同步機23章運行.ppt

第五篇 同步機,第23章 同步發(fā)電機的并網運行（簡稱并行、 并聯(lián)、運行） 23.1 并行的條件和方法 23.2 功角特性 23.3 有功調節(jié)和靜態(tài)穩(wěn)定 23.4 無功調節(jié),23.1.1 并聯(lián)的背景知識 23.1.2 理想并行總條件 23.1.3 理想并行分條件 23.1.4 實際并行的方法,23.1 同步發(fā)電機并行的條件和方法,1 什么是并聯(lián)？ 把各機的A相都接到母線A上，各機的B相都接到母線B上，各機的C相都接到母線C上。圖示的是單相示意圖。,23.1.1 并行的背景知識,2 并聯(lián)的環(huán)路、環(huán)流 并聯(lián)會形成天然的環(huán)路。 空載時環(huán)路中存在的電流叫環(huán)流。,3 無窮大電網相當于一臺內阻抗為零的發(fā)電機-其電壓恒等于其電勢-見左圖右下角。,無環(huán)流-回路總電勢為零：,23.1.2 理想并行總條件-無環(huán)流,1 相序一致；分析見后 2 幅值一致；分析見后 3 頻率一致；分析見后 4 相位一致。分析見后,23.1.3 理想并行分條件：如何做到無環(huán)流？,要想實現,無環(huán)流條件分析之一：相序一致,首先必須保證發(fā)電機、電網的相序一致。如果相序不一致，則上述兩個電勢就屬于不同的相，二者之間就有120的相位差。合成電勢不為零。不僅不為零，而且數值很大，達到線電勢的數值-所生環(huán)流特別巨大，會很快燒毀發(fā)電機。,要想實現,無環(huán)流條件分析之二：幅值一致,其次必須保證發(fā)電機、電網的電勢幅值一致。如果幅值不一致，兩電勢雖同相，合成電勢仍不為零。如圖示。以為發(fā)電機的電勢，一為無窮大電網的電勢。環(huán)流大?。ㄎ：Τ潭龋┤Q于幅值相差的大小。,要想實現,無環(huán)流條件分析之三：頻率一致,第三必須保證發(fā)電機、電網的電勢頻率一致。如果頻率不一致，則合成電勢是個變量，時而為零，時而不為零。環(huán)流亦然。,要想實現,無環(huán)流條件分析之四：相位一致,第四必須保證發(fā)電機、電網的電勢相位一致。如果相位不一致，兩電勢雖相等，合成電勢仍不為零，如圖所示。從而環(huán)流亦不為零。,23.1.4 實際并行的方法,實際并行有兩種方法： 1 準確同步法-了解即可 各項理想并行條件均達到時，投入并行。 2 自整步法-了解即可 僅相序一致，其它條件基本一致時就投入并行。,23.2 同步發(fā)電機的功角特性,1 功角特性的定義 2 功角特性的用途 3 凸極機功角特性的表達式 4 凸極機功角特性的相關術語 5 凸極機功角特性的圖形 6 隱極機功角特性的表達式 7 隱極機功角特性的圖形 8 電樞電阻的影響-不要求,23.2 同步發(fā)電機的功角特性,同步發(fā)電機的功角特性是指E0和U保持不變時，發(fā)電機發(fā)出的電磁功率與功率角之間的關系Pe=f()。 功是什么功？-電磁功率 角是什么角？-功率角,1 功角特性的定義,2 功角特性的用途,功角特性可以用來研究同步電機接在電網上運行時發(fā)出的有功功率，并進一步揭示機組的穩(wěn)定性和闡明發(fā)電機與電動機之間的聯(lián)系和轉化。 詳后。,3 凸極機功角特性的表達式,以凸極機為例。隱極機可作為凸極機的特例處理。 不計電樞電阻。此時，電磁功率（E0發(fā)出的功率）= 輸出功率。