1、 水轮发电机并列的方法和条件水轮发电机并列的方法和条件 有功功率的调节和静态特性有功功率的调节和静态特性 无功功率的调节和无功功率的调节和U形曲线形曲线 水轮发电机的调相运行水轮发电机的调相运行第九章第九章 水轮发电机的并列运行水轮发电机的并列运行引引 言言 并列操作：并列操作：在水电厂中，将水轮发电机用开关（断在水电厂中，将水轮发电机用开关（断路器）投入电力系统的操作。路器）投入电力系统的操作。并列操作是较为频繁的一项操作。并列操作是较为频繁的一项操作。并列运行：并列运行：水轮发电机出口开关处于闭合状态、使水轮发电机出口开关处于闭合状态、使其与电力系统相连、并与系统中其它发电机共同承其与电力
2、系统相连、并与系统中其它发电机共同承担电力系统负荷的运行状态。担电力系统负荷的运行状态。并联运行的优点并联运行的优点 1 1、提高供电的可靠性（互为备用）、提高供电的可靠性（互为备用） 2 2、提高供电的经济性（水火调节、负荷经济分配）、提高供电的经济性（水火调节、负荷经济分配） 3 3、提高电能的质量（大容量系统、主要是、提高电能的质量（大容量系统、主要是U U和和f f） 4 4、减少机组的备用容量（热备用）、减少机组的备用容量（热备用）无穷大电网：无穷大电网： 1 1）容量）容量SS2 2）内阻抗）内阻抗Z0Z0 3 3）电压）电压U U = =常数常数 4 4）频率）频率f=f=常数常
3、数本节讨论机组并入无穷大系统的情况本节讨论机组并入无穷大系统的情况 9.1 9.1 并联运行的条件和方法并联运行的条件和方法 1.1.准同期法准同期法（正常并列时采用）（正常并列时采用） 并列前发电机转子已励磁，并列操作复并列前发电机转子已励磁，并列操作复杂，需较长时间，但冲击电流小。杂，需较长时间，但冲击电流小。 2.2.自同期法自同期法 （系统故障时采用）（系统故障时采用） 并列前发电机转子未励磁，并列操作简并列前发电机转子未励磁，并列操作简单，迅速，但冲击电流大。单，迅速，但冲击电流大。 9.1 9.1 并联运行的条件和方法并联运行的条件和方法一、准同期法一、准同期法概念：概念：由水轮机
4、将待并发电机转速升至额定转速附由水轮机将待并发电机转速升至额定转速附近后，再加励磁，通过调节发电机转速（近后，再加励磁，通过调节发电机转速（调速器调调速器调节水轮机流量节水轮机流量）和励磁（）和励磁（自动调节励磁装置调节转自动调节励磁装置调节转子电流子电流），使发电机端电压的大小、相位、频率与），使发电机端电压的大小、相位、频率与电网一致后，将发电机并入电网。电网一致后，将发电机并入电网。 9.1 9.1 并联运行的条件和方法并联运行的条件和方法（一）条件（一）条件 1.1.待并发电机电压与系统待并发电机电压与系统电压大小相同电压大小相同，允许相，允许相差差5 5的额定电压值。的额定电压值。
5、2.2.待并发电机电压与系统待并发电机电压与系统电压相位相同，电压相位相同，允许相允许相角差控制在角差控制在1010以内。以内。 3.3.待并发电机频率与系统待并发电机频率与系统频率相同，频率相同，允许相差允许相差0.050.050.1HZ0.1HZ以内。以内。 4.4.待并发电机相序与系统待并发电机相序与系统相序相同。相序相同。一、准同期法一、准同期法检修安装已能保证第检修安装已能保证第4个条件，实际运行操作中，个条件，实际运行操作中，只需要前面三个条件满足即可。只需要前面三个条件满足即可。（二）条件不满足时对电机的影响：（二）条件不满足时对电机的影响： 1.1.电机和电网之间有冲击电流，定
6、子绕组端部电机和电网之间有冲击电流，定子绕组端部受力变形，严重时损坏发电机。受力变形，严重时损坏发电机。 2.2.电机和电网之间有冲击电流，定子绕组端部电机和电网之间有冲击电流，定子绕组端部受力变形，严重时损坏发电机。受力变形，严重时损坏发电机。 3.3.产生拍振电流和电压，引起电机内功率振荡产生拍振电流和电压，引起电机内功率振荡和机组的剧烈振动。和机组的剧烈振动。 容量较大的机组，如果并列时条件不满足，容量较大的机组，如果并列时条件不满足，甚至会危急电网的安全运行。甚至会危急电网的安全运行。一、准同期法一、准同期法冲击电流：冲击电流：()21.9FGFGhdsdimhUUUUIj xxjxi
