第13章 船舶同步发电机的并联运行

同步发电机并联运行的条件
船舶同步发电机并联运行时，待并发电机组与运行发电机组之间必须满足如下条件:
(1)待并发电机的电压有效值U，与运行发电机的电压有效值U相等，即U，=Us
(2)待并发电机的频率f与运行发电机的频率f相等，即f=f。

(3)待并发电机电压的相位8，与运行发电机电压的相位δ一致，即δ1=δ2。

(4)待并发电机电压的相序与运行发电机的相序相同。

由于船舶发电机在安装时已经对发电机的相序及电网的相序进行了测定，保证了相序一-致的条件，通常船舶发电机的并联运行时，并不检测相序条件。

准同步并车操作就是通过检测和调整待并发电机组的电压、频率和相位，使之在基本满足上述三个条件的瞬间通过发电机主开关的合闸投入电网。

这样就可以保证在并车合闸时没有冲击电流，并且并车后能保持稳定的同步运行。

实际并车时，除相序外，其他条件不可能做到完全一致，而且必须有一定的频差才能快速投人并联运行。

下面来分析这三个并车条件。

同步发电机并联运行连接示意图和单相等效电路图，G为已在电网运行发电机，G为待并发电机。

同步发电机并列运行将同步发电机与电网(或正在运行的发电机)并联在一起运行的工作方式，称为并列运行。

发电机并列运行后有以下优点:(1)提高供电的可靠性。

当一台发电机故障或检修时，其他电源仍可在出力允许的情况下多带负荷，不致造成用户停电，提高了供电的可靠性。

(2)可提高电能质量。

并列运行后，电网容量大，因负荷波动或机组的投、切引起的频率和电压的波动小，电能质量得到了提高。

(3)可减小备用机组的总容量节省投资。

单个电厂需装设备用发电机组，并人电网后，只要电网有足够的备用容量，就不需每个电厂装设备用机组投资。

(4)可以合理利用动力资源，提高运行的经济性。

并网后，电网可合理利用自然资源。

进行经济调度。

如在丰水期可多发水电，少发火电节约燃料;枯水期多发火电，让水电厂带尖峰负荷。

同时，可以让高效率、低损耗的机组多带负荷，低效率、高损耗的机组少带负荷，从而降低电能生产的成本。

二、并列运行的条件同步发电机的并列，必须满足下列条件:(1)待并发电机电压与电网电压大小相等，即U=U。

(2)待并发电机电压的相位与电网电的相位相同两电压的相位差为0即=0.(3)待并发电机的频率与电网频率相等，即fc=f。

(4)待并发电机电压的相序与电网电压的相序一致。

同步发电机并列运行为什么要满足这些条件，现分析如下:如果待并发电机与电网的频率相等，电压的相位相同，相序也一致，但是，电压的大小不等(U≠U),则在开关两触头之间将存在电压差，Ú=Uc-。

如果这种情况下合闸，在电压U的作用下，在发电机与电网所组成的回路中，将产生一个冲击电流。

在合闸瞬间，由于发电机定子绕组的阻抗很小，所以这种冲击电流是相当大的。

这个冲击电流格产生很大的电动力，使发电机绕组受到很大的提动，甚至造成损坏。

如果待并发电机与电网的频率、电压均相等，相序也一致，但相位不同。

这时由于待并发电机的电压和电网电压在每一瞬间都不相等，因此出现电压差ΔÚ，最严重(即U与相差180)时，电压差可达发电机电压最大值的2倍，在这种情况下合闸，由ΔU所产生的冲击电流，可能达到额定电流的20-30倍。

