科普电网同步运行原理
虎哥2011/03/27高电压技术 IP:四川

电网是如何同步运行的
刘虎
我们都知道中国电网的工作频率是50Hz。电网的电来自于发电厂,这么说来,全国所有发电厂的输出频率都是50Hz(为了便于讲述,本文暂不考虑区域电网之间直流联网的情况),也就是所有两极汽轮发电机的转速都是每分钟3000转。这种全国范围的协调一致是怎么实现的呢?

首先需要说明,并网发电机几乎全部属于同步电机。例外情况也有,但是是极个别的,如新能源发电,就有交流励磁的变速恒频发电机和光伏发电所采用的逆变器。

所谓同步电机,用专业的话讲,就是其转数与旋转磁场的转数一致,机械旋转与磁场旋转同步的电机。这个似乎很难理解,换成通俗的话讲,就是它的转数与交流电频率完全对应。对于一个普通的汽轮发电机,如果要输出50Hz交流电,它的驱动转数就必须是每分钟3000转。我国也有少量多极的发电机,里面的绕组数更多,其转数可以是1500转(4极)、1000转等等,水轮机有更慢的,而且往往越大的越慢,最慢的可以在100转以下……

同步电机分为电动机和发电机两种,两者原理没有什么区别,一台同步电机既可以当做发电机,也可以当做电动机。发电厂中,汽机或者水轮机带动同步电机,向外输出功率,这就是发电机。

我们考虑一个电网刚刚起家的时候的情况。首先得有一个电厂向电网供电。这个电厂的发电机转数为3000转,于是电网上就有了50Hz的交流电。如果电网上的负荷较大,一个电厂带不动了,就需要增加电厂。新加入的电厂也必须以3000转的转数来发电。目前有很多技术可以让一个机器保持在某个确定的转数,所以让发电机运行在每分钟3000转并不困难。但是,电网传输的是三相交流电,假如电网上面某一相正好在波谷的时候(我们姑且这么说),发电厂正好位于波峰,这时候一旦把电厂和电网连接起来,就会发生严重的短路。怎么办呢?最简单的办法就是让电厂的转数与电网略微不同,比如每分钟2999转。这就意味着,每经过1分钟,电厂的相位就会和电网的相位相差360度(一圈就是360度)。经过了半分钟,电厂的相位相对电网移动了180度,此时此刻两者相位完全一致。说时迟那时快,俺以迅雷不及掩耳之势按下合闸按钮,电厂和电网就不会发生任何短路,两者很顺利的连接在了一起。这里我操作的是上世纪五十年代的机组,现在这个工作不需要人参与,有自动同步装置在干活。

2999转的发电厂和3000转的电网连接在一起了,很好,嗯?接下来会发生什么情况?那就是随着时间推移,电网的相位和发电机的相位会产生差别,如果两者频率都保持不变的话,经过半分钟,正好相差180度,刚好又短路了!但是事实并非如此。当两者相位相差一点点的时候,就会有电流产生。发电机的相位变化慢,会落后于电网的相位,只要落后一点点,电网的瞬间电压就与发电机有差别,发电机处于被动地位,相当于电网向发电机供电。发电机得到了电力,转数就会上升,而电网上已有的那台发电机,因为负载增大,转数就会下降,最后两者相互靠拢,在2999和3000转之间的某一个转数达到一致状态。当电网很强大,而发电厂并不太大时,我们可以认为电网的频率是完全刚性的、不可变化的,那么,就只有发电厂顺应电网的大局,保持在3000转的速度了。这个过程,就是发电机被拖入同步转数的过程。所以,电厂并网的时候,频率并不一定精确为50Hz,转得快会被拖下来,转得慢会被拖上去,总之一旦并网,就只有老老实实的保持与电网一致的频率。

不论有多少台发电机,当他们一台一台接入电网的时候,都遵循上述规律。所以,全国的发电机都能保持同步运行。需要说明,这里没有考虑电力线路的影响。实际上,全国的发电机虽然同步于某个转数,但相位并不是完全一样的,具体差多少,不但要看出力的情况,还要看电力线路的长度、电压等级等等。我们可以简单的想象这个问题,那就是电能传送的最快速度不会超过光速,位于五湖四海的发电厂,相距成千上万里,相位显然是不同的。更不说在有感有容的线路上产生的相位变化了。