7、I 通常要求，冲击电流不超过发电机出口短路电流的通常要求，冲击电流不超过发电机出口短路电流的5%-10%5%-10%11gCgAgBGAgUsCsAsBSAsUAUAI,2 1.9AAhAdSUIiIxx冲击电流：冲击电流： 通常要求，冲击电流不超过发电机出口短路电流的通常要求，冲击电流不超过发电机出口短路电流的5%-10%（二）条件不满足时对电机的影响：（二）条件不满足时对电机的影响： 1.1.待并发电机电压与系统待并发电机电压与系统电压大小不等电压大小不等一、准同期法一、准同期法（二）条件不满足时对电机的影响：（二）条件不满足时对电机的影响： 2.2.待并发电机电压与系统待并发电机电压与系
8、统电压相位不相同电压相位不相同 一、准同期法一、准同期法（二）条件不满足时对电机的影响：（二）条件不满足时对电机的影响： 3.3.待并发电机频率与系统待并发电机频率与系统频率不相同频率不相同一、准同期法一、准同期法Fff Fff =0 2FUUUU 自整步：自整步：当发电机与系统的当发电机与系统的频率差较小频率差较小时，依靠拍振电时，依靠拍振电流产生的电磁转矩将机组拉入与系统同步的现象。流产生的电磁转矩将机组拉入与系统同步的现象。Fff Fff 拍振电流有功分量拍振电流有功分量产生产生制动电磁转矩制动电磁转矩拍振电流有功分量拍振电流有功分量产生产生驱动电磁转矩驱动电磁转矩hI与与 相位差小于相
9、位差小于90度度FU输出有功功率输出有功功率hI与与 相位差大于相位差大于90度度FU吸收有功功率吸收有功功率 拍振电压拍振电压（三）准同步并列方法（三）准同步并列方法一、准同期法一、准同期法电压表电压表PVlPVl和和PV2PV2分别监视电网和待并发电机的电压，分别监视电网和待并发电机的电压，调节待并调节待并发电机的励磁电流，可使发电机电压与电网电压相等。发电机的励磁电流，可使发电机电压与电网电压相等。频率表频率表PFlPFl和和PF2PF2分别监视电网和待并发电机的频率，分别监视电网和待并发电机的频率，调节待并调节待并发电机的水轮机转速，可使发电机的频率与电网频率相等。发电机的水轮机转速，
10、可使发电机的频率与电网频率相等。待并发电机的电压相位与电网电压相位可由同步表待并发电机的电压相位与电网电压相位可由同步表PSPS监视，监视，同同步表指针向步表指针向“快快”的方向摆，表明待并发电机的频率高于电网频的方向摆，表明待并发电机的频率高于电网频率，反之亦然。率，反之亦然。 灯光法灯光法同步表法同步表法（三）准同步并列方法（三）准同步并列方法 调节待并发电机的励磁电流和原动机的转速，使调节待并发电机的励磁电流和原动机的转速，使仪表读数仪表读数PV2PV2、PF2PF2和和PVlPVl、PFlPFl分别相同，同步表分别相同，同步表PSPS指指针针偏转缓慢偏转缓慢。当。当同步表指针由同步表指
11、针由“慢慢”向向“快快”的方向的方向接近接近“快快”与与“慢慢”之间的红线之间的红线时，表示待并发电机时，表示待并发电机与电网已达同步，满足了并列条件，可迅速合上断路与电网已达同步，满足了并列条件，可迅速合上断路器器QFQF，完成并列操作。，完成并列操作。 准同步并列手段准同步并列手段 手动准同步、自动准同步、半自动准同步手动准同步、自动准同步、半自动准同步 规程规定：规程规定：发电机并列应以自动准同步并列方发电机并列应以自动准同步并列方式为基本操作方式，如自动准同步并列方式不式为基本操作方式，如自动准同步并列方式不良应改为手动准同步并列方式。良应改为手动准同步并列方式。微机自动准同期装置的组
12、成微机自动准同期装置的组成 9.1 9.1 并联运行的条件和方法并联运行的条件和方法二、自同步法二、自同步法 准同步并列法可以避免过大的冲击电流。但是操准同步并列法可以避免过大的冲击电流。但是操作复杂，并列时间长。作复杂，并列时间长。当电网发生故障时当电网发生故障时，电压、，电压、频率波动大，采用准同步法并列较为困难。此时发频率波动大，采用准同步法并列较为困难。此时发电机可采用自同步法将发电机电机可采用自同步法将发电机迅速迅速投入电网，以利投入电网，以利于电网的稳定运行。于电网的稳定运行。概念：概念：由水轮机将待并发电机转速升至额定转速后，由水轮机将待并发电机转速升至额定转速后，合上发电机出口
13、断路器将发电机并入电网，然后迅合上发电机出口断路器将发电机并入电网，然后迅速加励磁电流，利用速加励磁电流，利用“自整步自整步”的作用将发电机拉的作用将发电机拉入电网同步。入电网同步。 9.1 9.1 并联运行的条件和方法并联运行的条件和方法二、自同期法二、自同期法 1 1、合上、合上QF2QF2将电阻串入发将电阻串入发电机的励磁绕组回路（电机的励磁绕组回路（为为什么？什么？）；）；2 2、启动发电机，使其转速、启动发电机，使其转速升高到接近同步转速时合升高到接近同步转速时合上上QF1 QF1 ，将发电机并入电，将发电机并入电网；网；3 3、立即进行直流励磁、立即进行直流励磁（QF2QF2倒向左
