电机学课堂讲义第三部分同步电机16h 上海交通大学电气工程系EE SJTU 第九讲同步发电机的并网运行 重点：并网条件，并网方法，功角特性，稳定性 难点：功角特性，稳定性 问题：同步发电机有哪些并网方法？并网条件是什么？同步发电机并网运行的优点是什么？并网运 行的功角特性与哪些因素有关？如何确定稳定性？稳定性的性能指标是什么？什么是比整步功率？ 无功功率与哪些因素有关？ 同步发电机并网前是空载运行，电网具有相对稳定的电压和频率，同步发电机并网后要求不产生过 电流，以免损害同步发电机甚至使得电网不稳定而造成其他电网问题。 1、同步发电机并网条件 同步发电机的并网必须满足以下条件：电压的幅值、频率、相位、相序和波形都要相同。 (1)电压幅值相同 并网前发电机的线电压与电网线电压幅值不相等，通过同步发电机的励磁系统调节励磁电流实现。 如果同步发电机电压偏低，增大励磁电流：偏高，则减小励磁电流。 (2)频率相同 并网前同步发电机的频率与电网频率不同，通过原动机改变发电机转速。如果转速偏低，增大原动 机输入，否则减小原动机输入。对于汽轮发电机调节汽轮机的汽压和流量，水轮机发电机调节水流 量。一般机组拖动的调节原动机输入功率，如调节直流一同步机组的直流电动机电枢电流。 (3)相位相同 并网前同步发电机与电网的频率相同但相位不同， 通过原动机调节发电机转速，改变频率来改变相 位，但是频率相差及其微小，否则又要调频。 (4)相序相同 并网前同步发电机与电网的相序，那么任意改变发电机的两个引线，就可保证相序相同。 (5)波形相同 并网前同步发电机与电网的电压幅值、频率、相位和相序相同，但波形不同，说明两者谐波成分不 同，需要增加滤波器，谐波严重且无法用滤波器实现或即使能实现但代价很大的情况同步发电机就 不能并网。同步发电机电势谐波必须在电机设计阶段解决。电网中的谐波需要采用滤波器和无功补 偿电路抑制或消除。 2、同步发电机并网方法 同步发电机并网方法有准同步法和自同步法两类。准同步法又包含灯光熄灭法和灯光旋转法两种。 (1)准同步灯光熄灭法 同步发电机和电网之间每相接入能承受两倍电网电压的灯泡，灯泡同相连接，同时通过三相单掷开 关准备并网，以便切除灯泡。通过调节励磁和原动机输入，使得三相灯泡同时亮同时灭，而且亮和 灭的周期不断增加，即灯泡闪烁的频率不断降低。灯泡闪烁的频率代表发电机与电网频率之差。合 闸的条件是频率差达到1.0赫兹以下且灯泡完全熄灭的时刻。 (2)准同步灯光旋转法 同步发电机和电网之间每相接入能承受两倍电网电压的灯泡，灯泡一相同相连接，另两相交叉连 接，同时通过三相单掷开关准备并网。通过调节励磁和原动机输入，使得三相灯泡依次轮流亮与 灭，即灯光旋转。要求三相灯泡的灯光轮流亮或灭的周期不断增加，即灯泡亮与灭的频率不断降 1
电机学课堂讲义 第三部分 同步电机 16h 上海交通大学电气工程系 EE SJTU 1 第九讲 同步发电机的并网运行 重点：并网条件，并网方法，功角特性，稳定性 难点：功角特性，稳定性 问题：同步发电机有哪些并网方法？并网条件是什么？同步发电机并网运行的优点是什么？并网运 行的功角特性与哪些因素有关？如何确定稳定性？稳定性的性能指标是什么？什么是比整步功率？ 无功功率与哪些因素有关？ 同步发电机并网前是空载运行，电网具有相对稳定的电压和频率，同步发电机并网后要求不产生过 电流，以免损害同步发电机甚至使得电网不稳定而造成其他电网问题。 1、同步发电机并网条件 同步发电机的并网必须满足以下条件：电压的幅值、频率、相位、相序和波形都要相同。 （1）电压幅值相同 并网前发电机的线电压与电网线电压幅值不相等，通过同步发电机的励磁系统调节励磁电流实现。 如果同步发电机电压偏低，增大励磁电流；偏高，则减小励磁电流。 （2）频率相同 并网前同步发电机的频率与电网频率不同，通过原动机改变发电机转速。如果转速偏低，增大原动 机输入，否则减小原动机输入。对于汽轮发电机调节汽轮机的汽压和流量，水轮机发电机调节水流 量。一般机组拖动的调节原动机输入功率，如调节直流－同步机组的直流电动机电枢电流。 （3）相位相同 并网前同步发电机与电网的频率相同但相位不同，通过原动机调节发电机转速，改变频率来改变相 位，但是频率相差及其微小，否则又要调频。 （4）相序相同 并网前同步发电机与电网的相序，那么任意改变发电机的两个引线，就可保证相序相同。 （5）波形相同 并网前同步发电机与电网的电压幅值、频率、相位和相序相同，但波形不同，说明两者谐波成分不 同，需要增加滤波器，谐波严重且无法用滤波器实现或即使能实现但代价很大的情况同步发电机就 不能并网。同步发电机电势谐波必须在电机设计阶段解决。电网中的谐波需要采用滤波器和无功补 偿电路抑制或消除。 2、同步发电机并网方法 同步发电机并网方法有准同步法和自同步法两类。准同步法又包含灯光熄灭法和灯光旋转法两种。 （1）准同步灯光熄灭法 同步发电机和电网之间每相接入能承受两倍电网电压的灯泡，灯泡同相连接，同时通过三相单掷开 关准备并网，以便切除灯泡。通过调节励磁和原动机输入，使得三相灯泡同时亮同时灭，而且亮和 灭的周期不断增加，即灯泡闪烁的频率不断降低。灯泡闪烁的频率代表发电机与电网频率之差。合 闸的条件是频率差达到1.0赫兹以下且灯泡完全熄灭的时刻。 （2） 准同步灯光旋转法 同步发电机和电网之间每相接入能承受两倍电网电压的灯泡，灯泡一相同相连接，另两相交叉连 接，同时通过三相单掷开关准备并网。通过调节励磁和原动机输入，使得三相灯泡依次轮流亮与 灭，即灯光旋转。要求三相灯泡的灯光轮流亮或灭的周期不断增加，即灯泡亮与灭的频率不断降
电机学课堂讲义第三部分同步电机16h 上海交通大学电气工程系EE SJTU 低。灯泡亮与灭的频率代表发电机与电网频率之差。合闸的条件是频率差达到1.0赫兹以下且同相连 接的灯泡完全熄灭的时刻。 准同步法并网的优点是没有合闸引起的冲击电流，但操作复杂而费时。当电网发生故障而需要备用 发电机迅速投入运行时，由于电网电压和频率不稳定，使得准同步法并网变得十分困难。 (3)自同步法 自同步法是利用同步发电机的电磁转矩牵入同步。并网前，将励磁绕组接限流电阻，用原动机拖动 发电机启动，当转速接近同步速时，即发电机频率与电网频率相差小于5%，合闸并网，同时加励磁 电压、调节励磁电流，使得同步发电机自动牵入同步。 自同步法成本低，操作简单、迅速，但励磁绕组合闸时存在电流冲击。 3、同步发电机并网运行 同步发电机并网后，电压稳定运行。由于发电机频率锁定在电网频率，因此转速稳定，转矩与功率 呈正比，研究同步电机主要研究功率与参数的关系。在忽略电枢电阻的条件年，同步电机的电磁功 率等于有功电功率，有功和无功电功率与电网电压、发电机电枢电流和功率因数有关。 (1)电磁功率 设电网相电压U,发电机电枢相电流I,功率因数角，内功率因数角，功率角6，则电磁功率 Pm mUIcoso=mUlcos(-0)=mUl,cos0+mUl sine 1,-E1-Ucose Usin0 X。 mUELsine+ mU Xa -(X,-X,)sin26 XaX 0 电磁功率与功率角的关系称为功角特性。电磁功率由两部分组成：一是隐极功图25电磁功率率角日 的正弦函数，幅值发生在0=90°，幅值与励磁电势呈正比，而与直轴同步电抗成反比，如图25粗黑线 所示：二是磁阻功角特性，它是功率角的两倍角正弦函数，幅值与电压平方呈正比，与励磁电流无 关，特别地，它与直轴和交轴同步电抗之差呈正比，即表征同步电机气隙磁阻不同引起的，故称为 磁阻功率项。对于隐极同步电机不存在磁阻功率项。由于电励磁凸极同步电机的直轴同步电抗大于 交轴同步电抗，因此磁阻功率在=45时达到最大，如图25细黑波浪线。由此可知，电磁功率最大值 发生在45<0<90°，如图25细黑线。 值得注意的是，永磁同步电机不同结构具有不同的功角特性：因永磁磁极的相对磁导率接近1.0，对 于永磁磁极粘贴在转子铁心表面的永磁同步电机，直轴和交轴同步电抗基本相等：对于永磁极插入 转子铁心内部且切向或者周向磁化的永磁同步电机，直轴同步电抗大于交轴同步电抗：对于永磁极 插入转子铁心内部且径向磁化的永磁同步电机，直轴同步电抗小于交轴同步电抗。对于直轴同步电 抗比交轴同步电抗小的情况，磁阻功率最大值发生在功率角=135°，如图25细红波浪线，电磁功率 最大值发生在90°<0<135之间，如图25细红线。 (2)无功功率 同步电机的无功功率表示为 Q=mUIsino mUIsin(-0)=mUl,cos0-mUl,sine 将电枢电流的直轴和交轴分量代入后，得到与功率角有关的无功功率表达式 2
