电机学 第十三章 同步发电机在大电网上运行

第十三章同步发电机在大电网上运行 1.并联运行定义：将两台或更多台同步发电机分别接在电力系统的对应母线上，或通过主变压器、输电线接在电力系统的公共母线上，共同向用户供电。 2.优点：①提高供电的可靠性；②提高供电的经济性。 3.无限大电网：第一节同步发电机并联运行 与变压器并联运行的区别 当变压器并联运行时，其初级电压和次级电压都必需相等，因此绕组的阻抗将决定负载电流的分配 连接至同一汇流排的发电机必须有相同的额定电压和相同的额定频率，同步电抗的数值并不能决定负载电流的分配 整步 把同步发电机并联至电网的手续称为整步亦称为并列或并车 在并车的时候必须避免产生巨大的冲击电流 整步条件 相同的相序 相等的电压电压的检验相对容易 相等或接近的频率 频率和相序检验应用同步指示灯灯光黑暗法灯光旋转法 (a)灯光黑暗法；(b)灯光旋转法三相同步发电机的整步 灯光黑暗法电压将不断的变化，它们的灯光便将忽亮忽暗的闪烁当两边的频率愈为接近时，灯光的闪烁便愈为缓慢灯光黑暗时合闸 灯光旋转法指示灯将将依次明亮或黑暗，若把三组指示灯排列成圆形，就形成灯光旋转现象发电机应在直接连接的一组指示灯黑暗时合闸 半自动或全自动并车装置 取代灯光法进行整步 但是它们的基本功能是一致的 自整步并列法 灯光发并车是属于准确整步法 当电力系统出了某种事故，急需将发电机并入电网时，应用准确整步法就感到太慢 这时可应用简单的整步手续，称为自整步并列法或粗整步法 自整步并列法过程 原动机把同步发电机带动至接近同步速度[相差约(2%~5%)] 不加直流激磁，将发电机接入电网 为了在合闸瞬间避免过电压现象，应把激磁绕组通过适当的电阻短路 接入电网后，便立即加上激磁第二节隐极式同步电机的功角特性 定子侧 可以把发电机和电动机合并考虑 取发电机的输出电功率为正值，电动机的输入电功率便取负值。 发电机：|P|<|PM| 电动机：|P|>|PM| 上式同样适用于发电机和电动机 同步发电机的功率(a)(b)隐极同步发电机的等效电路和相量图 输出功率表示式 电磁功率表示式 对于发电机而言，输出功率即为端点功率P 对于电动机而言，输出功率转变为机械功率的功率为PM 如取发电机的P和有正，则电动机PM和均应有负值 如把电枢电阻ra略去不计，则=0，sin=0，Zs=Xs，端点功率和电磁功率相等 同步电机中所产生的电磁功率称为同步功率 功率PM或P随着功角而变化的关系称为功角特性 功角特性稳定隐极式同步电机略去电阻时的功角特性转矩特性 由于同步电机的转速为同步转速，且经常保持不变，故转速和功率成正比 略去电枢电阻，则得电磁转矩的公式为 过载能力 最大功率与PN额定功率之比称为过载能力，用KM表示 隐极式同步机，在额定运行时的功角为N，则有 N愈小，过载能力KM愈大 在一定的负载情况下要减小N，就必须减小同步电抗Xs，即，短路比大，过载能力强但增大短路比，将增加电机的成本，故过载能力不应规定得过大。汽轮发电机的过载能力一般不小于1.5功角特性仍为正弦函数坐标原点产生一个位移输出功率有所减少电枢电阻对功角特性的影响000电枢电阻对功角特性的影响发电机输出电功率即端点功率P，故功角特性应取0’为原点电动机由电功率转变而来的机械功率即为电磁功率PM，故功角特性应取0’’为原点。结论：无论发电机或电动机，电枢电阻的存在，都将使最大功率的数值减小，且使最大功率在角的绝对值小于90°时出现【例13-1】QFS-300-2型汽轮发电机，SN=353MVA，IN=11320A，UN=18000V，双星形接法，COSN=0.85(滞后)，Xs*=2.26(不饱和值)，电枢电阻可忽略不计。此发电机并联在无穷大汇流排进行，当运行在额定情况时，试求：(1)不饱和的空载电势E0；(2)功角N；(3)电磁功率PM；(4)过载能力kM解：(1)求不饱和的E0。