14、侧）。倒向左侧）。4 4、利用、利用“自整步自整步”电磁转电磁转矩矩把转子自动投入同步。把转子自动投入同步。 9.2 9.2 有功功率的调节和静态稳定有功功率的调节和静态稳定一、有功功率的调节一、有功功率的调节 1、功率平衡和转矩平衡、功率平衡和转矩平衡 2、功角特性、功角特性 3、有功功率的调节、有功功率的调节二、静态稳定二、静态稳定1u102()MFeC fMcuMPPpppPpPPpP 9.2 9.2 有功功率的调节和静态稳定有功功率的调节和静态稳定p 1P2PFepCupCufp0p MP0p一、有过功率的调节一、有过功率的调节1、功率平衡和转矩平衡、功率平衡和转矩平衡2cosMPPm
15、UI 10MPpP 9.2 9.2 有功功率的调节和静态稳定有功功率的调节和静态稳定一、有功功率的调节一、有功功率的调节1、功率平衡和转矩平衡、功率平衡和转矩平衡100110MMPpPpPPMMM 水轮机输出转矩（驱动性质）水轮机输出转矩（驱动性质）发电机空载转矩（制动性质）发电机空载转矩（制动性质）发电机电磁转矩（制动性质）发电机电磁转矩（制动性质）260n 机械机械角速度角速度 定义：定义：并联于无穷大电网的同步发电机，当电网电并联于无穷大电网的同步发电机，当电网电压和频率恒定压和频率恒定、参数（、参数（x xd d、x xq q）为常数、空载电势）为常数、空载电势E E0 0不变（不变（
16、即即 I If f 不变不变）时，）时，P PM M=f(=f() )为有功功率功角特为有功功率功角特性。性。 后面还要介绍后面还要介绍Q QM M=f(=f() )为无功功率功角特性。为无功功率功角特性。9.2 9.2 有功功率的调节和静态稳定有功功率的调节和静态稳定一、有功功率的调节一、有功功率的调节2、有功功率功角特性、有功功率功角特性U I qI dI qqj I x ddj I x 0E ar忽略忽略 d轴轴q轴轴qj I x QE dddj Ixx （）2coscos =( cos )cos( sin )sin =cossinMqdPPmUImUImUImUImUImUI （）si
17、nqqI xU 0cosddI xEU sinqqUIx 0cosddEUIx 2011sinsin22MdqdEUUPmmxxx 水轮发电机（凸极机）的有功功率功角特性水轮发电机（凸极机）的有功功率功角特性： 20211cossinsin22MdqdE UUPPmUImmxxx汽轮发电机（隐极机）的有功功率功角特性汽轮发电机（隐极机）的有功功率功角特性 基本电磁功率（基本分量）基本电磁功率（基本分量） 磁阻功率（附加分量）磁阻功率（附加分量）02cossinMtE UPPmUImx功率极限功率极限PM.max条件条件0MdPd 0900PMPM.max1800发电机有功功率功角特性曲线发电机
18、有功功率功角特性曲线PM18000900PM.max 隐极机隐极机 凸极机凸极机两种电机功角特性的区别两种电机功角特性的区别0.max0 1)sin2)903)1800MMMMPPPP 0.max0 1)sin2)903)18004)0MMMMMPPPPP 附附 加加与与不不 成成 正正 比比水轮发电机水轮发电机汽轮发电机汽轮发电机电动机运行状态电动机运行状态功角功角的双重物理意义的双重物理意义1 1、是电动势、是电动势 和电压和电压 间的时间相间的时间相角差角差2 2、是励磁磁势、是励磁磁势 和合成磁势和合成磁势 间的间的空间相角差空间相角差0EUfFRFEEEUEa0000Ra fRfaF
19、FFFF U I qI dI qqj I x ddj I x 0E ar忽略忽略 d轴轴qj I x QE dddj Ixx （）fFaFF 回顾：时空向量图回顾：时空向量图aFF RFE j I x qaqj I x dadj I x 时轴时轴/q轴轴U I 0E ar忽略忽略 fFaFF aFF RFE 功角功角的示意图的示意图ANSFRNSFfM1nMn1功角功角意义的图示意义的图示B B功角功角是转子磁极轴线和是转子磁极轴线和记及定子漏磁势后气隙合记及定子漏磁势后气隙合成磁势成磁势F FR R轴线的空间夹角。轴线的空间夹角。 F FR R转速不变。转速不变。（类弹簧效应类弹簧效应 ：励
