如何实现同步发电机的并联运行？

现代电力系统一般总量是由许多发电厂（包括利用不同能源发电的火电厂、水电站和核电站）并联组成。而每个发电厂或电站通常又有多台发电机在一起并联运行。这样一方面可以根据负载的变化统一调度来调整投入运行的机组数目，提高机组的运行效率，另一方面又可合理地安排定期轮流，提高供电的可靠性，减小机组检修和事故。特别是对水电站和火电厂并联的系统，可以充分利用和合理地调度电能。例如，在丰水期，主要由水电站发出大量廉价的电力，火电厂则可以少发电；而在枯水季节，则主要由火电厂提供电力。当许多发电厂并联在一起时，形成了强大的电力网，因此负载的变化对电网电压和频率的影响很小，从而提高了供电的质量和可靠性。

1.并联运行的条件和方法

（1）准同期法

准同期法并联的条件为：

①机电压和电网电压大小相等且波形相同，即

②发电机电压相位和电网电压相位相同；

③发电机的频率和电网频率相等，即fg＝fs；

④发电机和电网的相序要相同。

上述条件中发电机电压波形在制造电机时已得到保证。第④项要求一般在安装发电机时，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。这样并联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，即满足了并联条件。事实上绝对地符合并联条件只是一种理想状态，通常允许在小的冲击电流下将发电机投入电网并联运行。

准同期法的优点是投入励磁瞬间，发电机与电网间无电流冲击，缺点是操作复杂、需要较长的时间进行调整。尤其是电网处于异常状态时，电压和频率都在不断地变化，此时要用准同期法并联就相当困难。故其主要用于系统正常运行时的并列。

（2）自同期法

在系统事故状态下为迅速将机组投入电网，可采用自同期法。

所谓自同期法是指同步发电机在不加励磁情况下，把励磁绕组经过电阻短接，然后启动发电机，待其转速接近同步转速时合上并联开关，将发电机投入电网，再立即加上直流励磁，此时依靠定子和转子磁场间形成的电磁转矩，可把转子迅速地牵入同步。

自同期法操作简单、迅速，缺点是合闸及投入励磁时有电流冲击。

2.同步发电机的有功功率特性及有功功率的调节

一台同步发电机并入电网后，必须向电网输送功率，并根据电力系统的需要随时进行调节，以满足电网中负载变化的需要。为了弄清有功率的调节，首先必须研究电机的功率平衡关系和功角特性。

（1）功率和转矩的平衡

同步发电机的功率转换可用图4-16所示关系来说明。来自原动机的输入机械功率P1，这个功率的一部分用来抵偿机械损耗Pmec、铁芯损耗PFe和附加损耗Pad，其余部分便以电磁感应的方式传递到电枢绕组，这个功率称为电磁功率，用Pem表示，即

磁损耗与励磁系统有关，对于同轴励磁机，P1还应扣除励磁机的输入功率后才是Pmec。电磁功率中在扣除电枢绕组中的铜损耗PCu1＝3RaI2，才为输出的电工功率P2，即

对大、中型同步发电机、定子铜损耗不超过额定功率的1％，可略去不计，则

把式（4-19）带入（4-18）整理得

式中　∑P——发电机的总损耗。

式（4-21）即同步发电机的功率平衡方程。

图4-16　同步发电机的功率流程图

将式（4-18）两边除以同步机械角速度得转矩平衡方程为

式中　T1——原动机转矩，为驱动转矩，

Tem——电磁转矩，

T0——空载转矩，为制动转矩，

（2）功角特性

式（4-22）说明，对于同步发电机，电磁转矩是以阻力距的形式出现的，它对应于通过感应关系传递给定子的电磁功率。下面介绍同步发电机电磁功率的另一种表达式，即功角特性。

对凸极电机，若忽略电枢绕组电阻，则电磁功率等于输出功率，即

Pem≈P2＝mUIcosφ＝mUIcos(φ－δ)

由图（4-8）可得

将式（4-24）代入（4-23）可得

式中　——基本电磁功率；

——附加电磁功率，也称为磁阻功率。

对于隐极同步发电机，由于Xd＝Xq＝Xt，附加电磁功率为零，则电磁功率为

由式（4-25）和式（4-26）可知：当电网电压U和频率恒定、参数Xd和Xq为常数、励磁电动势E0不变（即If不变）时，同步发电机的电磁功率只取决于E0与U·的夹角δ，δ称为功角（又称为功率角），则Pem＝f（δ）为同步电机的功角特性，如图4-17所示。