作简化相量图则用标么值进行计算，因为U*=1，I*=1， (2)求N(3)求PM 三相总的电磁功率为 (4)求过载能力kM 第三节凸极式同步电机的功角特性凸极式同步电机略去电阻时的相量图 功率的组成 附加电磁功率 与E0无关，只与电网电压U有关 即使E0=0，转子没有加激磁，只要U0，0，而沿交轴直轴的磁阻不相同（即），就会产生附加电磁功率 基本电磁功率当=90°时达到最高值 附加电磁功率则当=45°时有最高值 总的电磁功率的最高值将出现在45°~90°之间，具体视两项的振幅的相对大小而定P=f()凸极式同步电机的功角特性 凸极机电磁功率的特征凸极机的最大电磁功率将比具有同样E0、U及xd值的隐极机略大当同步电机的E0愈大，附加电磁功率在整个电磁功率中所占的比例愈小；在正常情况下，附加电磁功率仅占百分之几。 功角与位移角漏阻抗压降一般较小，端电压U和电枢合成电势E相差甚微，角就可近似认为是合成电势E和空载电势E0间的时间相角差角约等于转子磁场和空气隙合成磁场之间的空间位移角凸极式同步发电机相量图NN 功角角为正值转子磁场超前合成磁场，同步电机作为发电机运行。角有负值合成磁场在前，转子磁场在后，同步电机便作为电动机运行 【例13-2】一台三相、50Hz、星形连接、11kV、8750kVA凸极式水轮发电机。当额定运行情况时的功率因数为0.8(滞后)，每相同步电抗xd=17，xq=9，电阻可以略去不计。试求： (1)同步电抗的标么值； (2)该机在额定运行情况下的功率角N及空载电势E0； (3)该机的最大电磁功率、过载能力及产生最大功率时的功率角。 解： (1)额定电流和额定电压 同步电抗的标么值(2)作相量图。令端电压为参考轴， 所以 空载电势每相实际值为 功角特性 令，则有 即 由于必须小于1，故应取正号，即 故 三相总的最大功率 过载能力 第四节同步发电机的有功功率调节 有功功率的调节 要调节有功功率，只需要调节发电机的输入机械功率 位移角会自行改变，相应地改变电磁功率和输出功率，达到新的平衡 稳定范围 同步发电机0/2：稳定/2：不稳定 同步电动机-/20：稳定--/2：不稳定 静态稳定的概念 发电机输入功率受到一些微小的扰动，在这种瞬时扰动消除后，继续保持原来的平衡运行状态，就称这时的同步发电机是“静态稳定”的，否则就是静态不稳定静态稳定的概念稳定不稳定 隐极式同步电机 可表示发电机运行的稳定度比整步功率PSS随角而变化的关系PMPss稳定不稳定 如果并联在电网上的同步电机失去静态稳定 由于双方频率不同了，将引起一个很大的电枢电流 由于输入和输出功率失去平衡，多余的功率可能引起转子超速， 必须采取适当的，例如采用快速励磁装置来保证静态稳定。 动态稳定的概念 突然加负载、切除负载等正常操作时，或者发生突然短路、电压突变、发电机失去激磁电流等非正常运行时，能否继续保持同步运行的问题，称为动态稳定问题。acbdⅡⅠadcP1失去动态稳定动态稳定概念 动态稳定是一个非常复杂的问题 电网故障时，电网电压和发电机都处在过渡过程中，功角特性中的参量U、E0、Xs等均将是暂态变量，由稳定参量作出的功角特性就不在适用了 以上分析均在假定发电机的激磁为常数的条件下进行的，实际上，现代同步发电机的原动机都带有快速调压器，增大激磁，使E0增大，功角特性曲线上升，从而提高动态稳定 由保护装置将电网的故障迅速切除，则电网电压也能迅速恢复，亦能使功角特性上升，提高动态稳定。第五节无功功率的调节和V形曲线不计电阻时的隐极机相量图或 隐极式同步发电机输出的无功功率为 激磁不变时，Q与的关系为余弦函数P=f()Q=f()有功功率和无功功率的功角特性 无功功率的调节 同步发电机与电网并联后，如仅仅调节无功功率，是不需要改变原动机的输入功率 只要调节同步发电机的激磁电流，就能改变同步发电机发出的无功功率（包括大小和性质） 同步发电机输出有功功率保持不变时 若电网电压再保持不变 只调节无功时，上式应成立PM=const时，调节激磁电流的相量图mm'nn'(a)PM=const时，调节激磁电流的相量图(b)mm'nn'稳定极限I超前UI滞后U 当电机处于过激时电机输出感性无功功率增大激磁，电机的稳定度提高感性无功的增加受激磁电流的限制 当电机处于欠激时电机输出容性无功功率减小激磁，电机的稳定度降低容性无功的增加受稳定度限制 发电机与无穷大电网并联时，调节激磁电流的大小，就可以改变发电机输出的无功功率，不仅能改变无功功率的大小，而且能改变无功功率的性质。 