20、磁电：励磁电流不变时，在静态稳定条流不变时，在静态稳定条件下，件下，越大磁拉力越大，越大磁拉力越大，电磁功率和电磁转矩也越电磁功率和电磁转矩也越大）大）9.2 9.2 有功功率的调节和静态稳定有功功率的调节和静态稳定一、有功功率的调节一、有功功率的调节3、有功功率的调节、有功功率的调节NSM1nNSFRNSFfM1nM+ M0n1Ff= FRE0= U.M0SN=0.E0.UU PM18000900PM.maxI11MPMPM A1.0AAMMM2011sinsin22MdqdEUUPmmxxx 空载空载输出有功输出有功n19.2 9.2 有功功率的调节和静态稳定有功功率的调节和静态稳定一、有
21、过功率的调节一、有过功率的调节3、有功功率的调节、有功功率的调节PM18000900PM.maxA说明：说明：（1 1）励磁电流不变，）励磁电流不变，励磁磁动势也不变，故空载励磁磁动势也不变，故空载电动势也不变。电动势也不变。（2 2）改变水轮机的功率可以）改变水轮机的功率可以改变功角，使发电机输出功改变功角，使发电机输出功率改变，但不能无限制地增率改变，但不能无限制地增加水轮机的输出功率，因为加水轮机的输出功率，因为发电机有一个发电机有一个极限功率极限功率，或，或发电机有一个发电机有一个静态稳定静态稳定的问的问题。题。9.2 9.2 有功功率的调节和静态稳定有功功率的调节和静态稳定二、发电机
22、的静态稳定二、发电机的静态稳定1、静态稳定的概念、静态稳定的概念PM1800a 指电网或水轮机指电网或水轮机方面出现某些微小扰方面出现某些微小扰动时，发电机运行状动时，发电机运行状态将发生改变，但在态将发生改变，但在这种干扰消失后，发这种干扰消失后，发电机将回到原来的运电机将回到原来的运行状态。行状态。c a c 0MPMP 0MdPd 0MdPd 0MdPd = =稳定稳定不稳定不稳定900009.2 9.2 水轮发电机有功功率的调节和静态稳定水轮发电机有功功率的调节和静态稳定二、发电机的静态稳定二、发电机的静态稳定1、静态稳定的概念、静态稳定的概念PM1800ac a c MaPMP 0M
23、dPd 0MdPd 0MdPd = =稳定稳定不稳定不稳定90000原工作于原工作于a a点：点：1aMaPP 干扰发生：干扰发生：1111aaPPPP 平衡于平衡于c c点：点：111()aaacMaMcPPPPP （1MaMMcPPPP 干扰消失：干扰消失：回到回到a a点点111()aacaMcMaPPPPP （工作于稳定极限的左侧工作于稳定极限的左侧9.2 9.2 有功功率的调节和静态稳定有功功率的调节和静态稳定二、发电机的静态稳定二、发电机的静态稳定1、静态稳定的概念、静态稳定的概念PM1800eb e b MbP0MP 0MdPd 0MdPd 0MdPd = =稳定稳定不稳定不稳定
24、90000原工作于原工作于b b点：点：1bMbPP 干扰发生：干扰发生：1111bbPPPP 不会平衡于不会平衡于b b点以下的某点点以下的某点e e：111()bbbeMbMePPPPP （干扰消失：干扰消失：不会回到不会回到b b点点1bdMPP工作于稳定极限的右侧工作于稳定极限的右侧d11bMePPP 1b11beded()MMPPPPP （9.2 9.2 有功功率的调节和静态稳定有功功率的调节和静态稳定二、发电机的静态稳定二、发电机的静态稳定2、静态稳定判据与稳定储备系数、静态稳定判据与稳定储备系数PM1800eb e b MbP0MP 0MdPd 0MdPd 0MdPd = =稳定
25、稳定不稳定不稳定90000d0MdPd 静态稳定判据静态稳定判据静态过载能力静态过载能力（稳定储备系数）（稳定储备系数）1.73MaxmNPKP 比整步功率比整步功率MaxP说明：说明：1、Km越大发电机稳定性越好。越大发电机稳定性越好。 2、增大、增大Km的方法：的方法：0fMaxmIEPK ,dqMaxmx xPK 气气隙隙励磁绕组温度升高励磁绕组温度升高电机尺寸增大、造电机尺寸增大、造价增大价增大汽轮发电机（隐极机）静态稳定简介汽轮发电机（隐极机）静态稳定简介0MdPd = =0MdPd 静态稳定判据静态稳定判据静态过载能力静态过载能力（稳定储备系数）（稳定储备系数）001sinsinM
