第1页：发电机并联运行的优点
现代发电厂通常装有多台同步发电机，这些发电机都是并联的，不同发电厂的发电机之间也并联起来，形成一个巨大的电力网，称为电力系统。系统中的发电机从内部电磁规律看与单机运行情况相同，但由于多台并联使运行条件发生改变，出现了并联条件和方法、负载分配、稳定等新问题。
并联运行的优点
- 提高电能质量及供电可靠性，即电压和频率更稳定，设备可轮流检修，系统不停电；
- 提高电厂及电机的运行效率，合理利用动力资源，火力电厂与水力电厂配合，根据负载变化决定并联电机的台数，使每台发电机都能在满载下运行；
- 大电力系统使发电厂布局更加合理，在产煤区布置火力发电厂、在水力资源丰富处布置水力发电厂，再用高压输电线向工业中心区域供电；
- 系统愈大，负载愈趋均匀，不同性质的负载相互起补偿作用。
第2页：同步发电机并联投入的条件
同步发电机投入并联时，为避免电机和电网中产生冲击电流、在电机轴上产生冲击转矩，待投入的发电机须满足以下条件：
- 发电机的相序应与电网相同；
- 发电机的频率应与电网相同；
- 发电机的电压大小、相位应与电网电压相同，且同为正弦波。
第一个条件必须满足，（2）、（3）可稍有出入。若不满足会带来严重后果：
- 相序不同绝对不允许投入并联，会引起很大的冲击电流、危害电机安全运行。一般发电机出线都用黄、绿、红标明相序，故相序一般不会出错；
- 若电压 UG 与 US 不相等，则存在电位差 ΔU=UG−US 引起环流 IC，对发电机定子绕组端部产生很大的冲击力，损伤绕组绝缘；
- 频率不等时，发电机电压相量以相对速度旋转，会出现 ΔU 引起环流，对电网和电机本身均不利。
第3页：准整步法与暗灯法
把发电机投入电网所进行的操作过程称为整步过程（或称并车），整步方法有两种：准整步和自整步。
- 准整步
- 把发电机调整到完全合乎并联投放的条件然后投入电网。为判断是否满足条件，采用同步指示器，有“暗灯法”和“旋转灯光法”两种接法。
- 暗灯法
- 若 fG≠fS，发电机和电网的电压相量之间有相对运动，三个相灯上的电压同时发生时大时小的变化，三个灯同时呈现时亮时暗的现象。调节发电机转速直到三个灯亮灭很慢表示 fG≈fS，再调节发电机的电压大小和相位，当三个灯同时灭且电压表指示为零时即满足并联条件，可合闸投入并联运行。若过程中出现三个相灯轮流亮灭，则表示发电机与电网相序不同，应改变发电机相序。
第4页：旋转灯光法与自整步法
- 旋转灯光法
- 把相灯 2、3 交叉接在 B、C 之间。若 fG≠fS，三个相灯的灯光交替亮暗形成灯光旋转现象，调节发电机转速使灯光旋转缓慢，再调节发电机电压的大小和相位，直到灯 1 熄灭、电压表读数为零时可合闸并联。若发现灯光同时亮同时灭，说明相序接错，需改变发电机的相序才能并网。
- 准整步的优缺点
- 优点：投入瞬间电网和电机没有冲击；缺点：操作复杂，尤其当电网发生故障、电压和频率时刻变化时较难投入。
- 自整步法
- 投入步骤为：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；发电机投入电网，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。优点：投入迅速；缺点：冲击电流较大。
第5页：同步发电机的功率方程与转矩方程
- 功率方程
- 发电机对称稳定运行时，原动机输入到发电机的机械功率为 P1，扣除机械损耗 Ps1 和铁耗 PFe，余下部分通过电磁感应作用转换成定子的电功率，即电磁功率 Pe：P1=Ps1+PFe+Pe。电磁功率 Pe 是从转子方面通过气隙合成磁场传递到定子的功率。带负载时定子电流通过电枢绕组还要损失一部分功率即电枢铜耗 Pωa，余下的才为输出功率 P2：P2=Pe−Pωa，其中 P2=mUI·cosφ、Pωa=mI²Ra，m 为定子相数，U、I 均为每相值。
