1、第二章 同步发电机的自动并列,3.1.1,主要内容,第一节 概 述,一 并列操作的意义 一台发电机组在未投入系统运行之前，它的电压 与并列母线电压 的状态量往往不等，须对待并发电机组进行适当的调节，使之符合并列条件, 并将断路器DL合闸作并网运行的一系列操作称为并列操作。,并列分为发电机并列和系统并列两种。发电机并列是将发电机与系统连接的断路器闭合使发电机投入电力系统运行的操作。系统并列是将连接两个系统联络线上的断路器闭合使两个分开的系统并联运行的操作。,断路器合闸时，冲击电流应尽可能小、其瞬时最大值一般不超过l一2倍的额定电流。 发电机组并入电网后，应能迅速进入同步运行状态其暂态过程要短，以
2、减小对电力系统的扰动。,2 同步发电机组并列时应遵循的原则：,运行母线电压的三个状态量,0=t+,冲击电流是指并列断路器合闸时通过断路器主触头的电流。一般冲击电流幅值较高而持续时间较短。发电机并列时冲击电流会在定子绕组中产生电动力,其值与冲击电流的平方成正比。冲击电流太大时，过大的电动力可能造成定子绕组损坏，如造成定子绕组端部开断等。还可能造成电力系统中其它设备损坏或电力系统振荡。如果并列时冲击电流超过允许值或不能被拉入同步，就会对机组的安全造成危害。当机组容量与系统容量相比足够大时还会对系统产生扰动，造成系统振荡。,准同期并列时先将待并列双方的电压加到并列断路器主触头两侧，然后调整两侧电压，
3、使电压幅值、频率和相角分别相等时闭合断路器主触头，使并列双方并联在一起运行。准同期并列用于发电机并入电力系统，也用于将两个分开的电力系统并联在一起运行。,自同期准同期,3 并列方法,二、准同期并列,发电机G电压系统电压两者的电压差称为滑差电压,发电机准同期并列条件的分析,发电机并列的理想条件：,并列断路器两侧电源电压的三个状态量全部相等。即断路器两侧电压的幅值相等、频率相同、相角一致,断路器两端的电压差s等于零。,理想条件：如果调节（1）待并发电机和系统相序相同；（2）待并发电机和系统频率相同；（3）待并发电机电压和并列点的系统侧电压幅值相等；（4）待并发电机电压和并列点的系统侧电压相位角相等
4、；此时闭合断路器主触头时冲击电流为零,且并列之后双方会立即同步运行。这就是同期并列的理想条件。,用数学式表达，即fG=fX ,或G=X , fS=fG-fX0 ，S=G-X0UG=UX , U=UG-UX=0;G=X , =G-X=0. G和X是发电机电压和系统电压的相角。,此时，合闸冲击电流为零，并列后发电机可以立即与电网同步运行，不会出现扰动现象。实际上，待并发电机组调节系统很难实现理想条件；在实际的操作中也没有这样的苛求。只要合闸冲击电流小，不危及电气设备，合闸后机组迅速进入同步运行，对电网影响小，不致于引起任何不良后果即可。,1.电压差,2.频率差,3.相角差,并列的实际条件：,工程上
5、=35,发电机并列时偏离理想条件所引起的后果,(一) 电压幅值差,冲击电流的有效值:冲击电流最大瞬时值:,ch滞后电压差90,也滞后G90所以,在只存在电压差的情况下并列机组会产生无功冲击电流。,发电机并列时偏离理想条件所引起的后果,后果:冲击电流过大会引起发电机定子绕组发热而产生电动力使端部受到损坏.所以其最大瞬时值应限制在12倍以下.为了保证机组的安全，我国规定电压差并列冲击电流不允许超过机端短路电流的1/201/10。据此，得到同期并列的一个条件：电压差US不能超过额定电压的510。现在的一些大型发电机组规定电压差不超过1%,一些巨型发电机组更规定在0.1以下，即要求尽量避免无功冲击电流
