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第一章 水轮发电机的自动并列
1、简述同步发电机两种同期并列方式的操作步骤，并分析各自的特点和用途。 答：同步发电机具有准同期和自同期两种同期并列方式。其中：
准同期的操作步骤为
打开机组导叶到空载位置 发电机接近同步转速 发电机投入励磁 不满足
调节机组的电压和转速 判断发电机是否满足并列条件 满足
将机组投入系统并列运行 自同期的操作步骤为
打开机组导叶到空载位置 发电机接近同步转速 发电机断路器合闸 发电机投入励磁 机组并入系统运行 由于在准同期操作中满足了发电机与电力系统的频率、电压和相位相同的条件。发电机定子回路的电流将为零，对机组将不会产生电流或电磁力矩的冲击。因此，水电站在同期操作中，采用了以自动准同期作为机组正常时的并列方式。
但是，准同期存在着非同期并列操作可能，并使机组严重损坏。为了避免非同期并列，在准同期并列时，同期回路带有非同期闭锁。
另外，当电力系统发生故障而出现低频、低压时，将给准同期操作带来困难。 自同期具有如下特点：
? 不需调整电压、相位和精确调整转速，操作简单； ? 由于并列操作时未投励，消除了非同期并列的可能； ? 与准同期相比，大大缩短了并列的时间。
自同期并列为电力系统发生故障而出现低频、低压时，启动备用机组创造了很好的条件，对于防止事故扩大，迅速恢复系统起到重要作用。
由于发电机以自同期投入系统时，未励磁的发电机相当于异步电动机，因此自同期存在如下缺点：
? 出现短时间的电流冲击，并使系统电压下降；
? 冲击电流引起的电动力可能对定子绕组绝缘和定子绕组端部造成不良影响； ? 冲击电磁力矩将使机组大轴产生纽矩，并引起振动。
但是，冲击电流和冲击电磁力矩均比发电机出口三相短路时小，并且缩减快，通常不会对发电机造成损害，但冲击电流产生的电动力可能对定子绕组绝缘和端部造成累计性变形和损害。特别是自同期时发电机处于冷状态，造成的不良影响比热状态下的发电机出口三相短路更严重。因此，在事故时机组采用自动自同期并列。 2、简述准同期并列的条件，并说明可能造成非同期合闸的原因及其危害。 答：准同期并列的条件为：
? 发电机与电力系统的相序相同； ? 发电机与电力系统的频率相同； ? 发电机与电力系统的电压相同； ? 发电机与电力系统的相位相同。
可能造成非同期并列的原因为： ? 发电机的一次或二次接线不正确； ? 同期装臵工作不正确； ? 运行人员误操作。
非同期并列操作可能使机组严重损坏：
? 如果相位差为180°时非同期合闸，则发电机定子绕组的冲击电流将比发电机出口的三相短路电流大一倍；
? 如果电压或频率不相同，将对机组产生很大的电磁冲击力，甚至高达额定力矩的8-26倍。
3、已知滑差周期为Ts，试确定机组和系统的频率差?f。 解： ? ?f?fg?fsys??s1 ?2?TS式中 fg为待并发电机的频率；fsys系统的频率；?s为滑差角速度。
? ?f?1 TS4、设：待并发电机的电压为ug(t)?Ugsin(?gt??g)；
系统电压为usys(t)?Usyssin(?syst??sys)；
其频率差和相位差为0，电压差为?U?Usys?Ug?0.9Ug，试计算并列时的最大冲击电流Isu.max。
解：根据最大冲击电流的近似计算式Isu.max?1.92?U ''Xd''式中：Xd为待并发电机的纵轴次暂态电抗。
已知电压差为?U?Usys?Ug?0.9Ug，则有
Isu.max?1.92?0.9Ug''Xd?2.42?Ug''Xd
5、 设：待并发电机的电压为ug(t)?Ugsin?gt；
系统电压为usys(t)?Usyssin?syst；
简要说明如何根据脉动电压us(t)?ug(t)?usys(t)分析电压差?U?Ug?Usys和频率差?f?fg?fsys。 答：设待并发电机和系统电压的最大值为Um；
? us(t)?ug(t)?usys(t)?Umsin(?g??sys)t2(?g??sys)2cos(?g??sys)t2
脉动电压us(t)是一个电角速度为
(?g??sys)t2、幅值（包络线）为正弦规律
Umsin变化的交流电压。准同期并列时?g与?sys很接近，故脉动电压
频率仍接近于50Hz，在脉动电压中，其幅值的变化规律为
usm?2Umsin(?g??sys)t2?2Umsin?st2?2Umsin?2 （1）
式中 ： ?s??g??sys为滑差角速度；???st为ug(t)与usys(t)的相位差。
?从0?2?的时间TS称为滑差周期
TS?2??s （2）
由（1）式可知：
