淺析準(zhǔn)同期裝置工作原理

郭繼祖

引言：簡(jiǎn)要介紹了電網(wǎng)并列概念，討論了同步發(fā)電機(jī)安全并入電網(wǎng)所需的條件，并針對(duì)不同條件下的并網(wǎng)過(guò)程進(jìn)行了推導(dǎo)分析，為自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置的研制提供了理論依據(jù)。

在電力系統(tǒng)中，有許多電源點(diǎn)并列在一起運(yùn)行，每個(gè)發(fā)電機(jī)的相對(duì)角速度都在允許的極限值以內(nèi)同步運(yùn)行。電負(fù)荷的波動(dòng)或電力系統(tǒng)中存在各種故障或運(yùn)行方式的要求，部分電源或部分電網(wǎng)與主網(wǎng)解列后需要并入主網(wǎng)運(yùn)行，如果將同步發(fā)電機(jī)投入到電力系統(tǒng)參加同步并列運(yùn)行的操作不滿足并列條件，將產(chǎn)生極大的沖擊電流，會(huì)損壞系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)，引起系統(tǒng)電壓嚴(yán)重下降，甚至可能使電力系統(tǒng)發(fā)生振蕩，甚至系統(tǒng)解列。

一、準(zhǔn)同期并列的概念

準(zhǔn)同期并列

待并發(fā)電機(jī)組與同時(shí)刻的電網(wǎng)相序相同，電壓、頻率基本相同，電壓相角差接近于零條件下經(jīng)斷路器并聯(lián)運(yùn)行的操作。

并網(wǎng)合閘瞬間，系統(tǒng)電壓加在發(fā)電機(jī)定子上，由其產(chǎn)生的三相電流合成的以角速度Ws旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，將產(chǎn)生一個(gè)電磁轉(zhuǎn)矩強(qiáng)迫發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸系的磁軸與其方向一致，在巨大的電磁轉(zhuǎn)矩作用下，繞組線棒會(huì)變形松脫、出現(xiàn)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)或多點(diǎn)接地、聯(lián)軸器螺栓扭曲、主軸裂紋等現(xiàn)象。電力系統(tǒng)的電氣諧振頻率fe有時(shí)低于工頻許多，而發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子軸系也有個(gè)比工頻低得多的機(jī)械諧振頻率fm。當(dāng)電力系統(tǒng)以某時(shí)出現(xiàn) fe+fm=50HZ時(shí)，只要有小的擾動(dòng)，即將導(dǎo)致電氣系統(tǒng)與發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子軸系的次同步諧振。此時(shí)定子繞組的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子軸系扭矩不斷增長(zhǎng)，它們相互間的這種能量交換最終引起轉(zhuǎn)子軸系的嚴(yán)重?fù)p壞，還可能使主軸斷裂。發(fā)電廠自動(dòng)準(zhǔn)同期并列具有相當(dāng)重要的意義。

二、同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)

三相同步發(fā)電機(jī)是常用的交流發(fā)電機(jī)，但是單一臺(tái)三相同步發(fā)電機(jī)對(duì)電網(wǎng)供電不能保證供電質(zhì)量（電壓和頻率的穩(wěn)定性）和可靠性（發(fā)生故障就得停電） 且無(wú)法實(shí)現(xiàn)供電的靈活性和經(jīng)濟(jì)性。

為改善單機(jī)缺點(diǎn)，可將幾臺(tái)同步發(fā)電機(jī)或幾個(gè)發(fā)電站并成一個(gè)電網(wǎng)。現(xiàn)代發(fā)電廠中都是把幾臺(tái)同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)起來(lái)接在共同的匯流排上，一個(gè)地區(qū)總是有好幾個(gè)發(fā)電廠并聯(lián)起來(lái)組成一個(gè)強(qiáng)大的電力系統(tǒng)。

三、準(zhǔn)同期并列的條件

電力系統(tǒng)準(zhǔn)同期并列的理想條件就是斷路器兩側(cè)電壓的頻率、電壓幅值及相角三個(gè)狀態(tài)量全部相等，此時(shí)并列合閘的沖擊電流等于零，并列后兩個(gè)系統(tǒng)立即進(jìn)入同步運(yùn)行，不會(huì)產(chǎn)生任何擾動(dòng)現(xiàn)象。實(shí)際運(yùn)行中理想條件很難同時(shí)滿足，并列合閘瞬間，電壓高的一側(cè)向電壓低的一側(cè)輸送一定的無(wú)功功率，頻率高的一側(cè)則向頻率低的一側(cè)輸送一定的有功功率。而發(fā)電機(jī)本身可以承受短路和線路自動(dòng)重合的沖擊，所以在自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置中，頻率差、電壓差要求不必十分嚴(yán)格，但必須在規(guī)定范圍內(nèi)有相角差并網(wǎng)，且必須相序相同，故并列的條件：

（1）雙方應(yīng)有一致的相序；

（2）應(yīng)使待并發(fā)電機(jī)的頻率接近系統(tǒng)頻率。一般頻差不超過(guò)0.4Hz ；

（3）應(yīng)使待并發(fā)電機(jī)和系統(tǒng)電壓接近相等，一般電壓應(yīng)在10%以內(nèi)；

（4）應(yīng)使得在并網(wǎng)合閘時(shí)刻，待并發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)相角差趨于零。通常不宜超過(guò)10度；

