開關(guān)變壓器技術(shù)在水輪發(fā)電機(jī)自同期并列上網(wǎng)的運(yùn)用

張慶春

摘 ?要：發(fā)電機(jī)在使用過程中存在準(zhǔn)同期并列與同期并列兩種形式，不同的形式存在不同的優(yōu)缺點(diǎn)，在使用過程中自同期并列的優(yōu)勢(shì)較大，本文提出基于變壓器技術(shù)的水輪發(fā)電機(jī)自同期并列上網(wǎng)的方法，可以減少并列同期產(chǎn)生的沖擊電流，增加電網(wǎng)穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：開關(guān)變壓器;水輪發(fā)電機(jī);同期并列上網(wǎng)

引言

在發(fā)電機(jī)的研究中，有兩種并列方式：準(zhǔn)同期并列以及自同期并列。

1）準(zhǔn)同期并列

準(zhǔn)同期并列指的是對(duì)待并入電網(wǎng)的發(fā)電機(jī)進(jìn)行電壓以及頻率的調(diào)節(jié)，當(dāng)調(diào)整后的電壓以及頻率與系統(tǒng)需求相等的時(shí)候，將其并入電網(wǎng)系統(tǒng)。準(zhǔn)同期并列指的是一種理想情況下的并列方式，其中發(fā)電機(jī)的輸出電流逐漸變?yōu)?，不會(huì)產(chǎn)生電流以及電磁力矩等沖擊，是準(zhǔn)同期并列運(yùn)行過程中最大的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際操作過程中，由于需要調(diào)節(jié)的參數(shù)比較多，很難達(dá)到各種參數(shù)滿足條件的情況。在手動(dòng)控制過程中更是難以達(dá)到這種情況，這就導(dǎo)致電流和電磁力矩沖擊會(huì)對(duì)電流產(chǎn)生影響，當(dāng)在一定范圍內(nèi)的沖擊，能夠通過自動(dòng)準(zhǔn)同期的方式達(dá)到較好的效果。在準(zhǔn)備同期并列的時(shí)必須防止產(chǎn)生非同期并列的情況，否則會(huì)損壞發(fā)電機(jī)。在并列的時(shí)候，發(fā)電機(jī)和系統(tǒng)電壓之間存在較大的差異，會(huì)對(duì)其產(chǎn)生較強(qiáng)的沖擊，并會(huì)產(chǎn)生較大的電位差。在電位差中相位差沖擊較多，會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生較大的影響。更嚴(yán)重的情況是發(fā)電機(jī)和系統(tǒng)電位差之間的相位差為180°， 在這種情況下，發(fā)電機(jī)的沖擊電流將是出口電流的兩倍，產(chǎn)生巨大的電轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩，在發(fā)電機(jī)受到這些力的作用下，會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)遭受嚴(yán)重破壞。結(jié)合非同期情況下的發(fā)電機(jī)定子破壞以及短路情況進(jìn)行分析，得到準(zhǔn)同期并列的要求測(cè)試量較多，測(cè)試過程復(fù)雜，在二次接線的時(shí)候要求較高，在不同時(shí)期的維修需要進(jìn)行復(fù)檢。準(zhǔn)同期并列對(duì)于系統(tǒng)發(fā)生事故的時(shí)候緊急投入備用防止發(fā)生系統(tǒng)崩潰和事故擴(kuò)大，快速恢復(fù)系統(tǒng)的正常工作。

2）自同期并列

自同期并列通過將未勵(lì)磁情況下且轉(zhuǎn)速接近同步的發(fā)電機(jī)投入系統(tǒng)，在這種情況下可以短時(shí)間內(nèi)被自動(dòng)拉入同步，自同期情況下對(duì)于發(fā)電機(jī)無勵(lì)磁的情況下投入系統(tǒng)，在機(jī)械力矩以及異步力矩等共同作用下，從根本上大大降低了非同期并列的機(jī)率，但是在調(diào)試過程中，操作比較簡(jiǎn)單，對(duì)于準(zhǔn)同期并列需要調(diào)節(jié)電壓以及頻率問題，自同期并列只需要調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速問題。由于調(diào)節(jié)方法簡(jiǎn)單，通過采用自同期發(fā)電機(jī)的方法花費(fèi)的時(shí)間在30s左右，這是現(xiàn)階段使用自同期的一種常用方法。自同期并列的時(shí)候，發(fā)電機(jī)相當(dāng)于異步電動(dòng)機(jī)，伴隨著短時(shí)間的電流沖擊，使系統(tǒng)的電壓下降，沖擊電流引起的電動(dòng)力對(duì)于定子組絕緣和定子繞組端產(chǎn)生不良的影響，沖擊電磁力矩將使機(jī)組大軸等產(chǎn)生振動(dòng)。這些影響對(duì)于發(fā)電機(jī)的出口影響較小，發(fā)電機(jī)能夠承受其中不同方向的受力。但是長(zhǎng)期操作，依然會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)造成隱含的損傷并且影響發(fā)電機(jī)的使用壽命?，F(xiàn)階段，通常將自同期并列作為事故狀態(tài)下的應(yīng)急啟動(dòng)并列，正常情況下則使用自動(dòng)準(zhǔn)同期并列。