从隐极同步发电机的功角特性可知，电磁功率Pem与功角δ的正弦函数sinδ成正比。当δ＝90°时，功率达到极限值；当δ＞180°时，电磁功率由正变负，此时电机转入电动机运行状态，如图4-17所示。

从凸极同步发电机的功角特性可知，由于Xd≠Xq，附加的电磁功率不为零，且在δ＝45°时，附加电磁功率出现最大值，如图4-18所示的曲线2。这部分功率与E0无关，即只要定子绕组上加有电压、功角不为零，即使转子绕组不加励磁电流（E0为零）也会有附加电磁功率两条特性曲线相加，如图4-17所示。

图4-17　同步发电机的功角特性

凸极电机的最大电磁功率将比具有同样E0、U和Xd（即Xt）的隐极电机稍大一些，并且在δ＜90°时出现。(www.xing528.com)

关于功角的正负有如下规定：沿着转子旋转方向超前，功角δ为正，这表明Ft超前Fu，对应的电磁功率Pem为正，同步电机输出有功功率，即工作于发电机状态；若滞后于，则功角为负值，这表明Ft滞后于Fu，对应的Pem为负，同步电机从电网吸收有功功率，同步电机工作于电动机状态。

从电枢反应的性质来看，由于Ft与Fu的空间相角差是由于电机中的交轴电枢反应引起的，也即只有电机中存在交轴电枢反应，才会使气隙合成磁场偏离空载气隙磁场一个角度，所以才有电磁功率，从而实现机—电能量转换。而直轴电枢反应仅仅在直轴位置改变磁场的大小，而不产生空间角的位移。所以说交轴电枢反应是实现机—电能量转换的关键。

（3）同步发电机有功功率的调节。

为简化分析，设已并网的发电机为隐极电机，略去饱和的影响和电枢电阻，且认为电网电压和频率恒为常数，即认为发电机是与无穷大电网并联。

一般当发电机处于空载运行状态时，发电机的输入机械功率P1恰好和空载损耗P0＝Pmec＋PFe＋Pad相平衡，没有多余的部分可以转化为电磁功率，即P1＝P0，T1＝T0，Pem＝0，如图4-18所示。此时虽然可以有E0＞U，且有电流I·输出，但它是无功电流，气隙合成磁场和转子磁场的轴线重合，功角等于零。

当增加原动机的输入功率P1，即增大了输入转矩T1时，T1＞T0，出现了剩余转矩（T1－T0），使转子瞬时加速，主磁极位置将沿转向超前气隙合成磁场，相应的也超前一个δ角，如图4-18所示，使Pem＞0，发电机开始向电网输出有功电流，并同时出现与电磁功率Pem相对应的制动电磁转矩T。当δ增大到某一数值使电磁转矩与剩余转矩（T1－T0）相平衡时，发电机的转子就不再加速，最后平衡在对应的功角δ值处。

图4-18　与无穷大电网并联时同步发电机有功功率的调节

由此可见，要调节同步发电机的有功功率的输出，就必须调节来自原动机的输入功率，在调节功率的过程中，转子的瞬时转速虽然稍有变化，但进入一个新的稳定状态后，发电机的转速仍保持同步速度。

不断地加大发电机的输入功率，并不一定能使发电机稳定地输出电能，因为发电容量除了受绕组的容量限制之外，主要还受到静态稳定的限制。对于隐极电机，当功角达到90°时，电磁功率将达到功率的极限Pemmax，若再增加输入，剩余功率将使转子继续加速，δ角继续增大，电磁功率反而减小，结果使得电机的转速连续上升至失步，或称为失去静态稳定。

所谓静态稳定，是指电网或原动机方面出现某些微小扰动时，同步发电机能在这种瞬时扰动消失后，继续保持原来的平衡状态，这时的同步发电机被称为是静态稳定的，否则就是静态不稳定。如图4-18（c）所示的a点是静态稳定的，而d点是静态不稳定的。

分析表明，在功率特性曲线的上升部分的工作点，都是静态稳定的；下降部分的工作点，都是不稳定的，因此静态稳定的条件用数学式表示为是平衡同步发电机稳定运行能力的一个系数，称为比整步功率，用Psyn表示。对于隐极电机来说有

