢绕组发出滞后（电感性）或超前（电容性）的纯无功电流，即发电机可发出滞后或超前的无功功率。不能使发电机输出或输入有功功率。调节原动机的拖动转矩增大拖动转矩T101TT使转子加速Ff1超前B通过调节汽轮机的汽门、水轮机的水门或者柴油机的油门等，可以调节原动机的拖动转矩。调节原动机的拖动转矩电网电压的频率、大小、相位都不变。转子是否会在拖动转矩的作用下不断加速？气隙电动势与电网相电压近似相等，其频率也不会发生变化。气隙电动势和电网电压相量的转速不变。但是转子却在拖动转矩的作用下加速，使矢量Ff1超前矢量B、F。调节原动机的拖动转矩分析转子受力情况以磁通密度波超前+A轴90电角度时为例。磁动势参考方向与前面一样（出定子进转子为正）；在转子表面建立坐标系，与转子一起旋转；以磁通密度等于零处为坐标原点。调节原动机的拖动转矩分析转子受力情况基波励磁磁动势超前气隙磁通密度一个角度。把基波励磁磁动势看成是一个每对极下只有1匝的集中线圈，通入等效电流If产生的。f1f41π2FIff1π2IF调节原动机的拖动转矩分析转子受力情况气隙磁通密度波与基波励磁磁动势是相对静止的，一起以同步转速n1旋转。等效的励磁线圈边所在处的气隙磁通密度b不为零，通电导线在磁场中受到电磁力f作用。ff1ffππ22IFkFsinBbfflIBlIbfsin2ffπ2sinsin2TfrppkFC电磁转矩调节原动机的拖动转矩分析转子受力情况励磁电流不变时，C近似不变，电磁转矩T与sin成正比。电磁转矩T的方向是向的反方向，即朝向使减小的方向，是制动性转矩。2ffπsinsin2TpkFCT调节原动机的拖动转矩增大原动机拖动转矩T1，转子加速，基波励磁磁动势超前气隙磁通密度波角。角的出现使得转子受到电磁力的作用，产生电磁转矩T，其方向与拖动转矩相反，大小与sin成正比。只要拖动转矩T1不超过电磁转矩T的最大值，电磁转矩T就能自动与拖动转矩T1达到平衡，使发电机转速仍为同步转速，发电机与电网保持同步运行。调节原动机的拖动转矩转矩平衡关系01TTT原动机拖动转矩等于电磁转矩与空载转矩之和。功率平衡关系1em0PPpPem为制动性的电磁转矩吸收的机械功率。ΩTTΩΩT01电磁功率emPT调节原动机的拖动转矩功率平衡关系电磁功率emPT2ffπsinsin2TpkFC0emasinEEPmX•电磁功率Pem具有电功率的形式。•电磁功率Pem既是电磁转矩吸收的机械功率，也是定子绕组中的电功率。说明发电机通过电磁感应作用，将机械功率转换为电功率。（m为定子绕组相数）调节原动机的拖动转矩功率平衡关系电磁功率Pem减去定子绕组的铜耗pCu，就是输出功率P2（有功功率）。2em2CucosPmUImIRPp定子绕组获得的电磁功率（电功率）emi0coscosPmEImEIicoscosEUIR调节原动机的拖动转矩功率流程图以上分析表明：调节原动机的拖动转矩，可以改变并联运行的同步发电机向电网发出的有功功率。2CupmIRem00cosqPTmEImEI11PTΩ2cosPmUI0mFeppp10.3有功功率的调节和静态稳定这些式子都与发电机内部的物理量有关，使用不够方便。希望利用外部可以得到的量、固定不变的量来表示、来计算。sinCTem0cosPmEI0emasinEEPmX功角特性凸极同步发电机em2coscos()coscossinsincossinqdPPmUImUImUImUImUImUIsincos0UXIUEXIqqdd20emsinsin22dqddqXXEUPmmUXXX忽略电枢绕组电阻R。0EU与的夹角称为功角。功角特性凸极同步发电机的功角特性由两部分组成。0emsindEUPmX2emsin22dqdqXXPmUXX励磁电磁功率凸极电磁功率与励磁无关，需要有电压，有交、直轴磁阻的不同。由于合成等效磁极吸引凸极电磁铁产生电磁力引起。励磁电流在气隙磁场中产生电磁力引起。20emsinsin22dqddqXXEUPmmUXXX功角特性凸极同步发电机的功角特性20emsinsin22dqddqXXEUPmmUXXX励磁电磁功率最大值比凸极电磁功率的最大值要大，因为：12qqdXXX•通常；•对于滞后的负载电流，空载电动势E0要高于电网相电压U。功角特性凸极同步发电机的功角特性20emsinsin22dqddqXXEUPmmUXXX凸极同步发电机的最大电磁功率出现在功角＜90的位置。功角特性隐极同步发电机0emssinEUPmX电磁功率Pem与功角的正弦成正比。可视为凸极发电机在Xd＝Xq＝Xs时的特例。em2cosPPmUI忽略电枢绕组电阻R。s0cossinIXE功角特性隐极同步发电机的功角特性发电机并联运行时，相电压U和频率f是常数，E0可由励磁电流If查气隙线得到，Xs也是常数。If不变时，电磁功率Pem与功角的正弦成正比。0emmaxsEUPmX0emssinEUPmX隐极同步发电机的最大电磁功率Pemmax出现在功角＝90的位置。同步发电机并联运行时的稳定性同步发电机的稳定问题有若干发电机或发电机的电力系统，在正常负载调配和不正常事故时，发电机或电厂是否能保持同步运行的问题。分为静态稳定和动态稳定。同步发电机并联运行时的稳定性同步发电机的静态稳定问题发电机在某一稳定运行状态，若电网或者原动机方面偶然发生一些微小的干扰，在干扰去掉后，发电机如果能回复到原来的运行状态，则为稳定的。不能回到原来的稳定运行状态，则为不稳定的。同步发电机的动态稳定问题发电机在负载突变等正常操作运行时，或者在突然短路、电压突变、失去励磁等非正常运行中，以及遭受到大的或一定数值的参数变化或负载变化时，发电机是否还能保持同步运行。并联运行时的静态稳定电磁转矩em0ssinPEUmTΩΩXem20sinsin22dqddqPTΩXXEUmUΩXXX（）隐极同步发电机凸极同步发电机并联运行时的静态稳定d0dT的正、负标志着同步发电机是否能稳定运行。运行稳定。稳定判据d0dT运行不稳定。ddT称为整步转矩系数。并联运行时的静态稳定整步转矩系数0sdcosdEUTmΩX20d[coscos2]ddqddqXXEUTmUΩXXX整步转矩系数