,由下頁的相量圖可知：,由下面的相量圖可知：,3 凸極機功角特性的表達式：續(xù)1,3 凸極機功角特性的表達式：續(xù)2,4 凸極機功角特性的相關術語,凸極機功角特性表達式中第一項Pe1稱為基本電磁功率，第二項Pe2稱為附加電磁功率。附加電磁功率與E0（即勵磁）的大小無關，且僅當XdXq時才存在，是由交、直軸磁阻不相等的凸極效應所引起，亦稱為磁阻功率。 沒有勵磁繞組的同步電機稱為磁阻電機。,術語： 基本電磁功率 附加電磁功率 磁阻功率,5 凸極機功角特性的圖形 -對圖形的描述見下頁。,術語： 基本電磁功率 附加電磁功率 （磁阻功率）,當=90時，基本電磁功率達到其最大值。 當=45時，附加電磁功率達到其最大值。 總的電磁功率在=4590之間達到最大值，其具體位置和數值視Pe1(max)和Pe2(max)的相對大小而定。 發(fā)電機狀態(tài)：0180時，電磁功率為正值。 電動機狀態(tài)：-1800時，電磁功率為負值。,5 凸極機功角特性的圖形：續(xù)1 -對圖形的描述。,6 隱極機功角特性的表達式,7 隱極機功角特性的圖形,8 電樞電阻的影響-不要求,23.3 有功功率的調節(jié)和靜態(tài)穩(wěn)定,23.3.1 有功功率的調節(jié) 23.3.2 靜態(tài)穩(wěn)定,23.3.1 有功功率的調節(jié),發(fā)電機并入電網的目的，就是要向電網輸出有功功率、無功功率。如圖所示，這里以隱極電機為例，說明一臺同步發(fā)電機與無窮大電網并聯(lián)時有功功率的調節(jié)。為簡化分析，不計電樞電阻和磁飽和。,23.3.1 有功功率的調節(jié)：續(xù)1,如圖所示，并行開始時， 相量E0=相量U 功率角=0 發(fā)電機輸出有功功率為0 發(fā)電機電磁轉矩Te=0 發(fā)電機處于空載狀態(tài) 原動機的驅動轉矩只需克服發(fā)電機的空載轉矩。,23.3.1 有功功率的調節(jié)：續(xù)2,如圖所示。開大汽輪機的汽門，則原動機的驅動轉矩T1增大，使發(fā)電機的轉子瞬時加速。與轉子主磁場對應的勵磁電勢相量E0將超前電網電壓相量U以角，同時產生電樞電流相量I。 據功角特性，此時發(fā)電機將產生一定的電磁功率，向電網輸出一定的有功功率，同時作用于轉子一個制動的電磁轉矩Te，與增加的驅動轉矩相平衡，發(fā)電機仍為同步速。發(fā)電機此時處于負載運行狀態(tài)。,23.3.1 有功功率的調節(jié)：續(xù)3,由上可見，要增加發(fā)電機輸出的有功功率，必須增加原動機的輸入功率，使功率角增大，電磁功率和輸出功率相應增大。 簡言之，調節(jié)有功靠汽門。 這一分析，符合能量守恒定律。,23.3.2 靜態(tài)穩(wěn)定,1 穩(wěn)定的背景知識：平衡、穩(wěn)定 2 靜態(tài)穩(wěn)定的定義 3 靜態(tài)穩(wěn)定的分析準備：從功角 特性到矩角特性 4 靜態(tài)穩(wěn)定的分析 5 整步功率系數 6 過載能力,1 穩(wěn)定的背景知識：平衡、穩(wěn)定,什么叫平衡？ 牛頓第一定律說：勻速直線運動狀態(tài)、靜止狀態(tài)這兩種狀態(tài)稱為平衡狀態(tài)。 什么叫穩(wěn)定？ 平衡有兩種，一種是穩(wěn)定平衡，一種是不穩(wěn)定平衡。如圖所示。 可見，穩(wěn)定是用來描述平衡的。經得起擾動的平衡，叫做穩(wěn)定平衡。經不起擾動的平衡叫做不穩(wěn)定平衡。,2 靜態(tài)穩(wěn)定的定義,發(fā)電機在某一狀態(tài)下并行。設外界（電網或原動機）給發(fā)電機一個微擾（微小的擾動）。