同步发电机的并联运行优化方案

【学习任务】（1）正确说出同步发电机并列运行含义和并列运行条件。

（2）正确实施同步发电机的并列运行。

微课14.1：同步发电机的并列运行

1.并列运行含义

并列运行是指将两台或更多台发电机分别接在电力系统（无穷大电网）对应的母线，或通过变压器、输电线接在电力系统的公共母线上，共同向负荷供电。发电厂通常采用多台发电机并列运行的方式，这不仅可以提高机组的运行效率，也便于机组的检修，从而提高供电的可靠性，减少机组的备用容量。现代电力系统将许多火力和水力等不同类型的发电厂并列运行，组成强大的电力系统共同向用户供电，这更有利于提高整个电力系统运行的稳定性、经济性和可靠性，如图14－8所示。

图14－8　同步发电机的并列运行

2.并列运行条件

同步发电机与电力系统并列合闸时，为了避免产生冲击电流和并列后能稳定运行，需要满足一定的并列条件，否则可能造成严重的后果。

（1）待并发电机电压和电网电压大小相等且波形相同；

（2）待并发电机电压相位和电网电压相位相同；

（3）待并发电机的频率和电网频率相等；

（4）待并发电机相序和电网的相序要相同。

上述条件中发电机电压波形在制造发电机时已得到保证。一般要求在安装发电机时，根据发电机规定的旋转方向确定发电机的相序，因而得到满足。这样并列投入时只要调节待并发电机电压大小、相位和频率与电网相同，即满足了并列条件。

3.并列运行条件不满足时的并列运行

事实上绝对地符合并列条件只是一种理想，通常允许在小的冲击电流下将发电机投入电网并列运行。下面以隐极发电机为例分别讨论这些并列条件中有一条不满足而进行并列时，对发电机所造成的不良后果。

1）待并发电机电压与电力系统电压大小不相等

2）待并发电机电压相位和电力系统电压相位不相同

图14－9　电压大小不相等时的并列

（a）原理图；（b）相量图

图14－10　电压相位不相同时的并列

（a）相位差小于90°；（b）相位差等于180°

3）待并发电机的频率和电力系统频率不相等

如图14－11所示，由于频率不相等，两个电压相量的旋转角速度也不相等，两相量之间出现了相对运动，其相位差α为0°～360°，电压差的值也忽大忽小，其值在（0～2）U之间变化，这个变化的电压差称为拍振电压。在拍振电压的作用下将产生大小和相位都不断变化的拍振电流，拍振电流滞后电压差，拍振电流的有功分量和转子磁场相互作用所产生的转矩也时大时小，导致发电机产生振动。

图14－11　频率不相等时并列

（a）波形图；（b）相量图

因此，频率差过大的发电机不能并列；频率差较小时，靠自整步作用，可以把发电机拉入同步。

4）相序不同

相序不同的发电机绝对不能并列，因为此时恒差60°，ΔU恒等于，它将产生巨大的冲击电流而危及发电机。

发电机实际并列时，除了相序必须一致外，其他条件允许有一定的偏差，如ΔU不超过10%、相位差不超过10%、频率偏差不超过0.2%～0.5%（0.1～0.25 Hz）。

4.准同步法

投入并列所进行的调节和操作过程称为整步，实用的整步方法有两种：准确整步法（准同步法）和自然整步法。

准确整步法是指将发电机调整到完全符合并列条件后的合闸操作过程，即让待并列发电机首先处在空载励磁状态下工作，然后调节发电机使其满足一定的条件再并入电力系统。按准确同步条件进行并列操作，可采用同步表法，也可以采用灯光法，其中灯光法又有两种接法：直接接法（灯光黑暗法）和交叉接法（灯光旋转法）。

准同步法的优点是投入瞬间，发电机与电力系统间无电流冲击；缺点是操作复杂，需要较长的时间进行调整，尤其是电力系统处于异常状态时，电压和频率都在不断地变化，此时要用准同步法并列就相当困难。故其主要用于电力系统正常运行时的并列。

