第3章同步發電機的并聯運行3.1概述一、并聯運行的必要性(1)電能的供應可以相互調劑，合理使用，從而更合理地利用動力資源和發電設備。增加供電的可靠性。一臺發電機的故障，不致于造成停電事故，同時，也減少了備用容量。供電的質量增加了。由于系統容量很大，一臺電動機的起動、加載、停機，對系統來說，幾乎就沒有影響，因此，電網的電壓和頻率能保持在要求的恒定范圍內。

3.同步發電機的并網運行一、并聯運行的必要性(2)系統愈大，負載就愈趨均勻，不同性質的負載，相互起補償作用。就以地區來說，地區大，時差也大，使用照明的時間也就錯開了，負載均勻，發電機就能經常滿載運行，提高了設備的利用率，若電力系統處在尖峰負荷(短時用電量較大)，可以用增開擔負尖峰負載的發電機來解決，不使電網中發電機的負載均衡性遭到破壞。聯成大電力系統后，有可能使發電廠的布局更加合理。在產煤區，多布置一些火力發電廠，在水力資源豐富的地方，多布置一些水力發電廠，然后，利用高壓輸電線對工業中心區域供電。

3.1概述3.同步發電機的并網運行§3-1概述二、無限大電網無限大電網：現代的電力系統容量很大，系統的電壓和頻率可以看作是不變的，即U=常數，f＝常數，

這樣的電網稱為無限大電網，所以無限大電網實際上是相當于一個內阻抗等于零的恒頻、恒壓電源。由于并網后的發電機運行情況要受到電力系統的制約，也就是它的電壓、頻率要和電網一致而不能單獨變化。因此，對發電機的運行分析將與單機運行有所不同。實際上，系統的容量是有限的．無限大電網只是一個相對的概念．負載增加時，就必須增加發電量，否則，電壓和頻率就會下降，只是大容量系統中，電壓和頻率的變動很小而已。3.同步發電機的并網運行3.2同步發電機并聯投入的條件和方法一、并聯投入條件

為了避免并聯合閘時引起電流、功率以及由此引起的發電機內部的機械應力的沖擊，將要投入電網的發電機應滿足下列條件：

1.發電機的電壓幅值等于電網電壓幅值，而且波形一致。2.投入時，發電機的電壓相位與電網電壓相位一致。3.發電機的頻率等于電網的頻率。4.發電機的相序必須與電網相序一致。

3.同步發電機的并網運行二、不滿足并聯投入條件的后果(1)１、頻率相等，相序一致，但發電機電壓和電網電壓不相等。3.2同步發電機并聯投入的條件和方法3.同步發電機的并網運行二、不滿足并聯投入條件的后果(2)２、電壓相等，相序一致，但發電機頻率和電網頻率不相等。3.2同步發電機并聯投入的條件和方法3.同步發電機的并網運行二、不滿足并聯投入條件的后果(3)３、電壓相等，頻率相等，但發電機相位和電網相位不相等。相序不同是絕對不允許投入的。因為即使某相滿足了前面三個條件，但其它兩相由于相序不同而使電壓相位相差120度，它將引起很大的沖擊環流，危害電機的安全運行。由于汽輪機和水輪機有一定的轉向，而且發電機出線都用顏色黃、綠、紅標明，在裝置開關時，首先就要布置好相序，所以在發電廠一般不會出現相序錯誤。

3.2同步發電機并聯投入的條件和方法3.同步發電機的并網運行三、并聯投入方法(1)整步過程：把發電機投入到電網所進行的操作過程稱為整步過程（或稱并車)，整步方法：準整步和自整步。

準整步：把發電機調整到完全合乎并聯投入，然后投入電網，這種方法叫準整步。自整步；首先校驗發電機的相序，并按照規定的轉向(和定子旋轉磁場的轉向一致)把發電機拖動到接近同步速旋轉，把勵磁繞組通過一限流電阻短路(不加勵磁)，然后把發電機投入電網，并立即加上勵磁，依靠定、轉子間形成的電磁力矩，把轉子自動地拉入同步。

