第十八章 同步发电机的并联运行
教学要求：
1．熟悉同步发电机并联合闸的条件和方法
2．掌握同步发电机并联运行的基本电磁关系、
功率及转矩平衡方程式
3．掌握有功功率和无功功率的调节
4．理解 V形曲线的物理意义
第一节 概述
同步发电机并联运行的优点：
1.电能的供应可以互相调剂，合理使用。
2.增加供电的可靠性。
3.提高供电质量，电网的电压和频率能保持在要求的
恒定范围内。
4.系统愈大，负载就愈趋均匀，不同性质的负载，互
相起补偿作用。
5.联成大电力系统，有可能使发电厂的布局更加合理
3.发电机的电压相序与电网的电压相序相同（发电机相序决
定于原动机的转向，一般是固定的）
第二节 并联合闸的条件和方法
4.在合闸时，发电机的电压相角与电网电压的相角一样
一、条件：
并联投入时，避免产生大的电流冲击和转轴受到突然的
扭矩。并联合闸必须满足四个条件：
1.发电机频率等于电网的频率（各国电网频率大致有两种：
50Hz或 60Hz，我国为 50Hz）
2.发电机的电压幅值等于电网电压的幅值，且波形一致
二、方法：
1,准确同步法：将同步发电机调整到符合并联
条件后进行并网操作，分为暗灯法和旋转灯光法
两种。
0A B CUUU? ? ? ? ? ?&&&
(1)暗灯法：
电网与同步发电机之间的三相并联开关两
侧接灯泡，称相灯，若三相相灯同明同暗，说
明相序正确；当三组相灯同时熄灭时，表示电
压差,即可并网合闸。
13
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V
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B
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S
B
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3 ~
电网
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暗灯法接线和向量图
当不满足并网条件时，暗灯法所见的现象
a.频率不等：相灯将呈现同时暗、同时亮的交替变化现象，
说明发电机与电网的频率不同，需调节原动机转速从而改
变发电机频率。
b.电压不等：三个相灯没有绝对熄灭的时候，而是在最亮
和最暗范围闪烁，需调节励磁电流从而改变发电机的端电
压。
c.相序不等：三个相灯明暗呈交替变化状态，说明发电
机与电网的相序不同,需对调发电机或电网的任意两根接
线。
d,相角不等：三组相灯不同时熄灭，不能合闸并网，需
微调节转速。
(2) 灯光旋转法：
此方法比暗灯法容易实现并网操作，一个相
灯熄灭时，另两个相灯亮度一样；另外可根据灯
光旋转方向判断频率大小。
13
2
V
A
S
A
G C G
B
S
C
S
B
G
GS
3 ~
电网
旋转灯光法接线图
条件不满足时对电机的影响
1、电机和电网之间有环流，定子绕组端部受
力变形。
2、产生拍振电流和电压，引起电机内功率振
荡。
3、电机和电网之间有高次谐波环流，增加损
耗，温度升高，效率降低。
4、电网和电机之间存在巨大的电位差而产生
无法消除的环流，危害电机安全运行。
电网的容量相对于并联的同步发电机容量来说要大得
多, 如果对并联在电网上的同步发电机进行有功功率和无
功功率调节时, 对电网的电压和频率不会有什么影响 。 无
限大电网的特点是端电压和频率均可认为是恒定的 。
第三节 同步电机并网运行的理论基础
无限大电网：
同步发电机的理想条件,
并联运行通常是指同步发电机与无限大电网并联运行 。
就是发电机的端电压和频率与电网完全相等, 同步发电机
由于 与 同相位，虽然有电枢电流 的存在，但由
于没有有功功率输出，仍认为是空载。同步发电机在理想条
件下并联到电网，原动机只能供给同步发电机转动时所需的
损耗功率，即风阻摩擦等机械损耗以及铁耗等。
I0E&U&
I一、空载运行,（不是指 =0，而是指有
功功率或有功电流为零）
0T1T
也就是，原动机的拖动转矩 等于空载矩,发电机不向
电网输出功率。
10TT?
2
60
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10m F eP p p P? ? ?
