三相同步发电机并网运行一. 实验目的1. 学习三相同步发电机投入并网运行的方法。

2. 测试三相同步发电机并网运行条件不满足时的冲击电流。

3. 研究三相同步发电机并网运行时的静态稳定性。

4. 测试三相同步发电机突然短路时的短路电流。

二. 实验原理1. 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。

2. 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：δδsin sin max0PXE PsEU ==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P 0,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0>δd dPM，我们称δd dP M 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Pss表示：δδcos 0xE dpPsmssU d ==δ角越小，P ss 数值越大，发电机越稳定。

由δd dP E 和P E 可知，当δ小于90°时，δd dPE为正值，在这个范围内发电机的运行是稳定的，但当δ愈接近90°，其值愈小，稳定的程度愈低。

当δ等于90°时，是稳定和不稳定的分界点，称为静态稳定极限。

Pem与Pen之比称为静态过载能力Km，即δδsin 1sin /00===XE XE PP K ddenem mU U 一般要求Km> 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δN一般应该是30°左右3. 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R R '+和L L '+。

由于电路对称，只写出一相的电势和电流如下： { ()()ϕαωαω'-+=+=t i t e I E mm sin sin 式（1）式中，()()L L R R EI mm '+'++=222ω为短路前电流幅值；()()R R L L '+'+='ωϕarctan 为短路前电路的阻抗角；α为电源电势的初始相角，亦称为合闸角。

假定短路在0=t 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：()αω+=+t dtdiLRi E m sin 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ip，用下式表示：()ϕαω-+=t Iipmpsin 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e e i T C C at pt ap /-== 式（4）式中： L R p -= RLp T a =-=1为非周期分量电流衰减的时间常数，C 为由初始条件决定的积分常数，即非周期分量电流的初始值iap 0。

这样，短路的全电流就表示为： ()e i i T C t i at pm p /sin -+-++=ϕαω 式（5）根据电路的开闭定律，电感中的电流不能突变，短路前瞬间的电流[]i0应等于短路发生后瞬间的电流i。

将0=t 分别代入短路前和短路后的算式（1）和（5）可得()()C I Ipm m+-='-ϕαϕαsin sin因此 ()()ϕαϕα-'-==sin sin 0I Iipm map C 式（6）将此式代入（5）式，便得短路全电流()()()[]e I II T t i at pm mpm /sin sin sin ---'-+-+=ϕαϕαϕαω 式（7） 式（7）是a 相短路电流的算式。

如果用α-120°和α+120°分别代替式中的α，就可以得到b 相和c 相的短路电流算式。

短路电流各分量之间的关系也可以用向量图表示，如下图所示。

图中旋转向量Em、Im和Ipm在静止的是轴t 上的投影分别代表电源电势、短路前电流和短路后周期电流的瞬时值。

图中所示的是0=t 的情况。

此时，短路前电流向量Im在时间轴上的投影为()ϕα-sin Im=[]i 0；短路后周期电流向量Ipm的投影为()i Ip pm0sin =-ϕα。

一般情况下，[]i I p 00≠。

为了保持电感中的电流在短路前后瞬间不发生突变，电路中必须产生一个非周期自由电流，它的初相角为[]i 0和ip 0之差。

4.冲击电流短路电流最大可能的瞬时值称为冲击电流，以iim表示。

短路冲击电流主要用来检验电气设备的电动力稳定度。

当电路的参数已知时，短路电流周期分量的幅值是一定的，而短路电流的非周期分量则按指数规律单调衰减，因此，非周期分量的初值越大，暂态过程中短路全电流的最大瞬时值就越大。

使非周期电流有最大初值的条件应为：（1） 向量差I Ipmm-有最大可能值；（2）向量差I Ipmm-在0=t 时与时间轴平行。

由此可见，非周期电流的初始值既同短路前和短路后的情况有关，又同短路发生时刻（或合闸角α）有关。

一般电力系统中，由于短路回路的感抗比阻值大得多，即R L >>ω，故可以近似认为90≈ϕ°，于是，非周期电流有最大初始值的条件是：短路前电路处于空载状态（即0=Im），并且短路发生时电源电势刚好过零值（即合闸角α=0）。

将这些条件代入式（6）可知，非周期电流的最大值Iipmap =。

将0=Im，90≈ϕ°和α=0代入式（7）可得e I I T t i a t pm pm /cos -+-=ω 式（8）短路电流的最大瞬时值在短路发生后约半个周期时出现。

Hz f 50=时，这个时间约为0.01秒，将其代入式（8），可得短路冲击电流()I k Iee I I i pm im pmpm pm im T T aa =+=+=--/01.0/01.01 式（9）ek T a im /01.01-+=称为冲击系数，它表示冲击电流周期分量幅值的多少倍。

当时间常数Ta有零变到无穷大时，kim的取值范围为21≤≤kim。

在短路电流的实用计算中，当短路发生在发电机电压母线时，去kim=1.9；当短路发生在发电厂高压母线侧时，取kim=1.85；在其他短路时，取kim=1.8。

三. 实验内容和实验方法及其数据分析a. 按照图示线路接线；b.在短路器断开的情况下，测出电网和发电机的电压波形，找到并联条件满足的点，确定并网的时间，进行并网实验，测试并网时的冲击电流。

在设置条件下，在大约0.9s时重合的比较好，因而选择在此时并网。

冲击电流的最大值时340。

分析：由于在选取并网时间时，发电机满足与电网并联的条件有相同的相序；有相同的电压幅值；有相同或接近相同的频率；有相同的电压初相位。

所以电流的冲击较小，仅有340A。

c.调整发电机的运行条件，分别在初相位不同时和电压幅值不同时，进行并网实验测试并网时的冲击电流；①初相不同时并网时间为0.493，冲击电流为1.888*104A 。

分析：发电机的相位与电网的相位差很大，所以产生的冲击电流很大。

当相位不同时，会由于相差产生压差，从而产生冲击电流，相差达180°时电压差和冲击电流有最大值。

② 电压幅值不同时如上图所示，选择在2.93并网。

分析：发电机的相位与电网的幅值不同，所以产生的冲击电流较大。

达到5.31e4A。

d.对并网运行发电机运行有功功率和无功功率的调整，测试功角随之变化过程。

e.自拟方案，测出发电机失步后的各物理量变化过程。

f.断开并网开关，设置发电机三相突然短路故障，分别测试最大短路电流和最小短路电流。