假设现在切断所有保护回路,则不论给不给汽机供气,发电机都按电网频率运行于同步速度。显然这时发电机既可以从电网吸收功率(汽机不供气,发电机带动汽机转,相当于电动机),也可以向电网供出功率(汽机供气,带动发电机转)。那么,到底发电机是吸收功率还是供出功率,具体供出多少功率,由什么来决定呢?这就涉及一个叫做“功角”的概念。也就是说,虽然发电机频率与电网相同,但是相位可以超前于电网,也可以落后于电网。超前于电网,发电机就向电网送出功率;落后于电网,就吸收功率。超前得越多,电流就越大,根据发电机原理,发电机受到的阻力就越大。于是,要想有更大的出力,汽机就必须提供更大的扭矩,以便克服发电机所受的阻力,保持较大的功角。

不论汽机提供多达的扭矩,汽机的转速仍然为同步转速。当扭矩大到一定程度,发电机过流,就保护了。这是一个发电机的情况。但是当一个电网的很多发电机都加大出力,也就是加大功角时,电网的相位就会移动,频率就稳不住了,向着减小功角的方向变化,即频率上升。如果此时电网的有功负载不变,那么这个频率就会一直上升下去,升到100Hz都有可能(我们先假设发电机可以耐受这个速度)。但是,随着频率的升高,电网上的所有电动机转速都要加快,耗能增加,那么负荷也就会变大,阻止频率的进一步上升。因此,电网会在一个更高的频率重新达到平衡状态。如果这个平衡频率超过了电网的允许偏离范围(例如超过50.1Hz),承担调频任务的电厂应该自动减小出力,如果没有奏效,调度就会通知一些电厂值长,要他们立即减小出力。当然实际调度要复杂得多,不过原理上大同小异耳。

对于一个区域电网来说,0.1Hz频率大约对应数十万千瓦的功率。有一天频率49.95Hz附近,调度要求咱们破厂增加5万千瓦出力(那时候俺的主要工作是铲煤),折腾了一阵子功率终于加上去了,频率也升上去了,锅炉班的大叫,气压低得不行了,只好赶紧又降下来。。煤的质量不好,时常熄火,有时一个星期要熄两三回。一旦熄火,立马不但不能发电,近十万千瓦的厂用电还得从电网取。一个电网突然掉了几十万千瓦的电源,怎么没有崩溃呢,就是因为设计时就考虑了上述自我调节机制。区域电网也不是独立的,如果大量电源丢失(至少几百万千瓦)会导致与其他区域的联络线过负荷,也会影响别的电网的状态。所以紧接着就只有甩负荷了。怎么甩负荷?拉闸限电,实在不行打电话给耗能大厂:你们那个轧机,必须三分钟内给老子停下来,不然就等着全厂停电吧。

我讲得够通俗吧。。。话说俺就是铲煤的,讲得不对就别怪俺了,啊哈哈。

[修改于 2年6个月前 - 2021/09/28 16:00:53]

+1000  科创币    ehco    2011/03/27 深入浅出,精华文章!
+1  科创币    liu12108    2012/07/03 必须三分钟内给老子停下来亮了...
+20  科创币    yuyue3106    2012/07/23 很好的科普资料,支持
+25  科创币    1989sean    2013/08/22 null
+50  科创币    猎鹰    2013/08/22
来自:电气工程 / 高电压技术
30
4
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~~空空如也
samhrc
13年2个月前 IP:未同步
286907
引用楼主虎哥于2011-03-27 21:33发表的 科普电网同步运行原理 :
频率就稳不住了,向着减小功角的方向变化,即频率上升。如果此时电网的有功负载不变,那么这个频率就会一直上升下去,升到100Hz都有可能
.......