为了使同步发电机能稳定运行，在电机设计时，就使发电机的极限功率比其额定功率大一定的倍数，这个倍数称为静态过载能力，用λ表示。对于隐极电机来说有

一般要求λ＞1.7，通常为1.7～3，与此对应的发电机额定运行时的功角δN为25°～35°。

【例4-1】　并列于无穷大容量电网的汽轮发电机，运行于额定负载时的功角δ＝30°，在输入功率不变的情况下，调节发电机的励磁电流，使它的空载电动势E0下降到原值的1/3倍，求电动势下降后的功角δ。发电机能否稳定运行？

解　输入功率不变，即没有调节有功功率的输出，所以调节励磁电流的前后，电磁功率应相等，故有

由δ＜90可知，发电机能够稳定运行。

3.同步发电机的无功功率调节及V形曲线

同步发电机带电感性负载时，电枢反应具有去磁性质，为了维持发电机的端电压不变，必须增大励磁电流。由此可见，无功功率的改变依赖于励磁电流的调节。

以隐极同步发电机为例，不计磁路饱和的影响，且忽略电枢电阻，当发电机的端电压恒定、在保持发电机输出的有功功率不变时，应有

即

即

上述两式表明，在输出恒定的有功功率时，如调节励磁电流，电动势相量端点的轨迹为图4-19中的CD线，电流相量端点的轨迹为AB线。不同励磁电流时的和的相量端点在轨迹线上有不同的位置。

如图4-20所示，E0为正常励磁电流下功率因数为1时的空载电动势，即电枢电流全部为有功分量。当过励时，If1＞If0，从而E01＞E0，则电枢电流I1中除有功电流I外，还出现一个滞后的无功分量I1r，即输出一个感性的无功功率，反之，当欠励时，If2＜If0，E02＞E0，则电枢电流I2中除有功分量I外，还出现一个超前的无功分量I2r，即输出一个容性的无功功率。如果进一步减小励磁电流，E0将更小，功角将增大，当δ＝90°时，发电机达到稳定运行的极限。若再进一步减小励磁电流，发电机将失去同步。

图4-19　不同励磁电流时同步发电机的相量图

图4-20　同步发电机的V形曲线

在有功功率保持不变时，表示电枢电流I和励磁电流If的关系曲线I＝f（If），由于其形状像字母“V”，故称为V形曲线，如图4-20所示。由图可见，对应于不同的有功功率都可作出一条V形曲线，功率值越大，曲线越上移。每条曲线的最低点，表示cosφ＝1，这点的电枢电流最小，全为有功分量，这点的励磁就是正常励磁。将各曲线最低点连接起来得到一条cosφ＝1的曲线，在这条曲线的右面，发电机处于过励状态，输出感性的无功功率；运行在该曲线的左面，发电机处于欠励状态，输出容性无功功率。V形曲线左侧有一个不稳定区，对应于δ＞90°。

【例4-2】　一台三相隐极同步发电机与无穷大电网并联运行，电网电压为380V，发电机定子绕组为Y形连接，每相同步电抗Xt＝1.2Ω，此发电机向电网输出线电流I＝69.5A，空载相电动势E0＝270V，cosφ＝0.8（滞后）。若减小励磁电流使相电动势E0＝250V，保持原动机输入功率不变，若不计定子电阻，试求：（1）改变励磁电流前发动机输出的有功功率和无功功率；（2）改变励磁电流后发电机输出的有功功率、无功功率、功率因数及定子电流。

解　（1）改变励磁电流前，输出的有功功率为

P2＝3UIcosφ＝3×220×69.5×0.8W＝36700W

输出的无功功率

Q＝3UIsinφ＝3×220×69.5×0.6var＝27500var

（2）改变励磁电流后因不计电阻，所以

所以　δ＝15.5°

根据相量图知

所以cosφ′＝cos18.2°＝0.95

因为有功功率不变，即Icosφ＝I′cosφ′＝常数，故改变励磁电流后，定子电流为

有功功率不变，则

P2＝3×220×58.5×0.95W＝36700W

向电网输出的无功功率

Q＝3UI′sinφ′＝3×220×5sin18.2°var＝12000var