自動準同期并列裝置的研究

韓素賢 王愛

【摘要】同步發(fā)電機的并列過程如操作不當或誤操作，將產(chǎn)生極大的沖擊電流，破壞發(fā)電機，引起系統(tǒng)電壓波動，甚至導致系統(tǒng)振蕩，破壞系統(tǒng)穩(wěn)定運行。在功能比較完善的自動裝置操作下，能夠實現(xiàn)高度準確同期，對待并機組無沖擊損傷，對運行系統(tǒng)無影響。自動準同期并列裝置具備電壓差及頻率差等閉鎖功能，這樣能消除非同期并列的可能性，同時也能夠減輕操作人員的勞動強度。

【關鍵詞】同步發(fā)電機；準同期并列；并列操作

1、引言

并列操作是將同步發(fā)電機投入到電力系統(tǒng)運行的操作。在發(fā)電廠內，凡可以進行并列操作的斷路器都稱為同步點。通常每臺發(fā)電機的斷路器都是同步點，用以實現(xiàn)一臺發(fā)電機的并列操作；母線聯(lián)絡斷路器是同步點，作為同一母線上所有發(fā)電單元的后備同步點；三繞組變壓器的三側斷路器都是同步點，在任一側故障斷開或檢修后恢復時，可以減少并列過程中的倒閘操作，保證迅速可靠地恢復供電。母線分段斷路器一般不作為同步點。并列操作的基本要求有兩點，分別是（1）并列操作后，發(fā)電機應該能夠迅速地被拉入同步運行；（2）并列操作的瞬間，發(fā)電機的沖擊電流應滿足要求，不能超過規(guī)定的允許值。并列操作可以手動執(zhí)行也可以自動執(zhí)行。手動準同期裝置由運行操作人員手動調整發(fā)電機的電壓和頻率，并監(jiān)視頻率差、整步表及電壓差，靠經(jīng)驗來判斷合適的合閘時間，從而操作斷路器進行合閘。手動準同期裝置主要有以下三方面的問題：1）延誤并網(wǎng)時間；2）一般都是多臺機組共用一套手動準同期裝置，各機組的控制電纜多，接線復雜；3）存在重大的安全隱患。故現(xiàn)在多采用自動同期裝置來進行并列操作。

2、并列操作的方式

同步發(fā)電機并列操作的方式有自同期及準同期兩種。按自動化程度等級的不同，準同期并列方式分為自動準同期、半自動準同期及手動準同期三種，本論文主要介紹自動準同期裝置實現(xiàn)的自動準同步并列。

（1）準同期方式

準同期并列要求在合閘操作前通過調整待并發(fā)電機組的轉速及電壓，當滿足電壓頻率、相位及幅值后，由操作人員手動或由準同期裝置自動選擇合適時間發(fā)出合閘命令，這種合閘操作的沖擊電流一般非常小，并且機組投入電力系統(tǒng)后能夠被迅速地拉人同步運行。

采用準同期并列方式時，并列斷路器主觸頭閉合瞬間應滿足一下三個條件：1）運行系統(tǒng)與待并系統(tǒng)的電壓幅值應相等；2）運行系統(tǒng)與待并系統(tǒng)的頻率應相等；3）運行系統(tǒng)與待并系統(tǒng)的相位應相同。

實際上要求滿足上述三個條件既不可能也沒有必要。因此，根據(jù)允許沖擊電流的條件，規(guī)定了準同期并列允許的電壓、頻率和相角偏差范圍。

準同期并列的實際條件是：1）在斷路器合閘的瞬間，發(fā)電機的電壓和系統(tǒng)電壓的相位差應接近于零，誤差不能超過5°；2）發(fā)電機的電壓幅值和系統(tǒng)的電壓幅值近似相等，電壓幅值差應小于額定電壓的5%～10%；3）發(fā)電機電壓和系統(tǒng)電壓的頻率差應接近于零，頻率差應小于額定頻率的0.2%～0.5%。