电机学课堂讲义 第三部分 同步电机 16h 上海交通大学电气工程系 EE SJTU 2 低。灯泡亮与灭的频率代表发电机与电网频率之差。合闸的条件是频率差达到1.0赫兹以下且同相连 接的灯泡完全熄灭的时刻。 准同步法并网的优点是没有合闸引起的冲击电流，但操作复杂而费时。当电网发生故障而需要备用 发电机迅速投入运行时，由于电网电压和频率不稳定，使得准同步法并网变得十分困难。 （3）自同步法 自同步法是利用同步发电机的电磁转矩牵入同步。并网前，将励磁绕组接限流电阻，用原动机拖动 发电机启动，当转速接近同步速时，即发电机频率与电网频率相差小于5％，合闸并网，同时加励磁 电压、调节励磁电流，使得同步发电机自动牵入同步。 自同步法成本低，操作简单、迅速，但励磁绕组合闸时存在电流冲击。 3、同步发电机并网运行 同步发电机并网后，电压稳定运行。由于发电机频率锁定在电网频率，因此转速稳定，转矩与功率 呈正比，研究同步电机主要研究功率与参数的关系。在忽略电枢电阻的条件下，同步电机的电磁功 率等于有功电功率，有功和无功电功率与电网电压、发电机电枢电流和功率因数有关。 （1）电磁功率 设电网相电压Ｕ，发电机电枢相电流I，功率因数角ϕ，内功率因数角ψ，功率角θ，则电磁功率 ! Pem = mUI cos" = mUI cos(# $%) = mUIq cos% + mUId sin% ! Id = E f "U cos# Xd , ! Iq = U sin" Xq ! Pem = mUE f Xd sin" + mU2 2Xd Xq (Xd # Xq )sin2" 电磁功率与功率角的关系称为功角特性。电磁功率由两部分组成：一是隐极功角特性，它是功率角θ 的正弦函数，幅值发生在θ=900 ，幅值与励磁电势呈正比，而与直轴同步电抗成反比，如图25粗黑线 所示；二是磁阻功角特性，它是功率角θ的两倍角正弦函数，幅值与电压平方呈正比，与励磁电流无 关，特别地，它与直轴和交轴同步电抗之差呈正比，即表征同步电机气隙磁阻不同引起的，故称为 磁阻功率项。对于隐极同步电机不存在磁阻功率项。由于电励磁凸极同步电机的直轴同步电抗大于 交轴同步电抗，因此磁阻功率在θ=450 时达到最大，如图25细黑波浪线。由此可知，电磁功率最大值 发生在450 Xd θ
电机学课堂讲义第三部分同步电机16h 上海交通大学电气工程系EE SJTU 0= mUE cos0-mU -(X,sin26+X。cos2) (3)同步发电机的稳定性 同步发电机的稳定性是指同步发电机稳定运行时出现短时外部扰动，如果扰动消失后同步发电机仍 然能正常运行，说明同步发电机的工作点是稳定的，否则是不稳定的。虽然任何系统当受到的扰动 超过一定值时都可能失去稳定，但是这里讨论稳定性是将扰动限制在极其微弱的条件下确定稳定运 行区域，采用准静态分析方法。如果要讨论一定扰动范围的稳定性，那么需要考虑系统动态稳定特 性。有关动态稳定问题不在这里讨论。 以隐极同步发电机为例分析稳定运行区域。假设隐极同步电机运行在功率P,对应功角特性的A和B 点。对于A点来说，功率角日490°，假设存在功率扰动，如原动机输入功率减小，功率角也减小，电磁功 率由B点P增加到B1点的P1。当原动机扰动消失后，电磁功率大于原动机输入，转子减速，功率角继 续减小，直到回复到稳定运行的A点，因此B点是不稳定的。 如果同步发电机工作在B点，而原动机输入功率增加，那么转子加速，功 率角也增加，电磁功率由B点P继续减小。当原动机扰动消失后，因电磁 功率小于原动机输入，转子继续加速，功率角继续增大，即使经过一定 时间后回到A点对应的功率角，由于转子积累的动能超过同步速而不能下 降到同步速，待超过峰值功率点后又将继续加速，直到转速超过失去同 步，限速装置动作而停机。