26、axtmNNNtEUmPxKEUPmx 比整步功率比整步功率0MdPd 0MdPd 0900PMPM.max1800稳定稳定不稳定不稳定即即0 9 9条件：相同励磁电流。条件：相同励磁电流。例题例题 16-116-19.3 9.3 水轮发电机无功功率的调节和静态稳定水轮发电机无功功率的调节和静态稳定一、无过功率的功角特性一、无过功率的功角特性二、无功功率的调节二、无功功率的调节三、同步发电机的三、同步发电机的U形曲线形曲线 水轮发电机并网运行时，不仅要向系统发送水轮发电机并网运行时，不仅要向系统发送有功功率，而且还要发送无功功率。有功功率，而且还要发送无功功率。如果如果系统无系统无功功率功功率
27、不足时，会导致不足时，会导致系统电压下降系统电压下降。一、无功功率的功角特性一、无功功率的功角特性 定义：定义：并联于无穷大电网的同步发电机当电网并联于无穷大电网的同步发电机当电网电压和频率恒定、参数（电压和频率恒定、参数（x xd d、x xq q）为常数、空载电）为常数、空载电势势E E0 0不变（即不变（即 I If f 不变）时，不变）时，Q=f()Q=f()为无功功率功为无功功率功角特性角特性。9.3 9.3 水轮发电无功功率的调节和静态稳定水轮发电无功功率的调节和静态稳定U I qI dI qqj I x ddj I x 0E ar忽略忽略 d轴轴q轴轴qj I x QE dddj
28、 Ixx （）sinqqI xU 0cosddI xEU sinqqUIx 0cosddEUIx 2201111cossin222dqdqdEUUUQ mmmxxxxx sinsin =( sin )cos( cos )sin =cossindqQ mUImUmUImUImUImUI （）凸极发电机无功功率的功角特性凸极发电机无功功率的功角特性220sin1111cossin222dqdqdQmUIE UUUmmmxxxxx 隐极发电机无功功率的功角特性隐极发电机无功功率的功角特性ttxUmxUEmmUIQ20cossin2202021111cossin222110, 21190 , 2dqd
29、qddqdqdE UUUQmmmxxxxxE UUQmmxxxUQmxx 凸极发电机无功功率的几个特殊点凸极发电机无功功率的几个特殊点励磁电流改变时的水轮发电有功功率和无励磁电流改变时的水轮发电有功功率和无功功率功角特性功功率功角特性PM1800b Q90000a ab1MbPP 1MaPP 1 1、调节水轮机的输、调节水轮机的输出，会引起有功功率出，会引起有功功率的变化，也会引起无的变化，也会引起无功功率的变化。功功率的变化。1,MPPQ 汽轮发电机类似汽轮发电机类似励磁电流改变时的水轮发电有功功率和无励磁电流改变时的水轮发电有功功率和无功功率功角特性功功率功角特性PM1800d Q9000
30、0c cd1MPP 2 2、调节励磁电流会、调节励磁电流会引起无功功率的变化，引起无功功率的变化，但不会引起有功功率但不会引起有功功率的变化的变化（能量守恒）（能量守恒）0,fMMIEPPQ 曲曲MP cQdQ汽轮发电机类似汽轮发电机类似二、无功功率的调节二、无功功率的调节 1 1、不带有功功率时，无功功率的调节、不带有功功率时，无功功率的调节ar忽略忽略0E U djIx dII 0E U djIx 0P 0,dQII 0,dQII 0E U 0,0QI 正常励磁正常励磁过励磁过励磁欠励磁欠励磁dII 汽轮发电机类似汽轮发电机类似0dqdqQdEU jI xjI xEU jIx 结论：发电机
31、不带有功负载情况下结论：发电机不带有功负载情况下A A、正常励磁时，输出电流为零，也不输出无功；、正常励磁时，输出电流为零，也不输出无功；B B、过励磁时，发感性无功，过励越多，则发出的、过励磁时，发感性无功，过励越多，则发出的感性无功和电流越大；感性无功和电流越大；C C、欠磁时，发容性无功，欠励越多，则发出的容、欠磁时，发容性无功，欠励越多，则发出的容性无功和电流越大。性无功和电流越大。 发电机发容性无功时发电机发容性无功时 ，相当于从系统吸收感，相当于从系统吸收感性无功，会性无功，会增加系统感性无功的负担增加系统感性无功的负担；同时由于；同时由于空载电动势减少，也会导致系统有功功率极限减