如果微擾消失后，發(fā)電機能回到原先的狀態(tài)，那么該狀態(tài)是靜態(tài)穩(wěn)定的；否則，該狀態(tài)是靜態(tài)不穩(wěn)定的。,3 靜態(tài)穩(wěn)定的分析準備：從功角特性到矩角特性,發(fā)電機的矩角特性，指的是E0和U保持不變時，發(fā)電機的電磁轉矩與功率角之間的關系。 發(fā)電機的功角特性，指的是E0和U保持不變時，發(fā)電機的電磁功率與功率角之間的關系。 比較二者可見，只要在功角特性表達式的兩邊同時除以同步角速度，即得矩角特性表達式。 顯然，矩角特性的圖形亦為正弦形。與功角特性圖形比較，只是縱坐標的比例不同而已。,3 靜態(tài)穩(wěn)定的分析準備：從功角特性到矩角特性 續(xù)1,完全類似地，只要在原動機功角特性表達式的兩邊同時除以同步角速度，即得原動機矩角特性表達式。 顯然，與原動機功角特性相似，原動機矩角特性的圖形亦為一條水平線。表示原動機的驅動功率、驅動轉矩二者均與發(fā)電機的功率角無關。,4 靜態(tài)穩(wěn)定的分析,如圖示，設發(fā)電機原先在A點運行，=A 0A90。電磁轉矩為Te。若此時原動機給一微擾T1，則功率角將增大，電磁轉矩將相應地增加Te。它抑制功率角的進一步增大。當微擾消失，制動的電磁轉矩使機組回到A點運行。反之亦然。所以A點是穩(wěn)定的。 類似分析可知B點是不穩(wěn)定的。,5 整步功率系數 為了衡量穩(wěn)定程度，引入整步功率系數k。,當90時，k0，發(fā)電機是穩(wěn)定的。越接近90， k越小，穩(wěn)定程度也越低。當 = 90時， k=0，達到靜態(tài)穩(wěn)定極限。當90時，k0，發(fā)電機就變?yōu)椴环€(wěn)定。k與的關系曲線如圖中虛線所示。,6 過載能力 發(fā)電機的最大電磁功率與額定功率之比稱為過載能力，記為kP。,為使穩(wěn)定運行，發(fā)電機額定功率要小于最大電磁功率。額定情況下，汽輪發(fā)電機的功率角一般為N3040，而kp1.62.0。,23.4 無功功率的調節(jié),1 無功調節(jié)的背景 2 無功調節(jié)的假定 3 無功調節(jié)的相量圖 4 正勵、過勵、欠勵 5 穩(wěn)定極限 6 解釋無功調節(jié)的磁勢平衡理論 7 V形曲線的定義 8 V形曲線的基本解讀 9 V形曲線的高級解讀,1 無功調節(jié)的背景,電網上一般都帶有大量的電感性負載，因此需要一定的無功功率。 并聯(lián)在電網中的同步發(fā)電機不僅要向電網輸出有功功率，而且還要輸出無功功率。 這里仍以隱極電機為例，說明同步發(fā)電機與無窮大電網并聯(lián)時，無功功率的調節(jié)。,2 無功調節(jié)的假定,1）不計電樞電阻； 2）不計磁飽和的影響； 3）調節(jié)勵磁前、后，原動機的輸入有功功率保持不變。 根據功率平衡關系，發(fā)電機的電磁功率也應近似保持不變，于是有：,3 無功調節(jié)的相量圖,由于電網電壓U、發(fā)電機的相數m和同步電抗Xs均為定值，所以據上式有：,4 正勵、過勵和欠勵,當功率因數cos=1時，勵磁電流If稱為正常勵磁，簡稱正勵。,此時發(fā)電機的電樞電流全部為有功電流； 輸出功率全部為有功功率。,4 正勵、過勵和欠勵：續(xù)1,在正勵的基礎上：,如果增加勵磁電流，使IfIf，從上圖可見，此時的電樞電流將滯后于電網電壓，電樞電流中除有功分量外，還有滯后的無功分量；換言之，發(fā)電機除輸出有功功率外，還將輸出滯后的無功功率。此時的發(fā)電機運行狀態(tài)稱為過勵。 