这个时候是不是汽机的转速慢慢增加了?还是发电机的频率和电网频率产生了差拍?(就跟超外差收音机的变频一个道理),俺见过一次试车中的机组并网失败,不知道怎么回事就听见汽轮机声音突然变了,然后超速保护就动作了,哐当主气门就关了。还以为汽机出问题了,去集控室一问才知道是解列了。大概就是因为发电机跳闸,汽机扭矩减小导致转速超速了吧。

俺想起来了,那个同步器其实就是调的调节级进气量。理解一点了,谢谢哦。
看来俺要补补课了,毕竟不是干这个的。对电一点不懂啊。LZ 的写作能力强啊~ 不去搞科普屈才了。

还有,一点不明:
调相机俺能理解,但是运行中的机组调无功是怎么回事, 难道就是增加励磁吗?
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123123123
13年2个月前 IP:未同步
286908
懂了~~~~~~我还以为用别的办法改频率,原来是这样啊
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samhrc
13年2个月前 IP:未同步
286911
原来虎哥在电厂的啊~

才发现头像照片的背景的建筑样式那么熟悉~~
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vocal@ルカ
13年2个月前 IP:未同步
286912
上次去华能参观 记得他们锅炉的煤是磨粉进行爆炸燃烧 不是铲煤。。。
气压有28.7MPA(用水烧的)~~~
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samhrc
13年2个月前 IP:未同步
286917
引用第4楼霹雳游侠于2011-03-27 22:24发表的  :
上次去华能参观 记得他们锅炉的煤是磨粉进行爆炸燃烧 不是铲煤。。。
气压有28.7MPA(用水烧的)~~~



现在那儿还有铲煤的电厂?最差也是沸腾床吧(兴许有链条炉的,但是俺没见过那么古老的东西)。煤粉可不能让它爆炸,北仑电厂就是煤粉爆炸出事了。
28.7Mpa是超临界机组了。
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虎哥作者
13年2个月前 IP:未同步
286922
火电厂肯定要铲煤,只不过不是铲进锅炉,而是从煤场铲到传送带上,再送进球磨机,要不然俺就下岗啦~

只要机组并网,频率肯定和电网一致,否则就会跳闸,不跳闸的话就会发生事故。突然解列,汽机转数会升高,控制或保护装置会动作,限制转数增高。我讲的都是并网的情况;汽机和发电机是连在一起的,两者转数或者说频率完全一致。

调无功的基本方法是调励磁,但是调节有功(调汽机)也会影响无功。在汽机不变时,调励磁虽不影响有功,但会影响功角、改变电压。这些是相当专业的问题,超出了科普的范畴,建议参考《电机学》或者《同步电机》。
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古人
13年2个月前 IP:未同步
286924
发电厂是不是使用了并网调相装置?
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samhrc
13年2个月前 IP:未同步
286928
引用第7楼prcndssa于2011-03-27 23:30发表的  :
发电厂是不是使用了并网调相装置?


这个这个~ 电厂有个设备叫同期装置,是一面屏。正如LZ说的,以电网频率做基准,调节同步器改变汽机转速。同期装置通过PT监测发电机端口相位和电网相位差以及电压差,满足等二者的并网条件时自动投入并网,。现在这个装置都是电脑自动控制的,只需要点鼠标操作就行了不用去人工合闸并且电脑会自动计算出合闸提前角(人工合闸的话速度也跟不上,容易导致震荡)。只要汽机转速偏差不太大,电网会自动将发电机拉入同步。若并网失败那就触发保护条件,发电机自动从电网退出。

有专家在,俺不班门弄斧了。基本过程就是这样的。
+100
科创币
科创网
2011-03-28
讲解详细易懂。
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samhrc
13年2个月前 IP:未同步
286931
煤场还真没进去过!但估计一下,显然不可能是用铲子来往传送带上铲吧~ 至少也有铲车什么的吧。反正俺没见过煤场里的铲车。
倒是似乎似乎是有个什么装置,就像滚筒洗衣机一样,火车车厢一节一节开进滚筒去然后滚筒转一圈把车上的煤翻进地下的槽里。槽底有皮带机将煤提升至储煤斗。然后再怎么怎么通过一堆管道进制粉机。