1）同步表法

同步表法是在仪表的监视下，调节待并发电机的电压和频率，使之符合与电力系统并列的条件，其接线如图14－12所示。

图14－12　同步表法接线图

（a）接线图；（b）同步表外形

电力系统电压与待并发电机的电压分别由电压表V1和V2监视，调节待并发电机的励磁电流，可达到调节电压的目的。电力系统的频率与待并发电机的频率分别由频率表HZ1和HZ2监视，调节待并发电机的原动机转速，可达到调节频率的目的。准同步并列的前三个条件都可由同步表S监视，同步表的指针向“快”的方向摆，则表明待并发电机的频率高于电力系统的频率，此时应减小原动机转速；反之亦然。调节待并发电机的励磁和转速，使仪表V2、HZ2与V1、HZ1的读数分别相同，同步表S的指针偏转缓慢，当同步表S的指针接近红线时，表示待并发电机与电力系统已达同步，满足并列条件，应迅速合闸，完成并列操作。

这一操作过程包括各量的调节及并列断路器的投入，可由运行人员手动完成，也可用一套自动准同步装置来完成。

2）直接接法（灯光黑暗法）

灯光黑暗法是把三个同步指示灯分别跨接在电网和发电机的对应相之间，即接在A、A′，B、B′，C、C′之间，如图14－13所示。这时作用在每一组同步指示灯上的电压就等于电网的相电压和发电机对应的相电压之差。若三组灯同明同暗，说明相序正确；当三组灯同时熄灭时，表示电压差，即可并网合闸。当待并车的发电机频率与电网频率不同时，两边电压将有不同的旋转速度，即发电机和电网两组电压之间将有相对运动。

设电网电压相量取作固定不动，发电机的电压相量按照双方频率之差转动，在不同瞬间两组相量有不同的位置，各组同步指示灯上所受的电压将不断地变化，于是同步指示灯的灯光便忽亮忽暗地闪烁。

当两频率越接近时，灯光的闪烁便越缓慢。根据灯光的闪烁情况，可以调节发电机的转速，使发电机电动势的频率尽可能接近电网的频率。下面通过相量图来分析两个电压频率不同时的情况，如图14－14所示，设电源频率f小于发电机的频率f′。

可以看出在不同的瞬间，三组指示灯所受的电压总相等，指示灯将同时明、暗，明、暗变化的频率就是发电机与电网相差的频率。调节发电机原动机的转速使灯光明、暗变化频率很低时，就可以准备合闸。应在三组灯全暗时合闸，此时开关两侧电位差已很小，即发电机与电网电压差ΔU≈0。

图14－13　灯光黑暗法

（a）接线图；（b）相量图

图14－14　灯光黑暗法相量图

当不满足并网条件时，灯光黑暗法所见的现象如下：

（1）如频率不等，三个相灯将呈现同时暗、同时亮的交替变化，说明发电机与电网的频率不同，需调节原动机转速从而改变发电机频率。

（2）如电压不等，三个相灯没有绝对熄灭，而是在最亮和最暗范围闪烁，则需调节励磁电流，从而改变发电机的端电压。

（3）如相序不等，三个相灯明暗呈交替变化状态，说明发电机与电网的相序不同，需对调发电机或电网的任意两根接线。

（4）如相角不等，三组相灯不同时熄灭，不能合闸并网，则需微调节转速。(www.xing528.com)

3）交叉接法（灯光旋转法）

检查并列条件，还可以用跨接在待并发电机和电力系统之间的灯光旋转法来判断，接线图如图14－15（a）所示。在相序正确的前提下，当发电机的频率和电力系统的频率不等时，从相量图14－15（b）可见，三只指示灯端电压交替变化，如果发电机的频率高于电力系统的频率，应先“1”灯亮，然后“2”灯亮，最后“3”灯亮。这时灯光在旋转，可调节发电机的转速使灯光旋转速度逐渐缓慢，同时调节发电机的励磁，使电压差的大小接近于零。当接在同名相上A相的灯光“1”完全熄灭，交流电压表V读数为零时，可将发电机投入电力系统。

图14－15　灯光旋转法

（a）接线图；（b）相量图；（c）发电机转速与灯光旋转方向的关系图

在并列操作过程中，可能不是出现三个灯光旋转，而是三个指示灯光同时明暗的现象，这说明待并发电机与电力系统的相序不相同，这时绝对不容许投入并列，而应先停下机组，改正发电机的相序后再进行并列操作。