32、空载电动势减少，也会导致系统有功功率极限减少，少，降低发电机运行的静态稳定降低发电机运行的静态稳定。反之，发电机。反之，发电机发感性无功时，不仅不增加系统感性无功的负担，发感性无功时，不仅不增加系统感性无功的负担，还能增加发电机运行的静态稳定。还能增加发电机运行的静态稳定。 所以，所以，发电机一般不运行在欠励状态，而工作发电机一般不运行在欠励状态，而工作在过励状态。在过励状态。二、无功功率的调节二、无功功率的调节 2 2、带有有功功率时，无功功率的调节、带有有功功率时，无功功率的调节0PPM1800d Q90000c cd1MPP 0,fMMIEPPQ 曲曲MP cQdQ汽轮发电机类似汽轮发电
33、机类似三、同步发电机的三、同步发电机的U U形曲线（也称形曲线（也称V V型特性曲线）型特性曲线） 定义：定义：在保持有功功率不变的情况下，定子电在保持有功功率不变的情况下，定子电流随励磁电流变化的关系曲线形似流随励磁电流变化的关系曲线形似U U形字母，故称形字母，故称为为U U形曲线。形曲线。9.3 9.3 水轮发电机无功功率的调节和静态稳定水轮发电机无功功率的调节和静态稳定0MP MPMPMP磁励常正IfI01cos超前欠励滞后过励MMMPPP 区域不稳定09002sincosMtMEUPmCxPPmUIC 0sincosECIC 假设系电压假设系电压U U不变和发电机输出有功功率不变和发
34、电机输出有功功率P PM M不变，以不变，以汽轮发电机（隐极）为例：汽轮发电机（隐极）为例：U1I 01E 02E 2I 03E 3I 隐极同步发电机不同隐极同步发电机不同运行方式时的相量图运行方式时的相量图04E 4I 0sincosECIC 0tEU jIx 2 2tjI x 1tjI x 3tjI x 3ddjI x 4ddjI x 3 4 1 2 3 4 0sinE cosI 1 1、正常励磁、正常励磁2 2、过励磁、过励磁3 3、欠励磁、欠励磁4 4、欠励磁并且、欠励磁并且处于稳定极限处于稳定极限cos1 cos 滞后滞后cos 超前超前90 可见：对于隐极发电机可见：对于隐极发电机
35、1、过励磁时、过励磁时 滞后滞后0sin0,cosECfIEI 2、正常励磁时、正常励磁时 , I最小最小cos cos1 3、欠励磁时、欠励磁时 超前超前cos 0sin0,cosECfIEI 4、欠励磁并且、欠励磁并且 时，处于稳定极限，电流达时，处于稳定极限，电流达静态稳定允许电流静态稳定允许电流90 cos10tfU CPIIxEI 要要求求要要求求cos1000fU CPIEUI 最最小小U形曲线:并联于无穷大电网的同步发电机，保持有功功率并联于无穷大电网的同步发电机，保持有功功率不变时，表示电枢电流不变时，表示电枢电流 I 和励磁电流和励磁电流 If 的关系曲线的关系曲线 I =
36、f（If）0MP MPMPMP磁励常正IfI01cos超前欠励滞后过励MMMPPP 区域不稳定090水轮发电机水轮发电机有类似的结有类似的结论论进相进相迟相迟相 由图可见，与与无线电容量电网并联的发动由图可见，与与无线电容量电网并联的发动机，调节其励磁电流的大小，机，调节其励磁电流的大小， 则可改变发动机则可改变发动机输出的无功功率的大小和性质：输出的无功功率的大小和性质： （1 1）当过励磁时，定子电流是滞后电流，发）当过励磁时，定子电流是滞后电流，发电机输出感性无功功率；电机输出感性无功功率； （2 2）当欠励磁时，电枢电流是超前电流，发）当欠励磁时，电枢电流是超前电流，发电机输出容性无功
37、功率。电机输出容性无功功率。 发电厂运行管理人员利用发电厂运行管理人员利用 U U形曲线有助于了解形曲线有助于了解定子电流与励磁电流之间的关系，从而控制发电机定子电流与励磁电流之间的关系，从而控制发电机的运行状况：的运行状况： （1 1）根据负荷大大小，给定励磁电流，就可以）根据负荷大大小，给定励磁电流，就可以得知定子电流的大小以及功率因数的数值；得知定子电流的大小以及功率因数的数值； （2 2）也可以在励磁电流不变时，了解负荷变化）也可以在励磁电流不变时，了解负荷变化对定子电流和功率因数的影响；对定子电流和功率因数的影响； （3 3）若要维持功率因数不变，当负荷变化后，）若要维持功率因数不变
38、，当负荷变化后，可根据可根据U U形曲线正确地调节发电机的励磁电流。形曲线正确地调节发电机的励磁电流。四、水轮发电机的四、水轮发电机的P-QP-Q功率极限图功率极限图概念：概念：水轮发电机的水轮发电机的P-QP-Q功率极限图反映了发电机功率极限图反映了发电机安全运行的功率极限。发电机功率极限受以下几个安全运行的功率极限。发电机功率极限受以下几个运行极限的限制：运行极限的限制：（1 1）转子发热运行极限）转子发热运行极限（2 2）定子发热运行极限）定子发热运行极限（3 3）水轮机输出功率极限）水轮机输出功率极限（4 4）静态稳定运行极限）静态稳定运行极限（5 5）最小允许励磁极限）最小允许励磁极