如果減少勵磁電流，使IfIf，從上圖可見，此時的電樞電流將超前于電網電壓，電樞電流中除有功分量外，還有超前的無功分量；換言之，發(fā)電機除輸出有功功率外，還將輸出超前的無功功率。此時的發(fā)電機運行狀態(tài)稱為欠勵，也稱進相運行。,5 穩(wěn)定極限,如果在欠勵的基礎上進一步減少勵磁電流，直到=90，則發(fā)電機達到穩(wěn)定運行的極限。如再減少勵磁電流，發(fā)電機則不能穩(wěn)定運行。,6 解釋無功調節(jié)的磁勢平衡理論,發(fā)電機與無窮大電網并聯(lián)時，其端電壓恒定。因此，無論勵磁如何變化，電樞繞組的合成磁通基本不變。 過勵時，主磁通增多，為維持電樞繞組的合成磁通不變，發(fā)電機應輸出滯后電流，使去磁性的電樞反應增加，以抵消過多的主磁通。 欠勵時，主磁通減少，為維持合成磁通不變，發(fā)電機必須輸出超前電流，使電樞反應變?yōu)樵龃判?，以補償主磁通的不足。,7 V形曲線的定義,電網電壓、輸出功率不變時，電樞電流I與勵磁電流If之間的關系曲線I=f(If)稱為V形曲線。如圖示。因狀似V字，故得此名。,8 V形曲線的基本解讀,1固定電網電壓，改變電磁功率，可得出一族V形曲線。 2空載V形線：最低的V形曲線對應于Pe=0，也稱空載V形線，它表征空載狀況。功率加大時，曲線上移。 3正勵與幺功因線：每條曲線的最低點表示cos=1，此時電樞電流最小，全部為有功分量，此時勵磁是正勵。將各曲線最低點連接起來得到一條幺功因線，它略微右傾。它為什么略微右傾呢？思考 4過勵：幺功因線的右側為過勵狀態(tài)，功因滯后。 5欠勵：幺功因線的左側為欠勵狀態(tài)，功因超前。 6穩(wěn)定極限：當勵磁減小至圖左虛線時，電機將出現不穩(wěn)定現象。圖左虛線表示穩(wěn)定極限。發(fā)電機欠勵運行時，應注意控制勵磁，以防不穩(wěn)。,9 V形曲線的高級解讀 9.1幺功因線為何略微右傾？,略微右傾表示：同樣是正勵，隨著電樞電流的增大，勵磁電流也要增大，但僅是略微增大。 原因如下：幺功因意味著外功因角為零。由于存在漏抗，故內功因角0不為零。因而電樞反應具有去磁性。由于漏抗很小，故這個去磁性是很弱的。為了克服這個弱弱的去磁效應，勵磁電流必須略微地增加。故幺功因線略微地右傾。,9 V形曲線的高級解讀：續(xù)1 9.2 最低V形線上功因角如何取值？,答：取值分三種情形：0，+90，-90。 最低V形線上的最低點。此點I=0,值似乎 不定。但因此點位于幺功因線上，故可認 為=0。 最低V形線的右枝：此時I0、Pe=0，故 cos=0=+90。 最低V形線的左枝：此時I0、Pe=0，故 cos=0=-90。,9 V形曲線的高級解讀：續(xù)2 9.3 負載V形線上功因角如何取值？,答： 值分三種情形：左負右正，底點為0。 最低點位于幺功因線上：故=0。 最低點的右側 Icos不變： I增cos降 從0向+90連續(xù)變化。 最低點的左側 Icos不變： I增cos降 從0向-90連續(xù)變化。,9 V形曲線的高級解讀：續(xù)3 9.4 穩(wěn)極線為何與縱標斜交？,答：穩(wěn)極線由穩(wěn)極點組成。以頂部穩(wěn)極點為參照，觀察Pe減小時穩(wěn)極點坐標的變化。 橫標：當Pe減小時，E0sin減小。到達穩(wěn)極時，sin=1，故穩(wěn)極時的E0變小，因而If變小。 縱標：看右圖。 U不變，E0變小致IXs變小 I變小。 可見，隨著Pe的減小，穩(wěn)極點向左下移動，即穩(wěn)極線與縱標斜交。,9 V形曲線的高級解讀：續(xù)4 9.5 如何理