章同步電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行

1第二節(jié)并網(wǎng)運(yùn)行的同步發(fā)電機(jī)電磁功率與功角特性2一.同步發(fā)電機(jī)的功率及轉(zhuǎn)矩1、有功功率平衡輸入功率P1機(jī)械損耗pm附加損耗ps鐵損pFe電磁功率Pem定子銅損pcu1輸出功率P2p0：空載損耗鏈接同步電機(jī)原理動(dòng)畫31、有功功率平衡P1PemP2p0=pFe+pmpcu42、轉(zhuǎn)矩平衡T1：發(fā)電機(jī)軸上輸入的機(jī)械轉(zhuǎn)矩T0：發(fā)電機(jī)空載時(shí)軸上的輸入轉(zhuǎn)矩T：電磁轉(zhuǎn)矩上式說明，電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，驅(qū)動(dòng)性質(zhì)的原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與制動(dòng)性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩和空載轉(zhuǎn)矩之和平衡。所以：5

定義：并聯(lián)于無窮大電網(wǎng)的同步發(fā)電機(jī)，當(dāng)電網(wǎng)電壓和頻率恒定、參數(shù)（xd、xq、xs）為常數(shù)、空載電勢(shì)E0不變（即If

不變）時(shí)，Pem=f(δ)為有功功率功角特性。隱極同步發(fā)電機(jī)的功角特性凸極同步發(fā)電機(jī)的功角特性二.隱極同步發(fā)電機(jī)的功率特性與轉(zhuǎn)矩特性1.功率特性6為了分析方便，假定：1）發(fā)電機(jī)并聯(lián)于無窮大電網(wǎng)；2）發(fā)電機(jī)磁路不飽和；3）忽略電樞繞組電阻。當(dāng)E0與U保持不變時(shí)，發(fā)電機(jī)電磁功率Pem與功角δ關(guān)系，Pem=f(δ)稱為功角特性。假定電機(jī)不飽和，且忽略定子電阻ra1.功率特性7假定電機(jī)不飽和，且忽略定子電阻raδ1.功率特性

若發(fā)電機(jī)并聯(lián)于無窮大電網(wǎng),則U=const，If=const;E0=const，Pem與δ為正弦關(guān)系。PemδmUE0/xs0當(dāng)功角=90時(shí)，電磁功率達(dá)到最大值，它正比于勵(lì)磁電壓，反比于同步電抗1.功率特性隱極同步發(fā)電機(jī)的功角特性：（1）保持勵(lì)磁電流if不變時(shí)Pem值與δ角按正弦曲線變化，正半波代表發(fā)電機(jī)工況。（2）Pem

一定時(shí)，改變勵(lì)磁電流if

，若if1>if2

，則δ

1＜δ

2

Pemδ請(qǐng)比較if1和if2的大小if1if2δ1

δ210二.隱極同步發(fā)電機(jī)的功率特性與轉(zhuǎn)矩特性2.轉(zhuǎn)矩特性

電磁轉(zhuǎn)矩就和功率成正比，若略去電樞電阻，則得電磁轉(zhuǎn)矩的公式為：11

亦即轉(zhuǎn)矩隨著角生化的曲線將與功率隨著角而變化的曲線相同。在用標(biāo)么值表示時(shí)由于取速度的基值為同步轉(zhuǎn)速，所以同步電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速標(biāo)么值為1，轉(zhuǎn)矩和功率便有相同標(biāo)么值。2.轉(zhuǎn)矩特性12三.凸極同步發(fā)電機(jī)的功率特性d軸Rad軸三.凸極同步發(fā)電機(jī)的功率特性14123Pemδ0321凸極同步發(fā)電機(jī)的功角特性曲線基本電磁功率（勵(lì)磁功率）附加電磁功率（磁阻功率）總電磁功率15可見凸極機(jī)Pem由兩部分組成。隱極機(jī)的功角特性。勵(lì)磁功率與勵(lì)磁無關(guān)。它是由d，q軸磁導(dǎo)差異而產(chǎn)生的。：附加電磁功率（磁阻功率）無論凸極機(jī)、隱極機(jī)，當(dāng)功角δ=0時(shí)，Pem=0。功率極限值(隱極)0δ900PemPemmax1800發(fā)電機(jī)有功功率功角特性曲線δPem18000900Pemmax隱極電機(jī)凸極電機(jī)兩種電機(jī)功角特性的區(qū)別18