準同期方式的優(yōu)缺點

1）準同期的優(yōu)點：合閘時發(fā)電機的沖擊電流接近于零，對電力系統(tǒng)幾乎沒有影響；

2）準同期的缺點：如果由于某種原因造成非同期合閘時，則沖擊電流非常大，甚至比機端三相短路電流還要大很多；并列的時間較長且操作復雜。

（2）自同期方式

自同期的操作過程：先啟動同步發(fā)電機組，當轉速接近于機組的額定轉速的時候，閉合斷路器，這時電力系統(tǒng)給同步發(fā)電機的定子繞組提供三相電流，從而形成旋轉磁場，然后勵磁系統(tǒng)再給發(fā)電機轉子繞組提供直流勵磁電流產(chǎn)生磁場，使同步發(fā)電機被拉入同步運行。在并列的過程中，同步發(fā)電機因有沖擊電流而受到一定程度的損傷是其主要的缺點。優(yōu)點是并列過程較迅速，特別是在電力系統(tǒng)中發(fā)生事故或系統(tǒng)頻率、電壓發(fā)生劇烈波動的時候，采用準同期裝置并列時間太長而且很困難，甚至不可能實現(xiàn)并列，但采用自同期方式就有可能迅速地實現(xiàn)并列操作。

自同期方式的優(yōu)缺點

1）自同期并列的優(yōu)點：并列時間較短且并列操作的方法較簡單，合閘過程的自動化也較簡單；尤其在事故狀態(tài)下，合閘迅速。2）自同期并列的缺點：在合閘瞬間系統(tǒng)的電壓會降低；有沖擊電流并且會對系統(tǒng)造成影響。

3、自動準同期并列裝置的研究

自動準同期裝置主要由頻率差控制單元、電壓壓差控制單元、合閘信號控制單元和電源部分組成。

3.1頻率差的檢測與控制

頻差控制單元的任務是自動檢測發(fā)電機電壓與系統(tǒng)電壓間的滑差角頻率，且自動調節(jié)發(fā)電機轉速，使發(fā)電機的頻率接近于系統(tǒng)頻率。

（1）頻率差的檢測與控制

調頻部分的主要功能是判斷頻差方向，判斷發(fā)電機電壓的頻率是低于還是高于系統(tǒng)側電壓的頻率，從而發(fā)出增速或減速的調速脈沖，調整發(fā)電機電壓的頻率，使頻差滿足要求。

其次，當發(fā)電機電壓和系統(tǒng)電壓間頻率差很小的時候（小于0.05赫茲），將會出現(xiàn)同步不同相的情況，延長并列合閘的過程。此時，調頻部分應能夠自動發(fā)增速脈沖，來加速合閘。

為實現(xiàn)上述要求，調頻部分有以下兩個組成部分：

A、頻率差方問鑒別部分。判斷發(fā)電機電壓頻率與系統(tǒng)電壓頻率差值的方向，從而控制發(fā)出增速還是減速脈沖；

B、調頻脈沖的形成部分。在0°-180°的調速脈沖命令.當頻率差在0.05赫茲以下時，發(fā)出增速脈沖命令。

1）頻率差的檢測

頻率差檢測是在越前時間信號發(fā)出之前應完成的任務，用于作出頻率是否符合并列條件的判斷。

由于線性整步電壓反映了發(fā)電機電壓與系統(tǒng)電壓間相角差的關系，它的微分正好代表了相角差的變化率，也就是滑差角頻率。

在待并發(fā)電機的頻率和電網(wǎng)頻率都穩(wěn)定的條件下，頻率差為某一定律，對應的滑差角頻率也為一定值，它的微分波形為矩形波，其幅值正比于滑差角頻率，將它與設定的允許頻差下某電壓值進行比較，如果幅值小于設定電壓，表示滑差角頻率小于設定的允許值。反之，如果幅值大于設定值，則表示滑差角頻率大于允許值。