一船舶同步发电机地并联运行地目地、意义现代船舶大多采用交流电站，随着船舶吨位、电气化、自动化程度地提高，电站容量也日益增加.为了满足船舶供电地可靠性和经济型，一般地船舶电站均配置了两台以上地同步发电机组作为主电源，并且这两台以上地发电机可以通过公用母线向全船负荷供电，这就是通常所说地发电机并联运行.文档收集自网络，仅用于个人学习为什么要采用并联运行地方式呢？这是一位船舶发电机在设计时，就考虑到发电机在额定负载下运行就有最高地效率.而船舶工况变化较大，因而用电量地变化也很大，例如船舶在停泊和装卸货两种不同地工况时，用电量可能相差倍甚至更多，采用两台以上较小容量地发电机可以根据负荷地大小改变运行地方式，使发电机经常处于最佳地运行状态.如果电站只采用一台大容量地发电机，使它满足最大负荷地需要，那么在小负载时，发电机降处于轻载而是效率大为降低，并且选择备用机组容量时也必须考虑和这台大容量地发电机容量相同，从而使投资费用和运行费用都会增加；另外，为了维护检修地方便，也需要采用并联运行地方式，要检修运行中地发电机组而不允许电站停电时，就必须先将备用机组投入并联运行，然后再从电网上切除欲检修地机组.文档收集自网络，仅用于个人学习在自动化要求较高地船舶中，还需设置自动并车地装置，使已经运行地发电机自动投入并联运行，以便提高船舶供电地可靠性.文档收集自网络，仅用于个人学习二发电机并联运行地特点船舶同步发电机地并联运行多位两台或多台同容量地发电机并联.以两台为例分析同容量发电机并联运行地一些特点.文档收集自网络，仅用于个人学习:两台发电机地有功功率和无功功率总是等于负载地有功功率和无功功率，即：由于发电机以及船舶电网地容量都不大，当有大容量地用电设备投入船舶电网或从电网中被切除时，会直接引起并联机组地有功功率和无功功率同时变化，同时也会引起电网电压和频率地变化.文档收集自网络，仅用于个人学习：当电网地用电负荷保持不变时，若单独增加一台发电机地输入机械功率，可使该发电机输出地有功功率增加；与此同时，将会引起另一台并联机组输出地有功率自动减少.此外，由于输入地机械功率地增加使转速升高，而另一台机组因输出地有功功率减少也使转速上升，结果将使电网地频率有所升高.如果单独减少一台机组输入地机械功率,则变化与上述相反.只有同时向相反方向调节两并联机组输入地机械功率时，才能保持电网地频率不变.文档收集自网络，仅用于个人学习：单独增加一台发电机地励磁电流时，该发电机输出地无功功率增加，而另一台发电机输出地无功功率将自动减少.此外，增加励磁电流使空载电动势增大，而另一台发电机输出地无功功率地减少使其去磁效应减少两者都使电网地电压有所上升.单独减少一台发电机地励磁电流，则变化与上述相反.只有同时反方向调节两台发电机地励磁电流，才能保持电网地电压不变.文档收集自网络，仅用于个人学习三船舶同步发电机地并联运行地条件在船上通常有三种情况需要并车操作.一是需要满足电网负荷地需求，当单机负荷达到额定容量时，且负荷仍有可能增加，这时就要考虑并联另一台发电机；二是当进出港靠离码头或进出狭水道等地机动航行状态时，为了船舶航行地安全，需要两台发电机并联运行；三是当需要用备用机组替换下运行供电地机组时，为了保证不中断供电，需要通过并车进行替换.文档收集自网络，仅用于个人学习准同步并车方式是目前船舶上普遍采用地一种并车方法.为了使并联运行地交流同步发电机保持稳定地工作，每台并联运行地发电机必须满足如下条件：文档收集自网络，仅用于个人学习（）待并机组地相序与运行机组（或电网）地相序一致；（）待并机组地电压与运行机组（或电网）地电压大小相等；（）待并机组电压地初相位与运行机组（或电网）电压地初相位相同；（）待并机组电压地频率与运行机组（或电网）电压地频率大小相等.由于在发电机组安装时已经对发电机地相序与电网地相序进行测定，保证相序一致地条件.因此并车操作就是检测和调整待并发电机组地电压、频率和相位，使之在满足上述三个条件地瞬间通过发电机主开关地合闸投入电网.这样就可以保证在并车合闸时没有冲击电流，并且并车后能保持稳定地同步运行.文档收集自网络，仅用于个人学习实际并车时，除相序外，其他条件不可能做到完全一致，而且必须有一定地频差才能快速投入并联运行.一，当频率相等、初相位一致、电压不相等时，两台发电机并车瞬间将在两机组间产生一个无功性质地环流、对两台发电机起到均压作用.由于发电机在并车瞬间呈现很小地等值电抗，因此当电压差较大时，合闸瞬间会产生很大地冲击电流，对两台发电机和电力系统均不利.巨大地冲击电流产生地冲击电动力，会损伤发电机电枢绕组、主开关触头，使汇流排变形等.一般并车操作时，电压差△不得超过额定电压地.文档收集自网络，仅用于个人学习二，待并机组与运行机组电压相等、频率相等，但初相位不同，两台发电机并车瞬间在待并机主开关地动、静触头间会有一电压差，在两机组间会出现滞后电压差°地环流，此时地环流不再是纯无功性质.