空载时改变发电机的励磁电流,
1．增大励磁，则,电流落后电压 电角
度（向电网输送感性无功，相当于吸收容性无功），
发电机对电网起电容器作用。
2．减小励磁，则,电流领先电压 电角度，
发电机从电网吸收感性无功功率，此时发电机对电
网相当于电感负载。
3,改变发电机的励磁电流只能使电枢绕助产生落后或
领先的纯无功电流，没有能使发电机输出有功功率。
0EU? 090
0EU? 090
并联到电网上的发电机，能够调节的物理量
有两个：一个是励磁电流，另一个是原动机输出
转矩。调节原动机的输出转矩使之增加，
引起转子加速，首先出现的是转子位置（以
为标志）领先气隙旋转磁密,由于电网频率
不会改变,的频率也不会变，所以气隙磁密
的旋转速度也不能变，维持恒定的同步速度。代
表转子位置的空间向量 在空载时与 同相
位，当 增大瞬间，转子加速使得 领先
一个角度 。
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二、负载运行：
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fi
用一个等值集中的励磁电流 (每对极只有一匝 )去代替实际
的励磁电流。由于基波励磁磁动势领先于气隙磁密一个 电
角度，使励磁电流 所在处的气隙磁密不为零,有磁场有电
流就必然产生电磁力，转子受力为：
2pp
T
若转子极对数为,则整个转子上有个 等值励磁电流，作
用在转子的总电磁转矩为,
T1．同步发电机的电磁转矩,
转矩平衡等式的每项都乘以机械角速度，就
变成功率平衡式。
2,转矩平衡和功率平衡：
10T T T??
电磁转矩的出现，同步发电机转矩平衡式变为：
1 0 1 0MT T T P P p? ? ? ? ? ? ? ?
输入
功率 P
1
机械损
耗 p mec
附加损
耗 p ad
耗
耗铁损 p Fe
电磁功
率 P em率
定子铜损
p cu1
输出功
率 P 2率
同 步 发 电 机 有 功 功 率 的 流 程 图
自同步法的投入步骤为：
（ 1）校验发电机相序把发电机拖动到接近同步
速，励磁绕组经限流电阻短路。
2,自同步法：
（ 2）发电机投放电网，立即加直流励磁电流，此
时靠定、转子磁场间所形成的引力就可把转
子自动牵入同步。
r1.隐极发电机：若忽略电阻,
则
第四节 有功功率的调节和静态稳定
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0
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X
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0
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电网并联运行的同步发电机，当增加原动机的
拖动转矩时，电机的电磁制动转矩随之增大，电机
的电磁功率和输出有功功率增大。
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I&?
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0E&
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同步发电机的功角特性：
（ 1） 保持励磁电流 不变时,
值与 角按正弦曲线
变化, 正半波代表发
电机工况 。
?MP
fi
（ 2） 一定时，改变励磁
电流,若,
则 θ1＜ θ2
fi
MP
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0 90
0 180 0
MP
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1
2
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1fi
请比较 和
的大小
1fi
2fi
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第一项是励磁电流在气隙磁场中产生电磁力所引
起的, 与励磁电势 成正比, 称为励磁电磁功率 。
第二项在隐极机中不存在，与 无关，与端电压 即
合成等效磁极及纵横轴磁阻的差异有关即,
称作凸极电磁功率
U
dqXX?