功角的時(shí)空概念在時(shí)間上：端電壓和勵(lì)磁電勢(shì)之間的相位差在空間上：合成磁場(chǎng)軸線與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)軸線之間夾角。穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，F(xiàn)f和F之間無相對(duì)運(yùn)動(dòng)，固定。功角為正值時(shí)，為發(fā)電機(jī)運(yùn)行。19功角δ意義的圖示:功角δ

是轉(zhuǎn)子磁極軸線和定子合成磁極軸線的空間夾角FδFf功角是研究同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的一個(gè)重要參數(shù)，它不僅決定發(fā)電機(jī)輸出有功功率的大小，而且還反映發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的相對(duì)空間位置，它把同步電機(jī)的電磁關(guān)系和機(jī)械運(yùn)動(dòng)緊密聯(lián)系起來。20無功功率的功角特性定義：

并聯(lián)于無窮大電網(wǎng)的同步發(fā)電機(jī)當(dāng)電網(wǎng)電壓和頻率恒定、參數(shù)（xd、xq、xs）為常數(shù)、空載電勢(shì)E0不變（即If

不變）時(shí)，Q=f(δ)為無功功率功角特性。四、無功功率與功角關(guān)系。(隱極機(jī)為例）21δ無功功率與功角關(guān)系22當(dāng)E0，U，xs一定時(shí)，Q=f(δ)Pem

δ0QPemQ無功功率與功角關(guān)系當(dāng)Q>0，發(fā)電機(jī)發(fā)出感性無功（吸收容性）。當(dāng)Q<0，發(fā)電機(jī)吸收感性無功（發(fā)出容性）。23凸極同步發(fā)電機(jī)無功功率的功角特性隱極同步發(fā)電機(jī)無功功率的功角特性24隱極同步發(fā)電機(jī)無功功率功角特性的幾個(gè)特殊點(diǎn)隱極同步發(fā)電機(jī)的功角特性勵(lì)磁電流改變時(shí)的有功功率和無功功率功角特性增大勵(lì)磁電流如果功角保持不變，增大勵(lì)磁電流，則勵(lì)磁電勢(shì)增大，有功和無功功率均增加。26第三節(jié)并列運(yùn)行時(shí)有功功率的調(diào)節(jié)與靜態(tài)穩(wěn)定一、有功功率調(diào)節(jié)

功角特性Pem=f(δ)反映了同步發(fā)電機(jī)的電磁功率隨著功角變化的情況。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速由電網(wǎng)的頻率決定，恒等于同步轉(zhuǎn)速，即發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T

和電磁功率Pem之間成正比關(guān)系：

T=Pem/127

電磁轉(zhuǎn)矩與原動(dòng)機(jī)提供的動(dòng)力轉(zhuǎn)矩相平衡:

T1=T0+T

其中T0為空載轉(zhuǎn)矩，因摩擦、風(fēng)阻等引起的阻力轉(zhuǎn)矩。分析時(shí)忽略空載轉(zhuǎn)矩。

要改變發(fā)電機(jī)輸送給電網(wǎng)的有功功率，就必須改變?cè)瓌?dòng)機(jī)提供的動(dòng)力轉(zhuǎn)矩。

這一改變可以通過調(diào)節(jié)水輪機(jī)的進(jìn)水量或汽輪機(jī)的汽門來達(dá)到。一、有功功率調(diào)節(jié)28δ=0；Pem=0δ1.同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行：在投入并聯(lián)前，發(fā)電機(jī)處于空載發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，原動(dòng)機(jī)輸入的功率用來平衡各種損耗，此時(shí)δ=0，定、轉(zhuǎn)子磁極軸線重合，所以Pem=0，在功角特性的0點(diǎn)上。一、有功功率調(diào)節(jié)29δδ（1）根據(jù)能量守恒原理，要使發(fā)電機(jī)輸出電功率，應(yīng)增加其輸入的機(jī)械功率。轉(zhuǎn)子受力，加速，（超前）；將超前δ角發(fā)電機(jī)處于空載，δ=0;Pem=0（2）此時(shí)滯后于，則對(duì)有一向后拖動(dòng)的力。2.P的調(diào)節(jié)30（3）此時(shí)Pem>0，發(fā)電機(jī)輸出電功率。此時(shí)轉(zhuǎn)子受F制動(dòng)作用，即電磁轉(zhuǎn)矩T為制動(dòng)性質(zhì)。（使其速度為n1）δPemδ09001800AδAP2Pemax2.P的調(diào)節(jié)31

