电网是如何同步运行的

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,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,相距成千上万米,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,电源丢失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。(本文为刘虎原创,转载请保留作者信息)

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。

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