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。

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，相距成千上万里，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，如果大量电源丢失（至少几百万千瓦）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。

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。