可見，并聯(lián)于無窮大電網(wǎng)的同步發(fā)電機(jī)要調(diào)節(jié)有功功率輸出，只有調(diào)節(jié)原動(dòng)轉(zhuǎn)矩。在功率極限角范圍內(nèi)，輸入轉(zhuǎn)矩越大，有功功率輸出就越大。

增加原動(dòng)轉(zhuǎn)矩(開大汽門)，發(fā)電機(jī)輸入功率P1增大，T1>Tem，轉(zhuǎn)子加速,δ逐漸變大，輸出功率Pem和電磁轉(zhuǎn)矩Tem逐漸增大，直到T1=Tem為止。2.P的調(diào)節(jié)32二、靜態(tài)穩(wěn)定(1)設(shè)發(fā)電機(jī)原工作點(diǎn)為A點(diǎn)，功角為δA。此時(shí)T1=T+T0

靜態(tài)穩(wěn)定：指并聯(lián)在電網(wǎng)上穩(wěn)定運(yùn)行的同步發(fā)電機(jī)，當(dāng)受電網(wǎng)或原動(dòng)機(jī)方面某些微小擾動(dòng)時(shí)，能在這種干擾消失后，繼續(xù)保持原來穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的能力。Pemδ09001800AδAP2Pemax33Pemδ09001800aδAδBb工作點(diǎn)為a點(diǎn)，

T1=T+T0

B若原動(dòng)機(jī)輸入的能量擾動(dòng)增加了T1↑，T1>T0+T，則發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子突然加速，δ↑，由圖可知，原動(dòng)機(jī)的輸入轉(zhuǎn)矩不變，迫使電機(jī)減速，電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。34Pemδ09001800aδAδBbB在a點(diǎn)運(yùn)行時(shí)電機(jī)具有靜態(tài)穩(wěn)定的能力。工作點(diǎn)為a點(diǎn)，

T1=T+T0

若原動(dòng)機(jī)輸入的能量擾動(dòng)減小了T1↓，T1<T0+T，則發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子突然減速，δ↓，由圖可知，原動(dòng)機(jī)的輸入轉(zhuǎn)矩不變，迫使電機(jī)加速，35T1=T+T0

擾動(dòng)使輸入突然增加，Pemδ09001800aδAδBde即使干擾消失，T1>T″+T0，電機(jī)加速，T″↓，電機(jī)失去同步。d點(diǎn)為不穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)。2.若發(fā)電機(jī)工作在d點(diǎn)36同步發(fā)電機(jī)失去同步后，必須立即減小原動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械功率，否則將使轉(zhuǎn)子達(dá)到極高的轉(zhuǎn)速，以致離心力過大而損壞轉(zhuǎn)子。另外，失步后，發(fā)電機(jī)的頻率和電網(wǎng)頻率不一致，定子繞組中將出現(xiàn)一個(gè)很大的電流而燒壞定子繞組。因此，保持同步是十分重要的。為了判斷同步發(fā)電機(jī)是否靜態(tài)穩(wěn)定并衡量其穩(wěn)定程度。二、靜態(tài)穩(wěn)定靜態(tài)穩(wěn)定的判據(jù)：比整步功率(kW/rad)對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)，比整步功率為對(duì)水輪發(fā)電機(jī)，比整步功率為

電機(jī)穩(wěn)定的判斷s38由此可見，要提高穩(wěn)定性，可以使If↑，xs減小。在電機(jī)穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，Psyn

越大，越小，電機(jī)穩(wěn)定性越好?？蛰d時(shí)，δ=0，Psyn最大，最穩(wěn)定；δ=π/2，Psyn=0，將進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)；δ>π/2，Psyn<0，失去穩(wěn)定。

電機(jī)穩(wěn)定的判斷39所以同步發(fā)電機(jī)與無窮大電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行：

(1)短路比大的同步電機(jī)，其同步電抗小，和短路比小的同步電機(jī)比，在有功功率相同的情況下，功角要小些，故短路比大的同步電機(jī)穩(wěn)定性較好；