- 转矩方程
- 把功率方程除以同步角速度 Ω1 即得转矩方程 T1=T0+Te，其中 Ω1=2πn1/60，T1 为原动机的驱动转矩、T0 为空载转矩（对应损耗）、Te 为电磁转矩（制动性质）。
第6页：同步发电机的功角特性
同步电机的功角特性指接在电网上对称稳定运行时电磁功率与功率角之间的关系 Pe=f(θ)、Te=f(θ)。功率角指励磁电动势 E0 和电网电压 U 这两个相量之间的夹角，用 θ 表示。忽略电枢电阻的影响，由 Pe=mUI·cosφ=mUI·cos(ψ−θ)=mU(Iq·cosθ+Id·sinθ)，再由 Iq·xq=U·sinθ、Id·xd=E0−U·cosθ 代入可得：
Pe=m(E0·U/xd)·sinθ+m(U²/2)·(1/xq−1/xd)·sin2θ
- 第一项 Pe1=m(E0·U/xd)·sinθ 称为基本电磁功率；
- 第二项 Pe2=m(U²/2)·(1/xq−1/xd)·sin2θ 称为附加电磁功率，与励磁 E0 的大小无关，仅当 xd≠xq 时才存在，由凸极效应（交、直轴磁阻互不相等）引起，又称磁阻功率或凸极电磁功率，只与电网电压 U 有关。
第7页：功角特性曲线与功率角的物理意义
- 功角特性的最大值
- θ=90° 时 Pe1max=mE0U/xd；θ=45° 时 Pe2max=m(U²/2)(1/xq−1/xd)。总的电磁功率在 θ 为 45°~90° 之间达最大值。对隐极电机 xd=xq=xt，附加电磁功率为零，Pe=m(E0U/xt)·sinθ。
- 功率角 θ 的物理意义
- θ 既是 E0 与 U 之间的时间相位差——发电机 E0 超前 U；又是空间意义上定子合成磁场扭斜的角度。对无限大电网，U 和 f 均为常数，基本不受负载变化或其他扰动影响。E0 由励磁磁场产生，U 为等效合成磁场产生。
- θ 与机电能量转换
- 功率角 θ 实际上反映了定子合成磁场扭斜的角度，它愈大，产生的电磁功率和电磁转矩也愈大；而形成 θ 角的原因是由于交轴电枢反应 Faq，故交轴电枢反应磁动势是产生电磁转矩、进行机电能量转换的必要条件。
第8页：并联运行时有功功率的调节
发电机投入并联的目的就是向电网输出功率。以隐极电机为例，忽略电枢电阻及磁饱和，说明同步发电机与无限大电网并联时有功功率的调节。
- 发电机不输出有功功率时，原动机输入的功率用于补偿各种损耗，此时 θ=0，Pe=m(E0U/xt)·sinθ=0；此时虽然 E0>U，但它是无功电流；
- 增大输入转矩 T1 使 T1>T0，作用在机组转轴上使转子瞬时加速，与转子主磁场相对应的励磁电动势超前电网电压，于是 θ>0、Pe>0，发电机向外输出有功电流，并同时出现与电磁功率 Pe 相对应的制动电磁转矩 Te；当 T1−T0=Te 时转子回到同步速，发电机在 θ 角下稳定运行。
结论：要增加发电机的有功功率，必须增加原动机的输入功率，使功率角 θ 增大，电磁功率和输出功率便会增加，直到 θ=90° 时 Pemax=mE0U/xt 为隐极机的功率极限。
第9页：并联运行时的静态稳定分析
- 静态稳定
- 在电网或原动机方面偶然发生微小扰动时，当扰动原因消失后，发电机能回到原先的状态继续稳定运行，则称静态稳定；反之称不稳定。
- 稳定点分析
- 设发电机原先运行在 A 点、功率角为 θa。若扰动使转子转速增加、功率角增加到 θa+Δθ，电磁转矩增加到 Te+ΔTe，一旦干扰消失，由于 Te+ΔTe>T1 即电磁制动转矩大于原动机拖动转矩，转子将减速、功率角减少，回到原工作点 A。若扰动使功率角减小到 θa−Δθ，则 Te−ΔTe<T1，转子将加速、功率角增加，仍回复到 A 点，故 A 是稳定的。