2）頻率差控制

頻率差制單元的功能是調整待并發(fā)電機的頻率，使得其與電網(wǎng)頻率相接近，將頻率差控制在允許的范圍之內，以促成并列的實現(xiàn)。當待并發(fā)電機的頻率高于電網(wǎng)頻率的時候，要求發(fā)電機減速，發(fā)減速脈沖。反之，應該發(fā)增速脈沖。根據(jù)上述要求，頻率差控制單元可由頻率差方向測量環(huán)節(jié)和頻率調制執(zhí)行環(huán)節(jié)兩部分組成。前者判別發(fā)電機電壓與系統(tǒng)電壓間頻率的高低，作為發(fā)升速脈沖或減速沖或減速沖的依據(jù)。后者按照比例調節(jié)的要求，調整發(fā)電機組的轉速。

3.2電壓差的檢測與控制

電壓差控制單元的任務是自動檢測發(fā)電機電壓與系統(tǒng)電壓間的差值，能夠自動地來調節(jié)發(fā)電機電壓，使它和系統(tǒng)電壓間的差值滿足要求，促使并列條件的形成。其原理與頻率差的檢測與控制類似。

3.3合閘信號控制單元

合閘信號控制單元的功能是檢查并列的條件，當待并機組的電壓及頻率均符合并列條件的時候，選擇適當?shù)臅r間發(fā)合閘信號，使并列斷路器的主觸頭接通的時候，相位差等于零或在允許的范圍之內。在準同期并列的過程中，合閘信號控制單元的控制原則是當電壓及頻率均符合并列條件的時候，在發(fā)電機電壓和系統(tǒng)電壓要重合前發(fā)合閘信號。兩電壓相量重合之前的信號叫做提前量信號。按提前量的不同，準同期并列裝置分為恒定越前相角并列和恒定越前時間并列兩種。（1）恒定越前相角并列。恒定越前相角并列是指發(fā)電機電壓矢量和系統(tǒng)電壓矢量重合之前的某一恒定相角發(fā)出合閘脈沖并列方式。（2）恒定越前時間準同期并列。恒定越前相角并列是指發(fā)電機電壓矢量和系統(tǒng)電壓矢量重合之前的某一恒定時間發(fā)出合閘脈沖并列方式。這一恒定時間用來表示，在不同頻差情況下，只要保證這一恒定時間和斷路器的動作時間相等，在發(fā)出合閘脈沖均可合閘于零點，可見恒定越前時間并列與頻差無關，顯而易見這種并列方式要比恒定前相角并列優(yōu)越。因此實際裝置均采用恒定越前時間并列裝置。

3.4電源部分

裝置直流電源有三種+55v、+40、+12V。

4 結束語

同步發(fā)電機的并列過程如操作不當或誤操作，將產(chǎn)生極大的沖擊電流，破壞發(fā)電機，引起系統(tǒng)電壓波動，甚至導致系統(tǒng)振蕩，破壞系統(tǒng)穩(wěn)定運行。采用自動并列裝置進行并列操作，不僅能減輕運行人員的勞動強度，也能提高系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性。具體意義如下所述：

1）加快并列的過程，在事故后或者系統(tǒng)負荷增長后急需投入備用機組時，意義更為明顯；2）在功能比較完善的自動裝置操作下，能夠實現(xiàn)高度準確同期，對待并機組沒有沖擊損傷，對運行系統(tǒng)沒有影響；3）自動準同期裝置具有電壓差及頻率差等閉鎖功能，消除了非同期并列的可能性。4）減輕了操作人員的勞動強度。

參考文獻

[1]錢武，李生明.電力系統(tǒng)自動裝置[M].北京：中國水利水電出版社，2004，8.

[2]許正亞.電力系統(tǒng)自動裝置[M].北京：中國水利出版社，1997.

[3]劉錫藍.水電站自動裝置[M].北京：中國水利水電出版社，1998.

作者簡介

韓素賢（1982—），女，內蒙古化德人，研究生，畢業(yè)于內蒙古科技大學，講師，主要從事風能發(fā)電設備制造與維修專業(yè)和電力系統(tǒng)自動化專業(yè)的教學與研究工作。