当过激时，电枢电流是滞后电流，发电机输出感性无功功率。当欠激时，发电机输出容性无功功率，电枢电流是超前电流V形曲线有功功率保持不变时，电枢电流和激磁电流之间关系曲线 形状象字母“V”电枢电流最小，P=100%P=50%P=0稳定极限同步发电机的V形曲线欠激状态，功率因数超前，发出的无功系容性过激状态，功率因数滞后，发出的无功系感性对于与电网并联运行的发电机改变原动机的功率输入，发电机的位移角将变化，以调节有功功率;若此时激磁保持不变，输出的无功功率也将会发生变化如只要求改变有功功率，应在调节原动机方面的功率输入的同时，适当地改变同步发电机的激磁。如不调节原动机方面的功率输入，而仅调节同步发电机的激磁，则只能改变它的无功功率，并不会引起有功功率的改变空载电势E0和位移角会随着激磁的改变而发生了变化。【例13-3】一台汽轮发电机在额定运行情况下的功率因数为0.8(滞后)，同步电抗的标么值为。该机并联在电压保持额定值的无穷大汇流排上 (1)试求当该机供给90%额定电流且有额定功率因数时，输出的有功功率和无功功率。这时的空载电势E0及功角为多少？(2)如调节原动机方面的功率输入，使该机输出的有功功率达到额定运行情况的110%，激磁保持不变，这时的角为多少度？该机输出的无功功率将如何变化？如欲使输出的无功功率保持不变，试求空载电势E0及位移角的数值。(3)如保持原动机方面的功率输入不变，并调节该机的激磁，使它输出的感性无功功率为额定运行情况下的110%，试求此时的空载电势E0及角的数值。解：(1)令已知故有电枢电流的有功分量电枢电流的无功分量即空载电势 故得空载电势的标么值为1.70，位移角=25.1。输出的有功功率和无功功率分别为0.72及0.54。(2)已知代入功角特性公式并注意到E0*=1.7，U*=1，xs*=1，可求出角，即 空载电势的复数形式 因为 故有由此可见此时电枢的感性无功电流由原来的0.54减少到0.454，即为原来的84.1%，故发电机输出的感性无功功率减小为原来的84.1%。如欲输出的无功功率保持不变，则有 空载电势 即应把空载电势E0增加到1.77，此时的角为29.8°。(3)已知由电机输出的有功功率保持不变,故有无功功率增加到110%，则有Q=0.6×1.1=0.66，即。空载电势为 即应把空载电势E0增加到1.81，此时的角反将减小，变为23.5°。第六节同步电动机与同步补偿机 同步补偿机 同步电机可以专门用来供给无功功率，特别是感应性无功功率。这种专供无功功率的同步电机称为同步补偿机或同步调相机 同步补偿机的作用 电网上大量的异步电动机需消耗相当数量的感应性无功功率 若全部由发电机承担，其功率因数会很低，且电网负担也加重 因此，在适当的地点把负载所需的感应性无功功率就近供给 同步补偿机可提高经济效益及改善运行条件减少发电机负担提高电网的功率因数降低线损 运行条件 一台在空载运行情况下的同步电动机 除了电机本身的损耗，它不从电网吸取其它的有功功率 当补偿机过激时，它将对电网供给感应性无功功率（或自电网吸取电容性无功功率），功能犹如电容器欠激时，它将从电网吸取感应性无功功率，即起电抗器的作用同步补偿机一般工作在过激状态来供给感应性无功功率同步补偿机的容量过激时的视在功率可以从数千千伏•安到数万千伏•安同步补偿机既不用原动机拖动，也不输出机械功率，故在机械结构上要求较低为提高利用率极数较少，转速较高，空气隙较小大容量的补偿机还采用氢冷或双水内冷，以节省材料 电网上的同步电机有四种运行情况 过激发电机 欠激发电机 过激电动机 欠激电动机(a)同步电机的各种运行情况(a)以电磁功率为准过激发电机欠激发电机欠激电动机过激电动机 当发出的电磁功率仅为有功功率 内功率因数为1 电枢反应仅有交轴分量 当发出的电磁功率仅为无功功率 内功率因数为零 电枢反应仅有直轴分量同步电机的各种运行情况(b)以外功率为准(b)过激发电机欠激发电机欠激电动机过激电动机 对于隐极式电机 对于凸极式电机 对两种电机都有13-1,2,3,5