3.2同步發電機并聯投入的條件和方法3.同步發電機的并網運行三、并聯投入方法(2)討論：1）進行自整步操作時要注意，發電機投入電網時，勵磁繞組不應開路，否則勵磁繞組中將感生危險高壓；勵磁繞組也不直接短路，否則合閘時定子電流會有很大沖擊。通常的做法是把滅磁電阻接入閉合的勵磁回路作為限流電阻。

2）自整步法主要缺點是投網時沖擊電流稍大。

3.2同步發電機并聯投入的條件和方法3.同步發電機的并網運行三、并聯投入方法(3)準整步法并車方法：

為判斷發電機是否滿足并聯投入條件，常常采用同步指示器，最簡單的同步指示器由三組同步指示燈組成。同步指示器有兩種接法，一種是暗燈法，另一種叫旋轉燈光法。3.2同步發電機并聯投入的條件和方法3.同步發電機的并網運行§3.2同步發電機并聯投入的條件和方法三、并聯投入方法(4)采用準整步法并車的判斷方法：

1.暗燈法

在并聯刀閘的對應端接上三組燈泡，如圖3-4所示，每一組燈泡稱為相燈，由于相燈兩端電壓最大可達兩倍相電壓，因此，對于相電壓為220伏的發電機，應用兩個220伏的燈泡串聯作為一組相燈，如果發電機和電網電壓較高，必須用電壓互感器降壓后再接相燈，而且發電機和電網的電壓互感器必須有相同的聯結組別。

3.同步發電機的并網運行并聯投入方法(5)1.暗燈法

3.2同步發電機并聯投入的條件和方法3.同步發電機的并網運行三、并聯投入方法(6)1.暗燈法

發電機的相序和電網的相同，電壓也相同，但，則發電機和電網這兩組電壓相量之間就有相對運動。故三組相燈上的電壓同時發生變化，于是三組燈將同時亮，同時滅，亮滅的快慢決定于，調節發電機的轉速，直到三組燈亮、滅變化很慢時，就表示，當三組燈同時熄滅，AS、AG間電壓表讀數為零時，就表示發電機巳經滿足了并聯投入條件，此時就可合閘。

3.同步發電機的并網運行2.燈光旋轉法

在暗燈法中，如果相序接錯，相燈的燈光就會旋轉起來。如果把兩組相燈接在不同的相之間，使它們在正確的相序下。出現旋轉的燈光，這種并聯合閘的方法，叫做燈光旋轉法。

3.同步發電機的并網運行3.同步發電機的并網運行§3.3同步發電機的功率和轉矩平衡方程式一、功率平衡方程式(1)發電機對稱穩態運行時，原動機投入到發電機的機械功率為P1

，扣除發電機的機械損耗pm，鐵耗pfe

和附加損耗pad后，通過電磁感應和定、轉子磁場的相互作用，機械能就轉換為電能，這部分轉換的功率稱為電磁功率PM，用方程式表示為

3.同步發電機的并網運行§3.3同步發電機的功率和轉矩平衡方程式一、功率平衡方程式(2)說明：轉子(勵磁)銅耗沒有列入上列功率方程式3.同步發電機的并網運行§3.3同步發電機的功率和轉矩平衡方程式二、轉矩方程式(1)T1為原動機驅動轉矩T0為發電機空載轉矩TM為發電機的電磁轉矩3.同步發電機的并網運行§3.4同步電機的功角特性功率角：指勵磁電動勢和電網電壓這兩個向量之間的夾角

功角特性：指同步電機接在電網上對稱穩態運行時，電機的電磁功率與功率角之間的關系。功角特性是同步電機并網運行的基本特性之一。通過功角特性，就可以確定穩態運行時發電機所能發出的最大電磁功率，還可以用它來分析靜態穩定等問題。3.同步發電機的并網運行一、隱極式同步發電機的功角特性(1)推導：3.同步發電機的并網運行功角特性證明(２)3.同步發電機的并網運行§3.4同步電機的功角特性一、隱極式同步發電機的功角特性(2)（1）保持勵磁電流不變時，電磁功率與功角按正弦曲線變化，正半波代表發電機工況。（2）電磁功率一定時，改變勵磁電流，若，則θ1＜θ23.同步發電機的并網運行§3.4

