不同發電機產生的電力是如何同步的,以便能夠合併起來為同一電網供電?

這個答案來自位於俄亥俄州哥倫布市的美國電力公司(American Electric Power Co.)的Richard P. Schulz和Navin B. Bhatt。美國電力公司是一家投資者所有的公用事業公司。

同步發電機之間的相位差與電磁場直接相關,傳統的交流電系統利用電磁場來產生、傳輸和分配電能。一個簡單的類比可以說明這一點:

想象一下兩塊靜止的強力條形磁鐵,它們透過磁力耦合,分別位於一塊薄玻璃的兩側。如果磁鐵和玻璃之間沒有摩擦力,磁鐵會因為彼此都貢獻並連線到對方的磁場而對齊。它們會排列成使其共同磁場的路徑最小;換句話說,它們的對齊將最大限度地減少磁場中的失真和能量。

如果在一塊磁鐵在玻璃上移動且沒有摩擦力,另一塊磁鐵會跟隨並再次對齊自身。如果一塊磁鐵被固定住,而另一塊磁鐵被移動,那麼一塊磁鐵上的力將完全是另一塊磁鐵上力的映象。移動或固定磁鐵所需的能量(取決於所需的力和涉及的距離)會增加磁場能量。因此,如果一塊磁鐵繞垂直於玻璃的軸線扭轉,那麼所涉及的力將是扭矩,而位移將是角度。


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發電廠中的發電機也依賴於相同的原理。流經發電機軸上線圈(稱為勵磁繞組)的直流電產生部分磁場。另一部分磁場由流經發電機固定部分(稱為電樞繞組)上線圈的電流產生。這兩個線圈的構造使得,當發電機不轉動時,一個線圈中的電流產生的磁場軸向穿過另一個線圈。

來自勵磁繞組的磁場隨發電機轉子一起轉動。當勵磁繞組以一定速度旋轉時,其磁場掃過(靜止的)電樞繞組,從而在電樞上感應出電壓。如果發電機“開路”——意味著沒有連線到電樞繞組——那麼感應電壓將出現在發電機的端子上。

定子中的三相交流電也會產生一個磁場,該磁場以對應於電流頻率的速度繞發電機的軸線旋轉。在正常情況下,當發電機連線到輸電網路時,這些電流貢獻的磁場與勵磁繞組產生的磁場同步旋轉。當發電機軸不旋轉時,兩個磁場將完全對齊——類似於無摩擦玻璃上的兩塊條形磁鐵的情況。但是,隨著功率的施加,軸及其磁場會超前於合成磁場。因此,軸及其勵磁繞組“拉動”磁通量和電樞中的感應電壓。

北美電力分配

圖片來源:美國電力公司

這種“拉動”作用使轉子超前於電樞電流約 40 到 75 度。這種相位超前很像一塊條形磁鐵轉動玻璃另一側的另一塊磁鐵時發生的情況。能量就是透過這種方式從軸及其磁場傳遞到電樞並進入輸電系統的。

來自發電機的電力透過變壓器和輸電線路輸送到使用者。由於大型變壓器和高壓輸電線路的設計目的是為了產生極低的損耗,因此它們對流經它們的電流具有低電阻。流經輸電線路和變壓器的功率電流會線上路中的導線和變壓器繞組周圍產生磁場。這些磁場會對電流的流動產生阻抗。

在高壓輸電線路(大約超過 100 千伏的線路)中,這種感性阻抗至少比電阻的影響大 10 倍,更有可能大 20 倍。流經輸電線路和變壓器的感性阻抗的功率電流會導致相位延遲。也就是說,接收端電壓滯後於傳送端電壓。

在輸電線路和變壓器中,功率傳輸從根本上與電壓從一端到另一端的相移有關。開關站——發電機、變壓器、線路和使用者連線到電力系統的地方——包括稱為“母線”的大型導電結構。在這裡進行電壓和電壓相角等測量。為了使電力在網路或電網上流動,每個母線都必須與其他母線有一定的相位差。這類似於在天氣系統中,空氣要從一個位置流到另一個位置,兩個位置之間必須存在壓力差這一事實。

北美有四個大型電力網路以同步輸電系統執行,頻率為每秒 60 週期。其中三個同步網路(如圖)是許多公用事業公司的網際網路絡;第四個網路,魁北克,僅連線到魁北克水電公司。阿拉斯加、夏威夷、墨西哥、波多黎各和其他地方也存在其他較小的網路。

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