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三相同步发电机并网运行
实验目的
学习三相同步发电机投入并网运行的方法。
测试三相同步发电机并网运行条件不满足时的冲击电流。
研究三相同步发电机并网运行时的静态稳定性。
测试三相同步发电机突然短路时的短路电流。
实验原理
同步发电机的并网运行
把同步发电机并联至电网的手续称为整步亦称为并列或并车。在并车的时候必须避免产生巨大的冲击电流,以防止同步电机损坏,避免电力系统受到严重的干扰。双方应有相同的相序,相同的电压,相同的或接近相同的频率,相同的电压初相位。
同步发电机的静态稳定性
所谓同步发电机的静态稳定性是指发电机在某个运行下,突然受到任意的小干扰后,能恢复到原来的运行状态的能力。同步发电机在并网运行中受到较小的扰动后,若能自动保持同步运行,则该机就具有静态稳定的能力。
发电机输出的电磁功率与功角的关系为:
发电机的功角特性曲线如图所示
假定在某一正常运行情况下,发动机向无限大系统输送的功率为P0,由于忽略了发动机内部损耗及机组的摩擦、风阻等损耗假定在某一正常运行情况下,,风阻等损耗,P0即等于原动机输出的机械功率Pr.。由图可见,当输送P0时有两个运行点a和b。考虑到系统经常不断受到各种小的扰动,从下面的分析可以看到,只有a点是能保持静态稳定的实际运行点,而b点是不可能维持稳定运行的。
先分析a点的运行情况。如果系统中楚湘某种顺势的微小扰动,使功角增加了一个微小增量,则发呆年技术处的电磁功率达到与图中a’相对应的值。这是,由于原动机的机械功率Pr保持不,仍为Po’因此,发电机输出的电磁功率大于原动机的机械功率。即转子过剩转矩为负值,因而,由转子运动方程可知,发电机转子将减速,由于在运动过程中存在阻尼作用,经过一洗了微小振荡后运行点又回到a点。同样,如果小扰动使功角减小了,则发电机输出的电磁功率为点的对应值,这时输出的功率小于输入的机械功率,转子过剩转矩为正,转子将加速,同样经过一系列振荡后又回到了运行点a。由上可见,在运行带你a,当系统受到小扰动后能够自动恢复到原先的平衡状态,因此时静态稳定的。
B点的情况完全不同,如果小扰动使功角有个增量,则发电机输出的电磁功率将减少到与b’点对应的值,小于机械功率。过剩的转矩为正,功角将进一步增大。而功角增大时,与之相应的电磁功率又将进一步减小。这样继续下去,功角不断增大,运行点不再返回到b点,的不断增大标志着发电机与无限大系统失去同步,系统中电流·电压和功率的大幅度的波动,系统无法正常运行。故b点是不稳定的,即发电机没有能力维持在b点运行。
由上面的分析可知,发电机能否保持同步运行的能力,决定于发电机离开同步速度时,由于的变化所引起的电磁功率增量对转子的作用。当外界扰动造成发电机的功角增大时,电磁功率增量大于零,功角减小时,电磁功率增量小于零。这样,一旦扰动消失,发电机就恢复同步运行。所以,凡处于功角特性曲线上升部分的工作点,都是静态稳定的,下降部分的工作点是静态不稳定的。或者说功角特性曲线上功角和电磁功率同时增大。或者同时减少的那部分是静态稳定的。
静态稳定的条件用数学表达为,我们称为比整补功率,又称为整补功率系数,其大小可以说明发电机维护同步运行的能力,即说明静态稳定的程度,用表示:
角越小,数值越大,发电机越稳定。由和可知,当小于90°时,为正值,在这个范围内发电机的运行是稳定的,但当愈接近90°,其值愈小,稳定的程度愈低。当等于90°时,是稳定和不稳定的分界点,称为静态稳定极限。与之比称为静态过载能力,即
一般要求1.7,也可以说发电机带额定有功负载运行时静态稳定储备有功在70%以上,因此额定功角一般应该是30°左右
同步发电机的突然短路
如图为一恒定电势源供电的简单三相电路
短路前电路处于稳态,每相的电阻和电感分别为和。由于电路对称,只写出一相的电势和电流如下:{式(1)
式中,为短路前电流幅值;为短路前电路的阻抗角;为电源电势的初始相角,亦称为合闸角。
假定短路在时刻发生,短路后左侧电路仍然是对称的,因此可以只研究其中的一相,例如a相,a相的微分方程式如下:
式(2)
方程(2)的解就是短路的全电流,它由两部分组成:第一部分是方程的特解,它代表短路电流的周期分量;地二部分是方程(2)的齐次方程的通解,它代表短路电流的自由分量。
短路电流的强制分量与外加电源电势有相同的变化规律,也是幅值恒定的正弦电流,称之为周期分量,记为,用下式表示:式(3)
短路电流的自由分量与外加电源无关,它是指数规律衰减的直流,记为
式(4)
式中:为非周期分量电流衰减的时间常数,为由初始条件决定的积分常数,即非周
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