(2)輸出有功功率相同時(shí)，過勵(lì)狀態(tài)狀態(tài)下功角較小，故過勵(lì)狀態(tài)下穩(wěn)定性好；

(3)輕載時(shí)功角較小，故輕載時(shí)穩(wěn)定性好。過載能力汽輪發(fā)電機(jī)的過載能力最大電磁功率與額定功率的比值稱為過載能力。

過載能力越大，電機(jī)的穩(wěn)定性越好。過載能力是表達(dá)靜態(tài)穩(wěn)定的能力，不是發(fā)電機(jī)可以過載的倍數(shù)。

過載能力設(shè)計(jì)是從提高穩(wěn)定觀點(diǎn)考慮的，不是從發(fā)熱觀點(diǎn)考慮的。ss41若發(fā)電機(jī)經(jīng)變壓器及輸電線與電網(wǎng)并聯(lián),則XL：輸電線路電抗?？梢姶藭r(shí)，↓，過載能力下降,穩(wěn)定性↓Pemδ09001800δ1δ2對(duì)于汽輪發(fā)電機(jī)，額定情況下功角為，過載能力為1.6-2.0功率調(diào)節(jié)：調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)的輸出功率（改變汽門或水門大?。泄β瘦敵鲎兓铅淖兓?，無功功率Q也變化。

小結(jié)：靜態(tài)穩(wěn)定：1.定義：2.判據(jù)：比整步功率（隱極電機(jī)）

…………穩(wěn)定運(yùn)行…………不穩(wěn)定運(yùn)行…………極限位置

**結(jié)論：隨δ↓→Psyn↑→靜態(tài)穩(wěn)定性好433.靜態(tài)過載能力(隱極電機(jī)）:

**①δ=25～35°；②提高靜態(tài)穩(wěn)定的方法：提高E0或xs；③Km與Kc的關(guān)系44應(yīng)當(dāng)注意，當(dāng)調(diào)發(fā)電機(jī)的有功功率時(shí)，若勵(lì)磁電流不變時(shí)，δ的變化也將引起無功功率的變化。感性無功功率隨著有功功率的增加而減少，甚至可能導(dǎo)致無功功率改變符號(hào)，這是應(yīng)當(dāng)避免的。因此如果只要求改變發(fā)電機(jī)所承擔(dān)的有功功率時(shí)，應(yīng)該在調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)有功功率的同時(shí)，適當(dāng)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流。

有功功率調(diào)節(jié)45第四節(jié)并列運(yùn)行時(shí)無功功率的調(diào)節(jié)與V型曲線接在電網(wǎng)上運(yùn)行的負(fù)載類型很多，多數(shù)負(fù)載除了消耗有功功率外，還要消耗感性無功功率，如接在電網(wǎng)上運(yùn)行的異步電機(jī)、變壓器、電抗器等。所以電網(wǎng)除了供應(yīng)有功功率外，還要供應(yīng)大量滯后性的無功功率。電網(wǎng)所供給的絕大部份無功功率是由并網(wǎng)的同步發(fā)電機(jī)共同分擔(dān)。46有功功率的調(diào)節(jié)依靠原動(dòng)機(jī)輸入功率的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)從能量守恒觀點(diǎn)看，并網(wǎng)運(yùn)行的同步發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)無功功率，不需調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)來的輸入功率，只需改變勵(lì)磁電流。以不飽和隱極同步發(fā)電機(jī)為例，假設(shè)不考慮電樞電阻，且認(rèn)為與無窮大電網(wǎng)并聯(lián)。47一、假定電機(jī)未帶有功功率1、發(fā)電機(jī)未帶有功，空載電勢(shì)：電樞電流：發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電勢(shì)等于端電壓，電樞電流為零，且不存在電樞電勢(shì)，勵(lì)磁繞組的主磁勢(shì)與合成磁勢(shì)相等，此時(shí)稱發(fā)電機(jī)正常勵(lì)磁。482.若勵(lì)磁電流If↑，則Ff

↑，E0↑，但發(fā)電機(jī)端電壓仍為電網(wǎng)電壓產(chǎn)生一滯后電流，純感性磁勢(shì)Ff↑，F(xiàn)不變，因此必產(chǎn)生一去磁性質(zhì)的磁勢(shì)Fa，使結(jié)論：發(fā)電機(jī)過勵(lì)發(fā)出感性無功功率，且勵(lì)磁電流