在ug(t)与usys(t)的幅值相等的条件下：???时，脉动电压的幅值达到最大值usm?2Um；??2k?（k?0,1,2?）时，脉动电压的幅值达到最小值usm?0。
如果ug(t)与usys(t)的幅值不相等，则脉动电压最小值为2ug?2usys。
?由（2）式可知：滑差周期TS与频率差?f?fg?fsys?s成反比，因此可用滑差2?周期TS的大小来判断待并发电机与系统的频率差，从而确定准同期并列的条件是否满足。
6、若采用8点采样的富氏算法计算一个周期函数f(t)的基波和二次谐波的幅值和相位，试写出相应的计算式。 解：根据离散富氏算法的计算式，f(t)的n次谐波分量的幅值和相位为：
22Fn?FRn?FIn； ?n?arctgFIn； FRn式中：FRn?2N2?2N2?fcosnkF?；；N 为一个周期中的采样数； ?k?fksinnkInNk?1NNk?1Nfk为f(t)第k个采样值；n为周期函数f(t)谐波次数。 已知N=8，当n?1时：
22F1?FR?F1I1； ?1?arctgFI1； FR118?18?式中：FR1??fkcosk；FI1??fksink；
4k?144k?14当n?2时：
F2?22FR2?FI2； ?2?arctgFI2； FR218?18?式中：FR2??fkcosk；FI2??fksink。
4k?124k?12第二章 水轮发电机励磁的自动调节
1、简述水电机组励磁控制的任务，以及对自动调节装臵的要求。 答：（1）自动调节励磁装臵（AVR）的任务：
? 维持发电机端电压水平并且合理分配各机组的无功负荷； ? 提高电力系统运行的稳定性和输电线路的传输能力； ? 提高带时限动作继电保护的灵敏度；
? 加速短路后的电压恢复过程和改善异步电动机的启动条件； ? 改善自同期或发电机失磁运行时电力系统的工作条件； ? 防止水轮发电机突然甩负荷时电压过度升高。 （2）对自动调节励磁装臵（AVR）的要求： ? 工作可靠
AVR装臵本身发生故障，可能迫使机组停机，甚至可能对电力系统造成严重影响。 ? 有足够的输出容量
AVR的容量既要满足正常运行时调节的要求，又要满足发生短路故障时强励的要求。
? 动作迅速
采用快速动作的AVR对改善系统的稳定性和提高输送能力具有重要意义。 ? 无失灵区
没有失灵区的AVR有助于提高系统的静态稳定性。 2、当一台同步发电机带孤立网运行时，试分析无功负荷电流的增加是造成发电机端电
压下降的主要原因。
解：当一台同步发电机带孤立网运行时，根据同步发电机的等值电路图可得：
Edcos??Ug?IrXd
式中：?为发电机定子绕组的感应电势Ed与发电机端电压Ug间的相位差；Ir为发电机的无功负载电流；Xd为发电机的纵轴同步电抗（且与发电机的横轴同步电抗相等）。
由于在正常时δ很小，cos??1，则有 Ed?Ug?IrXd
上式表明，无功电流是造成机端电压下降的主要原因，且机端电压与无功电流成反比。
3、简述强行励磁、强行减磁和自动灭磁的作用。 答：（1）强行励磁的作用
发生短路时，电力系统和水电站的电压可能大幅度降低。此时，为保证系统稳定运行和加快切除故障后的电压恢复，应使发电机的励磁电流迅速加大到顶值，既实行强行励磁。
（2）强行减磁的作用
当机组甩负荷时，由于机组转速的急剧上升，而引起发电机端电压的升高，此时为了保证发电机定子绝缘的安全，应立即减少发电机转子回路的励磁电流，即实行强行减磁。
（3）自动灭磁的作用
自动灭磁是在发电机内部或其出口短路时，切断励磁电流，并在很短的时间内使转子磁场中储存的大量能量迅速消释，而不至产生危及转子绝缘的过电压。 4、简要说明下图所示励磁系统的工作原理。
SCR 答：如果由于扰动使发电
Uf Uff 机机端电压Ug上升，励磁调节装臵通过PT测量发电机端电压Ug，并与给定电
G2 G1 GS Uz 压Ur比较后获得电压差PT Uc ?Ug?Ur?Ug将减少，经U tα 综合放大后得到控制信号K arccos 根据Uc?K?Ug也将减少；
Ur 控制信号和同步信号计算
励磁机G1励磁回路的可控硅导通角α增大，经可控硅整流后，励磁机的励磁电压Uf减少，从而改变了发电机的励磁电流，进而使发电机的电压下降，以减少电压差?Ug，从而抵消了发电机机端电压Ug上升的扰动，由此励磁反馈控制可以维持发电机机端电压Ug的恒定。使发电机运行在稳定状态。
反之，如果由于扰动使发电机机端电压Ug下降，则类似以上分析，可得到相同的结论。
4、可控硅励磁系统由那些基本单元所组成？其各自的作用又是什么？
答：可控硅励磁系统由测量比较单元、调差单元、移相触发单元和手动单元等基本单元所组成，其中：
测量比较单元：用于测量机端电压的变化，并将测量值与给定值进行比较：