人才科普电网同步运行原理(一)
 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。