If越大，I，Q。493.若勵(lì)磁電流If，則Ff

，E0

產(chǎn)生一超前純電容性電流

因此，必產(chǎn)生一助磁的磁勢(shì)，使結(jié)論：發(fā)電機(jī)欠勵(lì)發(fā)出容性無功功率，且勵(lì)磁電流If

，I↑；容性Q↑。IIf0欠勵(lì)過勵(lì)正常勵(lì)磁領(lǐng)先滯后cos=1Pem051二、當(dāng)發(fā)電機(jī)供一恒定有功時(shí)改調(diào)無功時(shí)，不改變?cè)瓌?dòng)機(jī)輸入，有功保持不變。即：在改變無功時(shí)，電樞電流的終點(diǎn)必在CD上，而勵(lì)磁電勢(shì)的終點(diǎn)必在AB上。CABDδxs52CABD規(guī)定，當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出一不變有功，輸出電樞電流，當(dāng)時(shí)的勵(lì)磁電流定義為正常勵(lì)磁電流，此時(shí)與同相①正常勵(lì)磁電流If0。則E0↑，設(shè)E0↑至E02,可見滯后于，過勵(lì)狀態(tài)：電樞除有功分量外，還向電網(wǎng)輸出感性無功。②若If53CABB欠勵(lì):

E0至E03

，超前于，發(fā)電機(jī)吸收感性無功（發(fā)出容性無功）。③若If↓<If0D54三種勵(lì)磁狀態(tài)比較1.正常勵(lì)磁2.過勵(lì)磁3.欠勵(lì)磁55三、

U形曲線：

并聯(lián)于無窮大電網(wǎng)的同步發(fā)電機(jī)，保持有功功率不變時(shí)，表示電樞電流

I

和勵(lì)磁電流If的關(guān)系曲線I=f（If）不穩(wěn)定區(qū)域正常勵(lì)磁過勵(lì)磁欠勵(lì)磁欠勵(lì)磁－“進(jìn)相”運(yùn)行過勵(lì)磁－“遲相”運(yùn)行56U型曲線①cos=1,I最小，不論If↑或者If↑，I都將增加；②正常勵(lì)磁時(shí)Q=0,當(dāng)If↑時(shí)I↑，發(fā)出感性無功，過勵(lì);If↓時(shí)I↑，發(fā)出容性無功，欠勵(lì)；IIf0欠勵(lì)過勵(lì)正常勵(lì)磁領(lǐng)先滯后cos=1不穩(wěn)定區(qū)Pem2Pem1Pem0③隨Pem↑，U形曲線上抬，Pem2>Pem1>Pem0

；57④cos=1的連線，隨有功輸出的增加，該線向右增加，這是由于I的增加，必須增加一些勵(lì)磁電流，才能保證cos=1,即當(dāng)：Pem↑，正常勵(lì)磁電流增加；IIf0欠勵(lì)過勵(lì)正常勵(lì)磁領(lǐng)先滯后cos=1不穩(wěn)定區(qū)Pem2Pem1Pem058⑤cos=1的左邊屬欠勵(lì)區(qū)，電機(jī)發(fā)出容性無功，cos=1的右邊屬過勵(lì)區(qū)，電機(jī)發(fā)出感性無功，⑥隨If↓，↑，當(dāng)If過小，

=900，電機(jī)將失去穩(wěn)定IIf0欠勵(lì)過勵(lì)正常勵(lì)磁領(lǐng)先滯后cos=1不穩(wěn)定區(qū)Pem2Pem1Pem059四、無功功率調(diào)節(jié)

從能量守恒觀點(diǎn)看，并網(wǎng)運(yùn)行的同步發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)無功功率，不需調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)來的輸入功率，只需改變勵(lì)磁電流。調(diào)節(jié)前，增大后調(diào)節(jié)不影響發(fā)電機(jī)的有功功率輸出,但影響電機(jī)的穩(wěn)定性能。調(diào)節(jié)無功時(shí)不影響有功功率的輸出,但是調(diào)節(jié)有功時(shí)影響無功功率輸出.Q=QaQ=Qb無功功率調(diào)節(jié)：調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流If↑→