四、同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行條件的分析

設(shè)同步發(fā)電機(jī)A相的瞬時(shí)電壓為： ，設(shè)電網(wǎng)A相的瞬時(shí)電壓為 。假設(shè)同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的相序一致，而同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的電壓有效值和頻率不同，那么同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間的瞬時(shí)電壓差應(yīng)該用下式表示：

這個(gè)瞬時(shí)電壓差稱為滑差，并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)沖擊電流大小就決定于此滑差。下面將討論相位差、頻率差和電壓差對(duì)滑差的影響。

（一）相位差對(duì)滑差影響的分析

現(xiàn)在假設(shè)同步發(fā)電機(jī)的電壓有效值與電網(wǎng)電壓有效值相等。則式（1）將變?yōu)椋?/p>

u表示滑差，其值越小，電網(wǎng)與發(fā)電機(jī)組成的回路內(nèi)產(chǎn)生的瞬時(shí)沖擊電流越小。從式（2）可以看出只要 ，那么滑差u=0。這只需 即可。

（二）頻率差對(duì)滑差影響的分析

還是假設(shè)同步發(fā)電機(jī)電壓的有效值與電網(wǎng)電壓的有效值相等。這可以分4種情況討論：（1）如果同步發(fā)電機(jī)A相的瞬時(shí)電壓的頻率 與電網(wǎng)A相瞬時(shí)電壓的頻率 不相等，則 ，并且同步發(fā)電機(jī)A相的瞬時(shí)電壓的初相位 與電網(wǎng)A相瞬時(shí)電壓的初相位 也不相等，那么分析的結(jié)果和相位差對(duì)滑差的影響的分析結(jié)果相同。（2）如果同步發(fā)電機(jī)A相的瞬時(shí)電壓的頻率 與電網(wǎng)A相瞬時(shí)電壓的頻率 相等，則 ，并且同步發(fā)電機(jī)A相的瞬時(shí)電壓的初相位 與電網(wǎng)A相瞬時(shí)電壓的初相位 也相等，那么根據(jù)式（2）可得滑差u=0。顯然這是最理想的情況。（3）如果同步發(fā)電機(jī)A相的瞬時(shí)電壓的頻率 與電網(wǎng)A相瞬時(shí)電壓的頻率 相等，則 ，并且同步發(fā)電機(jī)A相的瞬時(shí)電壓的初相位 與電網(wǎng)A相瞬時(shí)電壓的初相位 不相等，那么根據(jù)式（2）可得滑差 。而 越接近零，滑差越小，同步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)開(kāi)關(guān)閉合瞬間，產(chǎn)生的沖擊電流越小。（4）如果同步發(fā)電機(jī)A相的瞬時(shí)電壓的頻率 與電網(wǎng)A相瞬時(shí)電壓的頻率 不相等，則 ，并且同步發(fā)電機(jī)A相的瞬時(shí)電壓的初相位 與電網(wǎng)A相瞬時(shí)電壓的初相位 相等，那么根據(jù)式（2）可得滑差 。而 越接近零，滑差越小，同步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)開(kāi)關(guān)閉合瞬間，產(chǎn)生的沖擊電流越小。

（三）電壓差對(duì)滑差影響的分析

如果同步發(fā)電機(jī)的電壓的有效值與電網(wǎng)電壓的有效值不相等，從式（1）可以看出即使同步發(fā)電機(jī)A相的瞬時(shí)電壓的頻率 與電網(wǎng)A相瞬時(shí)電壓的頻率 相等，同步發(fā)電機(jī)A相的瞬時(shí)電壓的初相位 與電網(wǎng)A相瞬時(shí)電壓的初相位 也相等?；?。

通過(guò)上述分析，可得到這樣的結(jié)論：控制同步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)開(kāi)關(guān)在相位差過(guò)零點(diǎn)并網(wǎng)時(shí)沖擊電流的大小取決于此時(shí)電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)的電壓差，電壓差越大，沖擊電流越大，電壓差為零，則沒(méi)有沖擊電流。

利用計(jì)算機(jī)和準(zhǔn)同期條件設(shè)計(jì)自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置以便實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)自動(dòng)并網(wǎng)的智能控制。其裝置必須能夠自動(dòng)檢測(cè)電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)的電壓、頻率和相位差，促使準(zhǔn)同期條件得到滿足，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的準(zhǔn)確并網(wǎng)。由于發(fā)電機(jī)并網(wǎng)開(kāi)關(guān)閉合需要一定的時(shí)間，因此，自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置所要完成的主要任務(wù)是：控制發(fā)電機(jī)的電壓和頻率，使發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的電壓差和頻差被限制在一定的范圍內(nèi)。在相位差的周期性變化過(guò)程中，通過(guò)動(dòng)態(tài)測(cè)量其變化率，根據(jù)并網(wǎng)開(kāi)關(guān)閉合所需時(shí)間的大小，捕捉合閘脈沖的發(fā)出時(shí)機(jī)，從而控制斷路器在相位差過(guò)零點(diǎn)附近閉合。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：西北民族大學(xué)）