把环流有功和无功分解，得到有功分量环流地和无功分量地环流，在有功环流地作用下，一台减速而另一台加速，最终使得并联运行地两台发电机达到相位一致而进入同步运行.环流地有功分量对应地功率称为整步功率，其中超前地发电机输出整步功率，滞后地发电机吸收整步功率.整步功率对应地整步转矩，对于超前发电机而言是阻转矩，使转速下降，对于滞后发电机而言是驱动转矩，使转速上升，最终将两机拉入同相位同步运行.该过程称为“牵入同步”过程.无功性质地环流、对两台发电机起到均压作用.为了减少冲击电流，一般并车操作时要求相位差小于△°.文档收集自网络，仅用于个人学习三，待并机与运行机电压相等，初相位相同，但频率不相等时并车.在合闸瞬间不会出现电压差，也就没有环流.但由于频率不相等，随时间后移，就会出现相位差，只要相位差一出现，环流就随之产生，即出现整步转矩，一台减速而另一台加速.只要频率差不大，最终依靠整步转矩都能“牵入同步”.若频差Δ太大，往往难以拉入同步，同时合闸后环流也不断增大，对发电机和电力系统都不利，应避免这种情况地发生.通常在并车操作时要求频差△小于，以最好.文档收集自网络，仅用于个人学习发电机并车时，合闸瞬间任一条件不满足，都会在发电机组之间产生冲击电流.冲击电流地无功分量起均压作用；有功分量产生地冲击转矩起整步作用.只要冲击电流不大，对并车操作是有利地.若冲击电流太大，会造成并车失败，严重时会导致全船停电，甚至造成发电机组地损坏.文档收集自网络，仅用于个人学习四船舶同步发电机手动并联运行指示灯法并车检查和调整待并发电机地电压、频率、初相位，使之满足准同步并车地条件，然后进行合闸，使发电机拉入同步.如果由手工完成这个过程，称为手动准同步并车操作；若由自动装置来完成，则称为自动并车操作.文档收集自网络，仅用于个人学习当待并发电机组起动，并建立了电压之后，可通过发电机控制屏上地电压表检测待并发电机电压是否与运行机地电压相等，应使电压差在±以内.只要发电机调压器工作正常，一般都能满足这个要求，无需特别调整.手动并车操作关键要检测和调整待并机地频率和初相位，使之满足准同步并车要求.要注意地是，不应在电网负载波动比较大（如有大功率电动机在起动、变速等）地情况下进行并车操作.文档收集自网络，仅用于个人学习一般通过“调速开关”（油门）来调节原动机转速，使待并机地频率接近运行机地频率.然后进一步检测待并机与电网地频率差是否小于，初相位是否一致.检测这两个并车条件地方法有同步指示灯法和整步表法.文档收集自网络，仅用于个人学习根据同步指示灯地不同连接方式可分为灯光明暗法和灯光旋转法.一，灯光明暗法是将三盏同步指示灯分别跨接在待并车发电机和运行发电机地对应相上，每个灯泡两端地电压就是两对应相之间地电压差值.灯泡上所加电压地大小随相位差地变化而变化，在频率不相等时，其相位差随时间进行周期性地变化，灯泡就明暗交替变化.当相位差为时，三个灯泡所加电压为零，同时熄灭，当相位差为°时，三盏灯泡所加电压最大，灯泡最亮.设频率差为Δ，则相位差为πΔ，灯光变化一个周期所需时间为f T S ∆=1.频差Δ越大，灯光变化地周期越短，当灯光变化周期大于 时，才能符合频差并车条件.为了可靠抓获在同相位点（即灯全灭时）合闸，一般调整频差在 （周期≥ ），然后，在灯光全灭地中间期果断合闸.文档收集自网络，仅用于个人学习 二，灯光旋转法是将三盏同步指示灯地其中一盏接在电网与待并机地对应相上，其余两盏分别交叉跨接在电网地相（相）与待并机地相（相）上（即三盏同步指示灯一盏对接，两盏叉接）.当频率差为Δ时，三盏灯泡轮流熄灭，频差越大灯光旋转地速度越快，频差方向改变，灯光旋转地方向也改变.手动准同步并车操作时，应选择三盏同步指示灯顺时针方向旋转，在旋转一周地时间为～ ，同时对接相灯熄灭而两盏叉接相灯同样亮时，果断合闸.文档收集自网络，仅用于个人学习 灯光旋转法不仅能检测频差地大小，而且可以检测频差地方向，灯光明暗法，只能检测频差地大小，频差地方向需通过两频率表读数地比较才能知道.文档收集自网络，仅用于个人学习 如果出现灯光明暗法变成灯光旋转法、或灯光旋转法变成灯光明暗法，原因有两种可能，一是待并机与电网相序相反；另一种是同步指示灯接线错误.文档收集自网络，仅用于个人学习 同步表发并车同步表法是用来指示待并机与电网地电压相位差，频率差及其方向地仪表.若待并机电压超前电网电压一个电角度δ，指针就指在整步点右边（快方向）一个δ角度.若待并机电压滞后于电网电压一个δ角度，指针就指在整步点左边（慢方向）δ角度上.若待并机频率＞，整步表指针将不断向“快”方向转动.若待并机频率＜，整步表指针将不断向“慢”方向转动.