fi
2,凸极式发电机：
当忽略电枢电阻时，凸极式电磁功率亦等于输
出功率。
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20
2 22
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凸 极 机 的 功 角 特 性 曲 线
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0
0 90
0
MP
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结论 1：当励磁电流 为常数时, 调节发电
机输出的有功功率, 发电机的无功功
率也会改变, 输出有功功率减少时,
输出落后性无功功率会增大 。
结论 2：并联在电网上的同步发电机, 保持
励磁电流 为常数, 调节发电机输
出的有功功率, 电动势向量 的轨
迹是一个圆, 电枢电流 向量的轨
迹也是一个圆 (圆心不是 0),把它们
称为同步电机的圆图 。
fi
0E&
I&
三,同步发电机与电网并联运行
时的静态稳定
同步发电机输出容量的大小, 不仅受到发热的限制,
而且受到运行稳定性的限制 。
稳定问题包括由若干个发电厂或发电机的电力系统,
在正常负载调配和不正常事故中, 这些电机或电厂是
否还能保持同步运行的问题 。
稳定问题又分为静态稳定和动态稳定两种。
（ 1） 静态稳定问题：发电机在某一稳定运行状态,
（ 即发电机和电网并联运行时, 电压 U和频率 f都为
恒定值, 励磁电流 If不变, 其输入功率和输出功率
都不变的运行状态 ）, 如果在电网或原动机方面,
突然发生一些微小干扰, 在此小干扰去掉后, 发电
机如能恢复到原来的稳定运行状态, 即认为该发电
机的运行是稳定的 。
（ 2） 动态稳定问题：发电机突然加负载, 切除
负载等正常操作运行时, 或者在发生突然短路,
电压突变, 发电机失去励磁电流等非正常运行,
以及遭受到大的或是一定数值参数变化或负载
变化时, 电机是否还能保持同步运行的问题 。
2,静态稳定分析,
(1) 隐极机
0 90 0 180
0 ?
T
若原动机拖动转矩 不变，当 增大一个
时，电磁转矩 也增加一个,去掉干扰后，
因 + >,使电机自动回到原工作点
（ ），稳定。
1? ??
T
1T
1TT?
T 1TT?
T?
（ 2） 凸极机：
凸极机与隐极机相似, 额定运行点一般在
电角度范围 。
（ 3） 最大转矩 （ 或最大电磁功率 ） 与额定
电磁转矩 （ 或额定电磁功率 ） 之比称为过载
能力, 用 表示：
隐极机 一般为 1.5～ 2左右 。
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结论：对于稳极同步发电机
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发电机是静态稳定的,
或, 静态稳定 。
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0dTd? ?
发电机是静态不稳定的,
或, 静态不稳定 。
时为静态稳定极限, 稳定极限 。90? ? o 0dT
d? ?
第五节 无功功率的调节和 U形曲线
电力系统，除了要供给负载有功功率以外，
还要供给负载大量的无功功率，电网的总无功
功率由电网中全部发电机共同负担。发电机在
理想条件下（发电机与电网电压、频率、初相
角都相等），并联合闸到电网上去。
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均为不变量
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磁
超前
欠励
滞后
过励
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发 电 机 的 U 形 曲 线
教学要求：
1．熟悉同步发电机并联合闸的条件和方法
2．掌握同步发电机并联运行的基本电磁关系、
功率及转矩平衡方程式
3．掌握有功功率和无功功率的调节
4．理解 V形曲线的物理意义
第一节 概述
同步发电机并联运行的优点：
1.电能的供应可以互相调剂，合理使用。
2.增加供电的可靠性。
3.提高供电质量，电网的电压和频率能保持在要求的
恒定范围内。
4.系统愈大，负载就愈趋均匀，不同性质的负载，互
相起补偿作用。
5.联成大电力系统，有可能使发电厂的布局更加合理
3.发电机的电压相序与电网的电压相序相同（发电机相序决
定于原动机的转向，一般是固定的）
第二节 并联合闸的条件和方法
4.在合闸时，发电机的电压相角与电网电压的相角一样
一、条件：
并联投入时，避免产生大的电流冲击和转轴受到突然的
扭矩。并联合闸必须满足四个条件：
1.发电机频率等于电网的频率（各国电网频率大致有两种：
50Hz或 60Hz，我国为 50Hz）
2.发电机的电压幅值等于电网电压的幅值，且波形一致