由此可见，功率角在90时是隐极同步发电机 06490°6g 的临界稳定点，功率角在0°-180°范围内，小于90为稳定运行区域，超过 图26电磁功率稳定性 90°为不稳定运行区域。 扰动法分析稳定性是要注意扰动的类型，比如负载功率扰动、原动机功率扰动、负载电压扰动、负 载频率扰动、励磁电流扰动等，这些扰动对功角特性的影响。 一般地定义比整步功率 dPm mUE -cos0+ de (X,-X,)cos20 当比整步功率大于零时，同步发电机静态稳定：当比整步功率小于零时，同步发电机静态不稳定； 当比整步功率等于零时，同步发电机临界稳定。临界稳定对应电磁功率达到极限状态，将极限状态 电磁功率与额定状态电磁功率之比定义为同步电机的过载能力 对于隐极电机，过载能力可以用额定状态的功率角6v正弦的倒数表示kM=I/sinO。 对于凸极电机，临界状态功率角为 2(X。-X)U 0 arccos- 8(Xa-X)U2+X2E;+X E 凸极同步电机的过载能力 3
电机学课堂讲义 第三部分 同步电机 16h 上海交通大学电气工程系 EE SJTU 3 ! Q = mUE f Xd cos" # mU2 Xd Xq (Xd sin2 " + Xq cos2 ") （3）同步发电机的稳定性 同步发电机的稳定性是指同步发电机稳定运行时出现短时外部扰动，如果扰动消失后同步发电机仍 然能正常运行，说明同步发电机的工作点是稳定的，否则是不稳定的。虽然任何系统当受到的扰动 超过一定值时都可能失去稳定，但是这里讨论稳定性是将扰动限制在极其微弱的条件下确定稳定运 行区域，采用准静态分析方法。如果要讨论一定扰动范围的稳定性，那么需要考虑系统动态稳定特 性。有关动态稳定问题不在这里讨论。 以隐极同步发电机为例分析稳定运行区域。假设隐极同步电机运行在功率P0，对应功角特性的A和B 点。对于A点来说，功率角θA900 ，假设存在功率扰动，如原动机输入功率减小，功率角也减小，电磁功 率由B点P0增加到B1点的P1。当原动机扰动消失后，电磁功率大于原动机输入，转子减速，功率角继 续减小，直到回复到稳定运行的A点，因此B点是不稳定的。 如果同步发电机工作在B点，而原动机输入功率增加，那么转子加速，功 率角也增加，电磁功率由B点P0继续减小。当原动机扰动消失后，因电磁 功率小于原动机输入，转子继续加速，功率角继续增大，即使经过一定 时间后回到A点对应的功率角，由于转子积累的动能超过同步速而不能下 降到同步速，待超过峰值功率点后又将继续加速，直到转速超过失去同 步，限速装置动作而停机。由此可见，功率角在900 时是隐极同步发电机 的临界稳定点，功率角在00 --1800 范围内，小于900 为稳定运行区域，超过 900 为不稳定运行区域。 扰动法分析稳定性是要注意扰动的类型，比如负载功率扰动、原动机功率扰动、负载电压扰动、负 载频率扰动、励磁电流扰动等，这些扰动对功角特性的影响。 一般地定义比整步功率 ! Psyn = dPem d" = mUE f Xd cos" + mU2 Xd Xq (Xd # Xq )cos2" 当比整步功率大于零时，同步发电机静态稳定；当比整步功率小于零时，同步发电机静态不稳定； 当比整步功率等于零时，同步发电机临界稳定。临界稳定对应电磁功率达到极限状态，将极限状态 电磁功率与额定状态电磁功率之比定义为同步电机的过载能力 ! kM = Pem max PemN 对于隐极电机，过载能力可以用额定状态的功率角θN正弦的倒数表示 ! kM =1/sin"N 。 对于凸极电机，临界状态功率角为 ! "cr = arccos 2(Xd # Xq )U 8(Xd # Xq ) 2 U2 + Xq 2 E f 2 + XqE f 凸极同步电机的过载能力 图26 电磁功率稳定性 0 Pem P0 A1 θ B1 A B P1 θA 90 θB 0 Pmax
电机学课堂讲义第三部分同步电机16h 上海交通大学电气工程系EE SJTU 8 EE Xie Baochang SJTU 4
电机学课堂讲义 第三部分 同步电机 16h 上海交通大学电气工程系 EE SJTU 4 ! kM = Pem ("cr) Pem ("N )