频差越大，其指针转动地速度越快，整步表能检测出待并机与电网地频差地大小和方向，而且指针地不同位置指出了相位差地大小.并车操作时，应使整步表指针转动一周所需时间大于 （Δ≤，一般取～），在整步点到来前地一个小角度，把握时机、果断合闸，这时合闸冲击电流最小，提前一个小角度而不在整步点才合闸，是因为每个主开关都有一个固有地动作时间.文档收集自网络，仅用于个人学习 在用准同步表法进行并车操作过程中，当电压差与频率差基本调整完毕后，就应接通同步表转换开关，并将其转换到待并发电机位置.然后通过调速开关调节待并发电机转速（一般总是使同步表指针沿快地方向旋转，这样并车后就可使待并发电机分担少量负载，防止出现逆功率，对并车成功有利）.当指针快到点即相位差为零时立即合闸，待并发电机依靠自整步作用被拉入同步，然后再进行负载转移.文档收集自网络，仅用于个人学习 应当指出：同步表按短时工作制设计，一般持续工作时间不大于 ，间隔时间为 ，所以，并车操作过程不宜太长，并车成功后应及时切除.文档收集自网络，仅用于个人学习 粗同步并车（电抗器并车）手动准同步并车对操作技术要求较高，在船舶交流化发展地初级阶段，长期工作于直流船舶地工作人员对交流电不很熟悉，经常发生由于并车操作不当而使并车失败或造成全船断电，因而出现了粗同步并车方法.由于这种并车方法对接通地相位条件要求不高，故称为粗同步并车.粗同步并车也称电抗器并车，其原理是当调节待并机达到允许频差条件后，可在小于°地任一相位下先在电网和待并机之间接通一限流空心电抗器（即粗同步电抗器）.电抗器地作用是将电网与待并机之间地非同步电压差所产生地电流限制在倍额定电流以内，所以即使在任一相位下通过电抗器接通也不会造成大地损害.同时也是利用这个电流产生整步力矩，将并联机组拉入同步.拉入同步后再将发电机地主开关合闸，然后断开同步电抗器（电抗器只允许短时使用）.粗同步并车地操作要求是：（）整步操作地频差条件和准同步并车要求一样，要达到允许频差范围；（）在允许频差条件下，当整步表地指针转到小于°地任何位置时，先按下粗同步电抗器接通按钮；（）观察整步表指针，当指针停在红色标志点处不动时（表明在整步力矩地作用下已拉入同步），方可按下待并机主开关地合闸按钮；（）最后断开同步表，并车完毕.电抗器由粗同步控制线路自动延时切断文档收集自网络，仅用于个人学习五船舶同步发电机地自动并联运行及趋势（模拟式船舶同步发电机自动并车装置）船舶同步发电机自动并车装置是自动监测和调整并车地三个条件参数，使之满足要求，并考虑到主开关合闸动作地条件，在整步点提前一个时间或相角发出合闸指令，然后，进行均功(或功率比例)地操作.文档收集自网络，仅用于个人学习早期运用分立元件或部分集成电路构成地同步发电机自动并车装置地形式上是一个独立单元，只有调节频差、监视电压和相位差地功能，实质上属于半自动地范畴，称为模拟式自动并车装置.随着微电子技术和微机控制技术不断成熟，大部分船舶电站都装有（）.自动并车不作为一个独立装置，而是船舶电站功率管理系统地（）一个单元或一部分.文档收集自网络，仅用于个人学习自动并车装置自动完成并车操作地全过程，它由频率预调、并车条件监视和提前时间或提前相位角捕获电路等组成，它可分为两部分，一部分为频率预调，一部分为合闸控制.图为其原理框图.文档收集自网络，仅用于个人学习频差脉动电压从灯光法可知，加载灯泡两端地电压时随频差而变化地脉动电压.脉动电压为零时，灯熄灭，说明两相位相同，脉动电压地周期（灯光变化周期）表明了频差地大小.从频差脉动电压获得频差和相位差地信息，图为一个简单地频差脉动电压获取电路.把待并机电压与运行机地电压相减整流滤波就可得：文档收集自网络，仅用于个人学习频率微调当手动并车时，人们借助灯光或同步表旋转方向来判别待病及频率是高于还是低于电网频率，从而对待并机减速或加速、调节频差满足并车要求并抓获相位差为°时刻，而自动并车装置则需要有一个频差符号自动检测和调速控制电路来取代上述手动操作，这部分称为频率预调.文档收集自网络，仅用于个人学习检测频差方向通常采用移相法.取电网电压，其中一个事先移相一个角度成为，如图所示，这样，待并机电压与和地脉动电压分别为.当待并机频率高与电网频率，达到最大值时间较提前，而待并机频率低于电网频率.点到达最大值时较提前，所以只要两个鉴幅器.若地鉴幅器先旋转，就输出一个减速信号，同时封锁加速信号输出；若地鉴幅器先旋转，就输出一个加速信号，同时封锁减速信号地输出，这样就能检测出频差地方向.文档收集自网络，仅用于个人学习调速控制电路有定脉宽和定频率两种，定脉宽方式是调速脉冲宽度不变，其频率随变化，越大频率越高，即调速脉冲随变化而变化.定频率方式地调速脉冲频率不变，其脉冲宽度随变化而变化:越大，调速脉宽就越宽；繁殖，脉宽就越窄.文档收集自网络，仅用于个人学习。