二、方法：
1,准确同步法：将同步发电机调整到符合并联
条件后进行并网操作，分为暗灯法和旋转灯光法
两种。
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(1)暗灯法：
电网与同步发电机之间的三相并联开关两
侧接灯泡，称相灯，若三相相灯同明同暗，说
明相序正确；当三组相灯同时熄灭时，表示电
压差,即可并网合闸。
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暗灯法接线和向量图
当不满足并网条件时，暗灯法所见的现象
a.频率不等：相灯将呈现同时暗、同时亮的交替变化现象，
说明发电机与电网的频率不同，需调节原动机转速从而改
变发电机频率。
b.电压不等：三个相灯没有绝对熄灭的时候，而是在最亮
和最暗范围闪烁，需调节励磁电流从而改变发电机的端电
压。
c.相序不等：三个相灯明暗呈交替变化状态，说明发电
机与电网的相序不同,需对调发电机或电网的任意两根接
线。
d,相角不等：三组相灯不同时熄灭，不能合闸并网，需
微调节转速。
(2) 灯光旋转法：
此方法比暗灯法容易实现并网操作，一个相
灯熄灭时，另两个相灯亮度一样；另外可根据灯
光旋转方向判断频率大小。
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电网
旋转灯光法接线图
条件不满足时对电机的影响
1、电机和电网之间有环流，定子绕组端部受
力变形。
2、产生拍振电流和电压，引起电机内功率振
荡。
3、电机和电网之间有高次谐波环流，增加损
耗，温度升高，效率降低。
4、电网和电机之间存在巨大的电位差而产生
无法消除的环流，危害电机安全运行。
电网的容量相对于并联的同步发电机容量来说要大得
多, 如果对并联在电网上的同步发电机进行有功功率和无
功功率调节时, 对电网的电压和频率不会有什么影响 。 无
限大电网的特点是端电压和频率均可认为是恒定的 。
第三节 同步电机并网运行的理论基础
无限大电网：
同步发电机的理想条件,
并联运行通常是指同步发电机与无限大电网并联运行 。
就是发电机的端电压和频率与电网完全相等, 同步发电机
由于 与 同相位，虽然有电枢电流 的存在，但由
于没有有功功率输出，仍认为是空载。同步发电机在理想条
件下并联到电网，原动机只能供给同步发电机转动时所需的
损耗功率，即风阻摩擦等机械损耗以及铁耗等。
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I一、空载运行,（不是指 =0，而是指有
功功率或有功电流为零）
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也就是，原动机的拖动转矩 等于空载矩,发电机不向
电网输出功率。
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空载时改变发电机的励磁电流,
1．增大励磁，则,电流落后电压 电角
度（向电网输送感性无功，相当于吸收容性无功），
发电机对电网起电容器作用。
2．减小励磁，则,电流领先电压 电角度，
发电机从电网吸收感性无功功率，此时发电机对电
网相当于电感负载。
3,改变发电机的励磁电流只能使电枢绕助产生落后或
领先的纯无功电流，没有能使发电机输出有功功率。
0EU? 090
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并联到电网上的发电机，能够调节的物理量
有两个：一个是励磁电流，另一个是原动机输出
转矩。调节原动机的输出转矩使之增加，
引起转子加速，首先出现的是转子位置（以
为标志）领先气隙旋转磁密,由于电网频率
不会改变,的频率也不会变，所以气隙磁密
的旋转速度也不能变，维持恒定的同步速度。代
表转子位置的空间向量 在空载时与 同相
位，当 增大瞬间，转子加速使得 领先
一个角度 。
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二、负载运行：
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用一个等值集中的励磁电流 (每对极只有一匝 )去代替实际
的励磁电流。由于基波励磁磁动势领先于气隙磁密一个 电
角度，使励磁电流 所在处的气隙磁密不为零,有磁场有电
流就必然产生电磁力，转子受力为：
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若转子极对数为,则整个转子上有个 等值励磁电流，作
用在转子的总电磁转矩为,
T1．同步发电机的电磁转矩,
转矩平衡等式的每项都乘以机械角速度，就
变成功率平衡式。
2,转矩平衡和功率平衡：
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电磁转矩的出现，同步发电机转矩平衡式变为：
1 0 1 0MT T T P P p? ? ? ? ? ? ? ?