39、限9.3 9.3 水轮发电机无功功率的调节和静态稳定水轮发电机无功功率的调节和静态稳定PQ定子发热极限定子发热极限转子发热限制转子发热限制最小励磁极性最小励磁极性水轮机输出功率极限水轮机输出功率极限理论稳定极限理论稳定极限实际稳定极限实际稳定极限LGFKBEN为额定工作点为额定工作点DO四、水轮发电机的四、水轮发电机的P-QP-Q功率极限图功率极限图1 1、转子发热运行极限、转子发热运行极限 转子发热正比于转子的铜损，而铜损又与励磁转子发热正比于转子的铜损，而铜损又与励磁电流平方成正比。在额定运行情况下，励磁电流为电流平方成正比。在额定运行情况下，励磁电流为IfN。允许的最大励磁电流允许的最大
40、励磁电流为为Imax=IfN，对应的电动，对应的电动势为势为E0max。9.3 9.3 水轮发电机无功功率的调节和静态稳定水轮发电机无功功率的调节和静态稳定20max11sinsin22dqdEUUPmmxxx220max1111cossin222dqdqdEUUUQmmmxxxxx四、水轮发电机的四、水轮发电机的P-QP-Q功率极限图功率极限图2 2、定子发热运行极限、定子发热运行极限 定子发热正比于定子的铜损，而铜损又与定定子发热正比于定子的铜损，而铜损又与定子电流平方成正比。在额定运行情况下，定子电子电流平方成正比。在额定运行情况下，定子电流为流为IN。允许的最大定子电流为允许的最大定子
41、电流为Imax=IN。9.3 9.3 水轮发电机无功功率的调节和静态稳定水轮发电机无功功率的调节和静态稳定22.+3NN phPQI U 四、水轮发电机的四、水轮发电机的P-QP-Q功率极限图功率极限图3 3、水轮机输出功率极限、水轮机输出功率极限 电厂为了保证机组的安全运行，对水轮机也电厂为了保证机组的安全运行，对水轮机也规定了额定功率规定了额定功率PmN。水轮机的额定功率稍大于发。水轮机的额定功率稍大于发电机额定功率。发电机连续运行时的有功功率极电机额定功率。发电机连续运行时的有功功率极限为：限为：9.3 9.3 水轮发电机无功功率的调节和静态稳定水轮发电机无功功率的调节和静态稳定NPP
42、四、水轮发电机的四、水轮发电机的P-QP-Q功率极限图功率极限图4 4、静态稳定运行极限、静态稳定运行极限 当发电机工作于第二象限时，发电机进入调当发电机工作于第二象限时，发电机进入调相运行状态（相运行状态（Q为负值），功率角为负值），功率角较大，发电机较大，发电机有可能进入静态不稳定区域。有可能进入静态不稳定区域。 设稳定极限功率角为设稳定极限功率角为max.Lmax.L，则理论静态稳定，则理论静态稳定极限为：极限为：9.3 9.3 水轮发电机无功功率的调节和静态稳定水轮发电机无功功率的调节和静态稳定20max.max.220max.max.11sinsin221111cossin222LL
43、dqdLLdqdqdE UUPmmxxxE UUUQmmmxxxxx 但考虑到稳定储备系数的要求，通常要求实但考虑到稳定储备系数的要求，通常要求实际的功率极限为理论功率极限的际的功率极限为理论功率极限的10-15%10-15%，与此对，与此对应的功率角为应的功率角为max.Smax.S，则功率极限为：，则功率极限为：20max.max.220max.max.11sinsin221111cossin222SSdqdSSdqdqdE UUPmmxxxE UUUQmmmxxxxx5 5、最小允许励磁极限、最小允许励磁极限 机组可能在无励磁或甚至在较小的反向励磁下机组可能在无励磁或甚至在较小的反向励磁
44、下运行，但此种状况下运行机组将极不稳定。为了运行，但此种状况下运行机组将极不稳定。为了使发电机始终保持正向励磁，通常最小励磁电流使发电机始终保持正向励磁，通常最小励磁电流是以是以Ifmin=0.1IfN为极限，设此时的电动势为为极限，设此时的电动势为E Eminmin。则功率极限为：则功率极限为：20min220min11=sinsin221111cossin222dqddqdqdEUUPmmxxxEUUUQmmmxxxxx 例题例题 9-29-2（不讲）（不讲）改为水轮发电机改为水轮发电机 U I qI dI qqj I x ddj I x 0E ar忽略忽略 d轴轴q轴轴 0E I dj