灯光旋转法只适用于交流三相低压系统（AC 380 V/220 V）的低压发电机并列，在电力系统中一般不采用，但在分析如何满足并列条件时较为直观、形象。

5.自同步法

准同步并列虽然可避免过大的冲击电流，但操作复杂，要求有较高的精确性，需要较长的时间进行调整，因而要求操作人员具有熟练的技能。特别是在电力系统发生故障时，其电压和频率均在变化，采用准同步并列较为困难。因此，发电机可采用自同步并列法将发电机投入电力系统。

用自同步法进行并列操作，首先要验证发电机的相序是否与电力系统相序相同。如图14－16所示，将发电机的转子绕组经灭磁电阻短路，灭磁电阻的阻值约为转子绕组电阻的10倍。并列操作时发电机是在不给励磁的情况下，调节发电机的转速使之接近于同步转速，合上并列断路器，并立即加上直流励磁，此时依靠定子和转子磁场间形成的电磁转矩可把转子迅速牵入同步。

图14－16　自同步法的原理接线图

自同步法并列操作投入电力系统时，发电机励磁绕组不能开路，以免励磁绕组产生高电压，击穿绕组匝间绝缘。但也不能短路，以免合闸时定子电流出现很大的冲击值。为此，励磁回路应串入起限流作用的灭磁电阻Rf。

自同步并列法操作简单迅速，不需要增加复杂的设备，但待并发电机投入电力系统瞬间将产生较大冲击电流，故一般用于事故状态下的并列操作。

自测题

一、填空题

1.同步发电机并网的条件是：（1）___________________；（2）___________________；（3）__________________；（4）__________________。

2.投入并联所进行的操作过程称为________，实用的整步方法有两种：____________和____________。

3.按准确同步条件进行并列操作，可采用__________，也可以采用__________。

4.灯光法有两种接法：__________和____________。

二、选择题

1.三相同步发电机在与电网并联时，必须绝对满足的条件是（　　）。

A.电压相等　　　　B.电压相序相同　　　　C.频率相等　　　　D.电压相位相同

2.同步发电机并网时要求发电机与电网的频率相差不超过0.2%～0.5%，电压有效值相差不超过5%～10%，发电机的相序与电网相序相同，并且相位差不超过（　　）。

A.5°　B.10°　C.20°　D.不确定

3.补偿电网电力不足，同步发电机并联运行，有功功率一定，则（　　）同步发电机的电枢电流最小。

A.过励时　B.正常励磁时　C.欠励时　D.励磁电流最小时

4.对于由两台交流同步发电机构成的船舶电站，下列关于其原动机调速特性的说法正确的是（　　）。

A.均为无差特性，是最为理想的

B.一台为有差特性，一台为无差特性，并联后一定可以稳定运行

C.均为相同的调差率的有差特性，是最为理想的

D.均为相同的调差率的有差特性，并联后不能稳定运行

5.若两台同步发电机的原动机调速特性分别为有差和无差特性，则两台发电机（　　）。

A.并联后，不能进行有功负载转移

B.并联运行后，若网上有功负载变动，则变化量将全部由无差特性的发电机承担

C.并联运行后，若网上有功负载变动，则变化量将全部由有差特性的发电机承担

D.并联运行后，若网上有功负载变动，将导致频率的变动

6.两台同容量同步发电机并联运行后，为保证当负荷变动时，电网频率变化不太大且发电机功率分配稳定，一般调速器的调差率在（　　）范围为宜。

A.1%～2%　B.2%～3%　C.3%～5%　D.5%～10%

7.电网上只有两台同步发电机并联运行，如果只将一台发电机组油门减小，而另一台未作任何调节，则会导致（　　）。

A.电网频率下降　B.电网频率上升

C.电网频率振荡　D.电网电压上升

三、判断题

1.同步发电机采用准同期法并车，当其他条件已满足，只有频率不同时，调节发电机的转速使其频率与电网频率相等，合上并联开关，即可并车成功。（　　）

2.三相同步发电机在与电网并联时，必须绝对满足的条件是电压相位相同。（　　）

3.用整步表进行手动同期并列时，当同期表指针停在同期点上不动时就合闸。（　　）

4.当有发电机定子单相接地警告信号时，应立即停下发电机进行检查处理。（　　）

四、简答题

1.请说明同步发电机并列运行的条件。

2.请说明同步发电机并列条件不满足时对发电机的影响。

3.当频率不同时，灯光熄灭法和旋转灯光法的灯光闪烁有什么区别？

答案14.2