同步電機的功角特性一、隱極式同步發電機的功角特性(3)討論：1）若功角特性兩邊同除以同步機械角速度2）不同的勵磁電流產生不同的勵磁電動勢E0，因此可以得到不同的功角特性3）若用標么值表示3.同步發電機的并網運行二、凸極式同步發電機的功角特性(1)3.同步發電機的并網運行§3.4同步電機的功角特性二、凸極式同步發電機的功角特性(2)基本電磁功率附加電磁功率θ<90’時，電磁功率就達到最大值。3.同步發電機的并網運行§3.4同步電機的功角特性二、凸極式同步發電機的功角特性(3)討論：1）將凸極同步電動機的功角特性兩邊同除以同步機械角速度為基本電磁轉矩。為附加電磁轉矩或凸極電磁轉矩。3.同步發電機的并網運行二、凸極式同步發電機的功角特性(4)2）若要求取無功功率Q＝mUIsinφ的功角特性，可用類似方法推導出：當E0、U和xd為常數時，無功功率也是功率角θ的函數3.同步發電機的并網運行二、凸極式同步發電機的功角特性(4)3）對于隱極電機3.同步發電機的并網運行三、功率角θ的物理意義1）對發電機而言，θ

角是勵磁電動勢超前于端電壓的時間角2）θ以空間意義，θ是主磁場與電樞等效合成磁場之間的空間角。功率角可看作轉子磁極軸線與電樞等效合成磁極軸線之間的空間角3.同步發電機的并網運行總之：功率角θ實際上反映了定子合成磁場扭斜的角度，它愈大，產生的電磁功率和電磁轉矩也愈大。而形成θ角的原因是由于有交軸電樞反應磁動勢

Faq（或

Iq），所以，交軸電樞反應磁動勢是產生電磁轉矩、進行機電能量轉換的必要條件。

3.同步發電機的并網運行§3.5同步發電機與無限大電網并聯運行時

有功功率的調節和靜態穩定分析前提

以隱極電機為例，飽和影響和電樞電阻略去不計，由于把電網看作無限大電網．所以U＝常值，且f=常值。

有功功率的調節

電網并聯運行的同步發電機，當增加原動機的拖動轉矩時，電機的電磁制動轉矩隨之增大，電機的電磁功率和輸出有功功率增大。3.同步發電機的并網運行一、有功功率的調節(1)僅輸出輸出無功電流增加來自原動機輸入功率轉子回到同步速，發電機就在θ角下穩定運行原動機輸入的功率恰好補償各種損耗3.同步發電機的并網運行一、有功功率的調節(2)總結：1）對于一臺并聯在無限大電網上的同步發電機，要想增加發電機的輸出功率，就必須增加來自原動機的輸入功率，而隨著輸出功率的增大，當勵磁不作調節時，電機的功率角就必須增大。在調節有功過程中，轉子的瞬時速度雖然稍有變化，但最后發電機的轉速仍將保持為同步速不變。

2）不能無限制地增加來自原動機的輸入功率以增大發電機的電磁功率，對于隱極發電機，當功率角θ達到

時，電磁功率將達到最大值，它稱為同步發電機的功率極限，如果再增加來自原動機的輸入功率．則無法建立新的平衡，電機轉速將連續上升而失步。3.同步發電機的并網運行二、靜態穩定(1)靜態穩定的概念：

在電網或原動機方面偶然發生一些徽小的擾動時，當擾動的原因消失以后，發電機能否回到原先的狀態繼續運行，這個問題稱為同步發電機的靜態穩定同題。如果能回到原先的狀態，發電機就是“靜態穩定”的，反之，就是不穩定的。

3.同步發電機的并網運行二、靜態穩定(2)靜態穩定分析：1電機在A點運行2電機在B點運行3.同步發電機的并網運行二、靜態穩定(3)靜態穩定條件：以θ角表示對于隱極同步發電機，