1 發(fā)生非同期并列的可能性及其防止

在電機(jī)制造過程中，由于電機(jī)制造的年代不同，因此準(zhǔn)同期并列的方法也分為自動(dòng)、半自動(dòng)以及手動(dòng)三種方法。當(dāng)自動(dòng)裝置在自動(dòng)同期的時(shí)候安裝正常，自動(dòng)準(zhǔn)同期不會(huì)產(chǎn)生非同期的事故。其他的方法則會(huì)難免發(fā)生并列事故。一般發(fā)生較大事故是由于維修后的二次結(jié)尾發(fā)生問題等，并且在連接后未發(fā)生測(cè)試。造成電機(jī)并網(wǎng)的時(shí)候發(fā)生180°的相位差，對(duì)電動(dòng)機(jī)以及其他的原件造成重大損傷。當(dāng)電機(jī)接反之后，通過會(huì)產(chǎn)生并列的電路造成短路情況，當(dāng)電壓較大的時(shí)候還會(huì)發(fā)生火災(zāi)情況。

2 開關(guān)變壓器技術(shù)用于自同期并列技術(shù)方案

有上述可知，兩種常用的并列方法存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)。同方便使用方面為主要選擇方案，選擇自同期并列的優(yōu)點(diǎn)較多。其中電流沖擊問題是兩種方法都存在的共同問題，只是隨著自動(dòng)準(zhǔn)同期技術(shù)的逐漸發(fā)展，使沖擊的電流下降較小，導(dǎo)致多數(shù)情況下選擇自動(dòng)準(zhǔn)同期操作。

通過對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到如下圖1所示的開關(guān)變壓式自同期并網(wǎng)連接示意圖：

采用開關(guān)變壓器（TK）技術(shù)的自動(dòng)同步并聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，控制裝置收到啟動(dòng)指令后，調(diào)整汽輪機(jī)調(diào)速器，使電動(dòng)發(fā)電機(jī)（DF）加速。當(dāng)控制裝置檢測(cè)到某一速度時(shí)，發(fā)出K3、K2的合閘指令。此時(shí)，開關(guān)變壓器式軟啟動(dòng)器（TK）連接在電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)（DF）之間（通過升壓變壓器）。由于此時(shí)可控硅尚未導(dǎo)通，開關(guān)變壓器式軟啟動(dòng)器（TK）連接在電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)（DF）之間（通過升壓變壓器），因此TK只流過較少的電流比其空載電流小，不會(huì)對(duì)DF和電網(wǎng)產(chǎn)生影響。之后，控制裝置逐漸調(diào)整可控硅的導(dǎo)通角，使電流逐漸增大，直至達(dá)到設(shè)定值。在該設(shè)定值下，進(jìn)行恒流控制。當(dāng)電動(dòng)發(fā)電機(jī)DF轉(zhuǎn)速達(dá)到同步轉(zhuǎn)速的98%左右時(shí)，K1接通、勵(lì)磁、斷開K2 K3電動(dòng)發(fā)電機(jī)DF繼續(xù)加速直至同步。當(dāng)TK在電力運(yùn)行中也用作軟啟動(dòng)應(yīng)用時(shí)，只需在K2上并聯(lián)一個(gè)斷路器，并在接線中進(jìn)行換向，以保證DF反向運(yùn)行。當(dāng)開關(guān)變壓器接入電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)，且晶閘管未導(dǎo)通時(shí)，晶閘管會(huì)導(dǎo)通幾秒?？刂蒲b置會(huì)檢測(cè)兩端電壓（發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)的剩磁會(huì)產(chǎn)生一定的電壓），看是否有錯(cuò)相。如果出現(xiàn)錯(cuò)相，晶閘管將停止導(dǎo)通并報(bào)警，以防止發(fā)生非同步并聯(lián)事故。

3 結(jié)論

開關(guān)變壓器技術(shù)可用于任何規(guī)模的發(fā)電機(jī)自同步并聯(lián)，但考慮其組成成本較大，因此應(yīng)在實(shí)際應(yīng)用中權(quán)衡成本和運(yùn)行效果。 但是如果將該技術(shù)同時(shí)應(yīng)用于抽水蓄能電站發(fā)電機(jī)軟啟動(dòng)和自同步并聯(lián)運(yùn)行，則具有最佳的性價(jià)比，事半功倍。

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