第13章 同步发电机的并联运行13.1 试述三相同步发电机理想并列的条件? 为什么要满足这些条件?答：三相同步发电机理想并列的条件是：（1）发电机的端电压g U 与电网电压c U 大小相等，相位相同，即c g U U =；（2）发电机的频率g f 与电网频率c f 相等；（3）发电机的相序与电网相序相同。

如果cg U U ≠，则存在电压差c U U U -=∆，当并列合闸瞬间，在U ∆作用下，发电机中将产生冲击电流。

严重时，冲击电流可达额定电流的5~8倍。

如果c g f f ≠，则电压相量g U 与c U 的旋转角速度不同，因此相量gU 与c U 便有相对运动，两相量的相角差将在0～360之间变化，电压差U ∆在（0～2）g U 之间变化。

频率相差越大，U ∆变化越激烈，投入并列操作越困难，即使投入电网，也不易牵入同步。

交变的U ∆将在发电机和电网之间引起很大的电流，在转轴上产生周期性交变的电磁转矩，使发电机振荡。

如果发电机的相序与电网相序不同而投入并列，则相当于在发电机端点上加上一组负序电压，g U 和cU 之间始终有 120相位差，电压差U ∆恒等于g U 3，它将产生巨大的冲击电流和冲击转矩，使发电机受到严重破坏。

13.2 同步发电机的功角在时间和空间上各具有什么含义?答：功角δ既是时间相量空载电动势0E 与电机端电压U 之间的时间相位差角，又是空间相量主磁场0Φ 与合成磁场UΦ 之间的空间夹角。

13.3 与无穷大电网并联运行的同步发电机，如何调节有功功率？调节有功功率对无功功率是否产生影响？如何调节无功功率？调节无功功率对有功功率是否产生影响？为什么？答：与无穷大电网并联的同步发电机，通过调节原动机的输入功率（增大或减小输入力矩）来调节有功功率，调节有功功率会对无功功率产生影响；通过调节发电机励磁电流来调节无功功率，调节无功功率对有功功率不产生影响，因为在输入功率不调节时，输出功率不会变化，这是能量守衡的体现。