45、I x 2011sinsin22MdqdEUUPmmxxx 2201111cossin222dqdqdE UUUQmmmxxxxxU I qI dI qqj I x ddj I x 0E ar忽略忽略 d轴轴q轴轴qj I x QE QqEUjI x 1、求虚拟电势、求虚拟电势2、确定、确定q轴和轴和d轴轴4、电流分解、电流分解sincosdqIIII3、求内功率因数角、求内功率因数角sinarctancosqx IUU 5、求空载电动势、求空载电动势0cos()ddEUI x dddj Ixx （） 9.4 9.4 水轮发电机的调相运行水轮发电机的调相运行 系统中由于负荷（主要是异步电动机）
46、、变压系统中由于负荷（主要是异步电动机）、变压器、甚至部分线路均要器、甚至部分线路均要吸收吸收或或消耗消耗感性无功感性无功。如果。如果向系统提供的无功不足或剩余，系统电压将偏移规向系统提供的无功不足或剩余，系统电压将偏移规定的额定电压。定的额定电压。电压电压偏移偏移的危的危害害 电压降低电压降低 电压过低电压过低 电压过高电压过高会使网络中功率和能量的损耗加大会使网络中功率和能量的损耗加大有可能危及电力系统运行稳定性有可能危及电力系统运行稳定性各种电气设备的绝缘可能受到损各种电气设备的绝缘可能受到损害，在超高压网络中还将增加电害，在超高压网络中还将增加电晕损耗等晕损耗等各种用电设备都是按额定电
47、压设计制造的。这些设各种用电设备都是按额定电压设计制造的。这些设备在额定电压下运行才能取得最佳效果备在额定电压下运行才能取得最佳效果35KV35KV及以上：及以上：5 510KV10KV及以下：及以下：7 7低压照明：低压照明：+5+5，-10-10农村电网：农村电网：+7.5+7.5，-10-10 (+10(+10，-15-15) )l允许电压偏移指标l允许电压偏移指标 9.4 9.4 水轮发电机的调相运行水轮发电机的调相运行系统系统无功无功功率功率电源电源 同步发电机同步发电机: :送出送出P+P+送出或吸收送出或吸收Q Q 同步调相机：同步调相机：吸收吸收P0+P0+送出或吸收送出或吸收
48、Q Q 静电电容器：静电电容器：送出送出Q Q 静止无功补偿器静止无功补偿器: :送出或吸收送出或吸收Q Q 静止无功发生器静止无功发生器: :送出或吸收送出或吸收Q Q 同步电动机同步电动机: :吸收吸收P+P+送出或吸收送出或吸收Q Q同步电机从原理上可逆。同步电机从原理上可逆。一、同步电机的可逆原理一、同步电机的可逆原理NSFRNSFfnn1NSFR=0NSFfnn1 IUqqjI xddjI x0E0EdjIxUI0 NSFR NSFfnn1qqjI xddjI x0EU I 000PQaa 0000PQa a = = =000PQaa 同步发电状态同步发电状态同步电动状态同步电动状态
49、0 00 9 90 -90 -90 有功空载状态有功空载状态上述的三种情况，调节励磁电流，均可使发电机处于上述的三种情况，调节励磁电流，均可使发电机处于以下三种状态：以下三种状态：过励磁：过励磁：发电机将向系统发送感性无功发电机将向系统发送感性无功正常励磁：正常励磁：发电机将不会向系统发送无功发电机将不会向系统发送无功欠励磁：欠励磁：发电机将从系统吸收感性无功或发送容性发电机将从系统吸收感性无功或发送容性 无功无功NSFR NSFfnn1qqjI xddjI x0EU I 000PQaa 同步电动状态同步电动状态0 -90 -90 NSFR NSFfnn1qqjI xddjI x0EU I 0
50、00PQa = =同步调相状态同步调相状态0 二、水轮发电机的调相运行二、水轮发电机的调相运行水轮发电机的调相运行：水轮发电机的调相运行：并入系统运行的水轮发电机并入系统运行的水轮发电机不向系统发送有功功率，仅从电网不向系统发送有功功率，仅从电网吸收少量的有功功吸收少量的有功功率率以克服空载损耗以维持其旋转，通过调节励磁电流以克服空载损耗以维持其旋转，通过调节励磁电流以调节发电机向系统发送的以调节发电机向系统发送的无功功率的大小和方向无功功率的大小和方向，从而改善系的从而改善系的功率因数和电压质量功率因数和电压质量。 0dqdqEU jI xjI x ar忽略忽略0E U 0E U djIx