發電機是靜態穩定的

發電機是靜態不穩定的

靜態穩定極限凸極同步發電機發電機是靜態穩定的發電機是不穩定的它的靜態穩定極限小于

3.同步發電機的并網運行二、靜態穩定(4)靜態穩定條件：以微分形式表示則同步發電機是靜態穩定的則同步發電機是靜態不穩定的為靜態穩定極限，此時發電機保持靜態穩定的能力為零3.同步發電機的并網運行二、靜態穩定(5)同步轉矩系數：

dTM/dθ愈大，保持靜態穩定的能力（或稱保持同步的能力）愈強，也就是說，穩定性愈高。一般把dTM/dθ稱為同步電機的同步轉矩系數。對隱極電機對凸極電機3.同步發電機的并網運行二、靜態穩定(6)同步轉矩系數：3.同步發電機的并網運行總結：1）隱極汽輪發電機的額定運行點一般設計在范圍內，以保證一定大小的同步轉矩系數，即電機具備一定的穩定能力二、靜態穩定(7)2）凸極發電機的靜態穩定極限處于的功率角上，且由于凸極轉矩的關系，θ角在靠近附近，同步轉矩系數還更大一些，一般設計的凸極同步發電機，額定運行點在的范圍內。3.同步發電機的并網運行二、靜態穩定(8)過載能力：最大電磁轉矩（或最大電磁功率）與額定電磁轉矩（或額定電磁功率）之比，稱為過載能力，用

km表示，對于隱極電機

隱極電機的過載能力km＝1.5～2左右。說明：1）過載能力是表示靜態穩定的程度，而不是發電機可以過載的倍數。實際上，電機在額定運行時，不論過載能力多少，從發熱觀點看，電機各部分巳達到額定溫升了。如果過載運行，時間一長，電機有可能燒壞。

2）提高靜態穩定的程度，即提高過載能力，必然要提高最大電磁功率，為了提高PMmax

，必須減小同步電抗xd

，但是減少xd，電機成本增加，所以不能過份地要求較高的過載能力。

3.同步發電機的并網運行三、動態穩定簡介(1)動態穩定：同坐發電機的動態穩定問題是電機遭受大的擾動后，還能否保持同步運行問題如，例如，電網電壓由于突然降低太多，功率角增加，就會使電機失去同步。圖3-19

所示便是這種情況。3.同步發電機的并網運行三、動態穩定簡介（2）1）以上介紹了動態穩定的初步概念，實際上，當同步發電機發生動態穩定時，電網和發電機都是處于過渡過程之中，這時利用穩態分析得到的功角特性根本就不能使用了。取代上述曲線的是一條動態功角特性，其中，發電機的電動勢、電抗都是瞬態值，這里就不再詳細介紹了。

2）以上談到的情況是在勵磁沒有調節的條件下發生的。如果，當發電機發生短路，轉子開始發生振蕩時。勵磁電流立刻自動增加的話，勵磁電動勢就會增加，功角特性也會上移，提高了發電機的動態穩定度。現代的快速勵磁調節器對提高發電機的動態穩定度，起著很重要的作用。3.同步發電機的并網運行例題一臺的凸極同步發電機，接在的電網上額定運行，運行于（滯后）下，略去定子電阻，試求：(1)

(2)與(3)過載能力3.同步發電機的并網運行3.同步發電機的并網運行§3.6無功功率的調節和V形曲線一、調節無功功率的必要性

接到電網上的負載，除了少數電熱設備外，絕大多數都是電感性質的負載。所以，一個電力系統，除了要給負載有功功率外，還要給負載大量的感性無功功率。據大致估計，一個現代化的電力系統，異步電機需要的無功功率占了電網給的總無功功率的70％，變壓器占了20％，其它設備占10％。

電網給的總無功功率，應該由電網里的全部發電機共同負擔。但是，每臺發電機究竟負擔多少，怎樣調節一臺發電機的無功功率呢？這是本節要研究的問題。

二、分析前提認為電網容量足夠大，即認為電網電壓不會改變，頻率也不會改變，為一個無限大電網。

3.同步發電機的并網運行§3.6無功功率的調節和V形曲線三、發電機空載情況下無功功率的調節1正常勵磁：如果發電機是在理想條件下并聯合閘到電網上去，合閘后，電樞電流為零，如圖3-20（a）所示，這時的勵磁電流稱為空載正常勵磁，此時，發電機既不發有功功率，也不發無功功率。

2過勵磁：3欠勵磁：3.同步發電機的并網運行四、發電機負載情況下無功功率的調節保持輸出有功功率不變，這時發電機電