输入
功率 P
1
机械损
耗 p mec
附加损
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电磁功
率 P em率
定子铜损
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输出功
率 P 2率
同 步 发 电 机 有 功 功 率 的 流 程 图
自同步法的投入步骤为：
（ 1）校验发电机相序把发电机拖动到接近同步
速，励磁绕组经限流电阻短路。
2,自同步法：
（ 2）发电机投放电网，立即加直流励磁电流，此
时靠定、转子磁场间所形成的引力就可把转
子自动牵入同步。
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第四节 有功功率的调节和静态稳定
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的电磁功率和输出有功功率增大。
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同步发电机的功角特性：
（ 1） 保持励磁电流 不变时,
值与 角按正弦曲线
变化, 正半波代表发
电机工况 。
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（ 2） 一定时，改变励磁
电流,若,
则 θ1＜ θ2
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请比较 和
的大小
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第一项是励磁电流在气隙磁场中产生电磁力所引
起的, 与励磁电势 成正比, 称为励磁电磁功率 。
第二项在隐极机中不存在，与 无关，与端电压 即
合成等效磁极及纵横轴磁阻的差异有关即,
称作凸极电磁功率
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2,凸极式发电机：
当忽略电枢电阻时，凸极式电磁功率亦等于输
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结论 1：当励磁电流 为常数时, 调节发电
机输出的有功功率, 发电机的无功功
率也会改变, 输出有功功率减少时,
输出落后性无功功率会增大 。
结论 2：并联在电网上的同步发电机, 保持
励磁电流 为常数, 调节发电机输
出的有功功率, 电动势向量 的轨
迹是一个圆, 电枢电流 向量的轨
迹也是一个圆 (圆心不是 0),把它们
称为同步电机的圆图 。
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三,同步发电机与电网并联运行
时的静态稳定
同步发电机输出容量的大小, 不仅受到发热的限制,
而且受到运行稳定性的限制 。
稳定问题包括由若干个发电厂或发电机的电力系统,
在正常负载调配和不正常事故中, 这些电机或电厂是
否还能保持同步运行的问题 。
稳定问题又分为静态稳定和动态稳定两种。
（ 1） 静态稳定问题：发电机在某一稳定运行状态,
（ 即发电机和电网并联运行时, 电压 U和频率 f都为
恒定值, 励磁电流 If不变, 其输入功率和输出功率
都不变的运行状态 ）, 如果在电网或原动机方面,
突然发生一些微小干扰, 在此小干扰去掉后, 发电
机如能恢复到原来的稳定运行状态, 即认为该发电
机的运行是稳定的 。
（ 2） 动态稳定问题：发电机突然加负载, 切除
负载等正常操作运行时, 或者在发生突然短路,
电压突变, 发电机失去励磁电流等非正常运行,
以及遭受到大的或是一定数值参数变化或负载
变化时, 电机是否还能保持同步运行的问题 。
2,静态稳定分析,
(1) 隐极机
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若原动机拖动转矩 不变，当 增大一个
时，电磁转矩 也增加一个,去掉干扰后，
因 + >,使电机自动回到原工作点
（ ），稳定。
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（ 2） 凸极机：
凸极机与隐极机相似, 额定运行点一般在
电角度范围 。
（ 3） 最大转矩 （ 或最大电磁功率 ） 与额定
电磁转矩 （ 或额定电磁功率 ） 之比称为过载
能力, 用 表示：
隐极机 一般为 1.5～ 2左右 。
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结论：对于稳极同步发电机
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发电机是静态稳定的,
或, 静态稳定 。
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发电机是静态不稳定的,
或, 静态不稳定 。
时为静态稳定极限, 稳定极限 。90? ? o 0dT
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第五节 无功功率的调节和 U形曲线
电力系统，除了要供给负载有功功率以外，
还要供给负载大量的无功功率，电网的总无功
功率由电网中全部发电机共同负担。发电机在
理想条件下（发电机与电网电压、频率、初相
角都相等），并联合闸到电网上去。
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?
2
I
t
xjI
?
2
φ 2当发电机输出一定的有功功率并保持不变
0
M
c
UEP m S in
X ??
2MPP?
2P m U IC o s??
=常数
均为不变量
Cm U XQ,,
0
IC o s
E S in
?
?
??
? ?
??
常数
常数
?
U
?
I
?
0
E
c
jI X
03
?
E
3
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I
Ij
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φ
c3
x
3
I
f
I
0
0mP ?
'
em
P
"
em
P
"'
em
P
正
常
励
磁
超前
欠励
滞后
过励
cos 0.8? ?cos 1? ?? ?cos 0.8???
发 电 机 的 U 形 曲 线