汽机车间倒是有个乐趣,工人会偷偷用过热蒸汽管道来烤红薯和栗子。俺小时候是没少吃,亚临界的温度还正好合适,红薯外酥里嫩,还没有讨厌的燃烧的味道,比街头用煤球烤的好多了。
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虎哥作者
13年2个月前 IP:未同步
286932
那种煤场是比较先进的,火车车皮也要使用专用车钩,可以在不摘钩的情况下翻车。但是话说一个煤场几十万吨煤啊,多的有上百万吨,总不能全部放在漏斗里面吧,所以铲煤的工作暂时还是铁饭碗,呵呵。。
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samsun185
13年2个月前 IP:未同步
286949
终于明白了电网是怎么一回事。谢谢楼主

不知道核对电站是不是一个样的道理呀?
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novakon
13年2个月前 IP:未同步
286965
看到楼主果断打印页面
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samhrc
13年2个月前 IP:未同步
286969
引用第11楼samsun185于2011-03-28 10:29发表的  :
终于明白了电网是怎么一回事。谢谢楼主

不知道核对电站是不是一个样的道理呀?


核电站的汽轮机和电机工作原理同火电一样。但核电站一般是1500转的机组,汽轮机结构和管路与火电区别挺大的。因为反应堆提供的是低参数饱和湿蒸汽,所以为了达到同高参数蒸汽一样的做功效果,低参数蒸汽的耗量、比容和体积等都要要比高参数蒸汽大得多。所以汽轮机的结构上主要是通流截面就要加大、叶片叶形和围带结构不一样、调节机构从喷嘴调节改为喷嘴前节流调节、还有就是低压缸最后几级叶片有排湿孔同时动叶片的气封间隙加大。蒸汽管路上的主要区别就是中压缸到低压缸之间有水汽分离器、再热器的结构也不一样。
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花落一天
13年2个月前 IP:未同步
286970
非常好的文章...........没看到转载...........老虎这种贵族血统的淫还干过铲煤的活?表示不相信............
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AnthraX
13年2个月前 IP:未同步
286977
相距成千上【8001 6849 】

这个敏感词是啥?
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samhrc
13年2个月前 IP:未同步
286981
LS不知道那还个人名
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frival
11年11个月前 IP:未同步
413794
学习了,原来相位同步是自动实现的.
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灬小猫
11年11个月前 IP:未同步
413817
楼上挖坟挖的好,学习了,,,不过话说虎哥这种大神还铲煤,不信。。
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金坷居士
11年11个月前 IP:未同步
413854
回 18楼(jackruru) 的帖子
我也挖挖坟~
+1
科创币
delete
2012-06-30
虎哥铲煤你信么····
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相对论万岁
11年11个月前 IP:未同步
413869
虎哥铲煤的?不信!
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iamapighhh
11年11个月前 IP:未同步
413993
回 楼主(虎哥) 的帖子
煤的质量不行居然可以导致断火?我觉得锅炉熄火另有原因。
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jxs
11年10个月前 IP:未同步
415300
大开眼界。。。原理虎哥是铲没的 [s:178]
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liu12108
11年10个月前 IP:未同步
415338
必须三分钟内给老子停下来亮了...
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箭zy-h2
11年10个月前 IP:未同步
424954
= = 那个说有高压直流输电是怎么回事······
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dianzibiaoge
11年10个月前 IP:未同步
425031
仔细看了一遍,受益匪浅啊。里面学问很大的。
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阿波罗
10年11个月前 IP:未同步
537574
终于明白了同步发电机是怎么回事了。前两天才去整了一个5kw的旧柴油同步发电机,就是一直没有明白这个同步是个啥概念,原来是和电网同步的啊。这么说来,我这个小机器也可以接入电网了哈,没有保护装置的时候,就是做功的时候,向电网输出电能,没有原动的时候,就是电动机了,电网可自动调节相位。不知道这样理解对不?
+1
科创币
云天
2013-08-22
功率不够会在一两分钟烧红柴油机的经历过的忘了关掉电网大闸把电送到电网去了 两台300kW发电机一会红透
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1176764177
10年11个月前 IP:未同步
537596
回 楼主(虎哥) 的帖子
电厂发电机并网的时候不是得测量相位什么的有个仪器然后在合适的时候合闸啊
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打不死的小超
10年11个月前 IP:未同步
537802
直流输电已解决.....
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liccil
10年9个月前 IP:未同步
562593
见过一次60Hz的百兆瓦水电机组被同步到47Hz运行的现象。
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刘 虎

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