- 不稳定点分析
- 若电机原先在 B 点运行（90°~180° 范围），扰动使功率角增大 Δθ 时，功率角增大反而使电磁转矩变小，即使扰动消失，输入转矩仍将大于电磁转矩而使 θ 角继续增大，差额愈来愈大，转子失去同步，过速保护装置会把原动机关掉，故 B 点不稳定。
第10页：静态稳定判据与同步转矩系数
结论：对于隐极同步发电机，0°<θ<90° 时发电机静态稳定，即 dTe/dθ>0；90°<θ<180° 时静态不稳定，即 dTe/dθ<0；θ=90° 时为静态稳定极限，dTe/dθ=0。对于凸极机，静态稳定极限 θm<90°。
发电机是否稳定取决于：由于外界扰动使功率角发生变动时，电磁转矩的增量是大于零还是小于零。若功率角增加 dθ 时电磁转矩也增加 dTe、功率角减小 dθ 时电磁转矩也减小 dTe，则运行是稳定的。
把 dTe/dθ 称为同步转矩系数，其值愈大，保持静态稳定的能力愈强、稳定性愈高：
- 隐极电机：dTe/dθ=(mUE0/Ω1xt)·cosθ；
- 凸极电机：dTe/dθ=(m/Ω1)[(UE0/xd)·cosθ+U²(1/xq−1/xd)·cos2θ]。
为使同步发电机能够稳定运行，应使最大电磁功率 Pemax 比额定功率 PN 大很多，二者之比称为过载能力 km=Pemax/PN=Tmax/TN。隐极机的过载能力 km 一般为 1.5~2 左右，额定时的功率角 θN 为 30°~40°。
第11页：空载运行时的无功功率调节
电网中负载绝大多数为感性负载（如变压器、异步电机），所以同步发电机与电网并联后不但要向电网发出有功功率，还要发出无功功率。下面分析无功功率的调节问题以及无功功率与励磁电流的关系，认为电网电压 U 不变。
- 在理想条件下并联合闸到电网上，合闸后电枢电流为零，此时励磁电流为空载正常励磁，发电机既不发有功也不发无功；
- 保持原动机输出不变使励磁电流调大，称为过励，If>If0、E0>U，由于电网电压不变，发电机必然发出一个滞后的无功电流，它产生去磁的电枢反应，向电网发出感性无功功率；
- 把励磁电流从正常励磁开始减少使 E0<U，称为欠励，发电机发出超前的无功电流，产生加磁的电枢反应，向电网发出容性无功功率。
第12页：负载运行时的无功功率调节
当发电机带上有功负载后，保持输出有功功率不变，即 Pe=m(U·E0/xt)·sinθ=常数，故 E0·sinθ=常数；同时 P2=mUI·cosφ=常数，故 I·cosφ=常数。于是 I 总是落在 AB 线上，E0 落在 CD 线上。
四种不同情况下的相量图
- 定子电流 I1 最小、cosφ=1，称为负载时的正常励磁，发电机只发出有功功率；
- 增加励磁使 E02>E01，称为过励，I2 落后 U，发电机除发有功功率外还向电网发出感性无功；
- 减小励磁使 E03<E01，称为欠励，I3 超前 U，发电机除向电网发有功功率外还发出容性无功；进一步减小励磁电流，E0 更加减小，θ 和超前的功率因数角 φ 继续增大使定子电流值更大，当 θ=90° 时发电机达到稳定运行的极限状态，再进一步减小励磁电流已不能稳定运行；
- θ=90° 时为不稳定区。
第13页：同步发电机的V形曲线
当原动机功率不变时，改变励磁引起无功电流的改变，随之定子总电流 I 也将改变。当 If 为正常励磁时，I 数值最小；无论过励还是欠励都使 I 数值增大。把 I=f(If) 关系曲线称为同步发电机的 V 形曲线。
V 形曲线的最低点对应于 cosφ=1，该点电枢电流最小、全为有功电流，励磁为正常励磁。cosφ=1 的右方发电机处于过励状态，功率因数滞后，向电网输出滞后的无功（感性无功）；cosφ=1 的左方发电机处于欠励状态，功率因数超前，向电网发出容性无功。再往左为不稳定区，发电机一般不宜在欠励状态下运行。