6、。,（二） 合闸相角差,由于并列时e一般都很小, ch与G基本上同相位,所以在只有相角差情况下并列时的冲击电流主要是有功分量。,发电机并列时偏离理想条件所引起的后果,合闸相角差后果:说明并列后发电机与系统之间立刻交换有功功率,意味着发电机突然得到制动或加速转矩,将使机组联轴受到突然的应力冲击,使发电机大轴产生抖动或机械损伤.所以将有功冲击电流限制在最小值。如果即存在电压幅值差，又存在相角差，这时US所产生的冲击电流要综合分析。,发电机并列时偏离理想条件所引起的后果,North China Electric Power University,16/54,2018/6/8,在有相角差的情况下合闸后
7、，发电机与电网间立刻进行有功功率的交换，使得发电机组的联轴受到冲击，这对于发电机组和电网均产生不利影响，为了保证机组安全，一般将有功冲击电流限制在较小的范围内。,例如：一般规定，汽轮发电机组不允许因相角差产生的冲击电流值为发电机空载时突然发生机端短路的冲击电流值的1/10,可以得到最大允许并列误差角：,（三）合闸频率差对并列的影响,分析条件是：UG=UX、=0、fGfX设待并发电机组并网之前机械角速度为G，系统等值机组的机械角速度为X，且待并发电机和系统等值发电机的极对数相等。这样，机组并网之前转子(包括发电机转子和原动机转子)中储存的动能式中 J发电机组的转动惯量。,3.1.2,机组并网之后
8、，如果被拉入同步运行，机组转子中储存的动能由于GX，所以机组并网前后，转子中储存的动能不相等，两者之差即，在机组并入电网被拉入同步的过程中，将把转子中储存的动能的一部分(W)送到电力系统中。由于机组有转动惯量，上述能量交换过程将伴随着机组转速摇摆(振荡)进行。,频率不相等,us可看成是幅值为Usm，频率接近工频的交流电压波形。,=st=0,由于G与X不等,两电压相量间的相角差：,由此可见，Us为正弦脉动波，又称脉动电压，最大幅值为2UG或2UX,设 ，电压的幅值相等。,脉动电压幅值,滑差角频率脉动周期,频差 fS： fS fG-fX 滑差 s:电角速度之差称为滑差角速度，简称滑差。,脉动电压的
9、周期TS 、滑差频率 fS、和滑差角频率s都可用来表示待并列发电机的频率与电网频率之间相差的程度。相角差是时间的函数，所以并列时合闸相角差与发出合闸信号的时间有关，如果发出合闸信号的时间不当，就有可能在相角差较大时合闸，引起较大的冲击电流。 如果发出合闸信号的时间t恰当，就有可能在相角差为0时合闸，使冲击电流为0。如果频率差较大，即使合闸时相角差e很小，满足要求，这时待并发电机需经历一段时间的加速或者减速过程，才能实现同步。加速或减速力矩会对机组造成冲击，严重时甚至会导致失步,这也是不允许的。我国在发电厂进行人工手动并列操作时，一般限制滑差周期在10S16S之间。,两电压相量间的相角差：,并列
10、的同步过程,ab, GX , 减速b点, G=Xb a o, GX , 减速o c, GX)，设发电机断路器主触头闭合的瞬间发电机运行在A点:=0、P=0、s=sA 机组在A点并入系统之后,由于EX,机组在转子惯性作用下不能稳定在A点,转子将以大于X的速度旋转,s0s,=st0发电机状态,导致P转子受的电磁阻力增加Gs至B点时,s=0,G=X,但此时发电机要向系统输出PB,P,PB,S,SA,A,B,0,180,机组并列时被拉入同步的过程,s=E-X,因调速器不动作, PB是转子中储存动能转化来的。 在B点, 机组输出功率大于原动机输入功率,机组转动惯量的作用,机组将继续减速.P发电机转子的电
11、磁阻力矩减小s向负方向增加。至C点时。=0、P=0，机组输入输出有功功率平衡了，但s=C180 的区域,从系统吸取有功功率而加速,于是机组就失去了稳定。失步一般s较小,上述很少出现。,P,PB,P0,S,PD,S2,SA,A,B,C,D,E,0,C,180,0,机组并列时被拉入同步的过程,s=E-X,自同期并列操作:是将一台未加励磁电流的发电机组升速到接近于电网频率，滑差角频率不超过允许值，且机组的加速度小于某一给定值的条件下，首先合上并列断路器QF，接着立刻合上励磁开关KE，给转子加上励磁电流，在发电机电动势逐渐增长的过程中，由电力系统将并列的发电机组拉入同步运行。,三、自同期并列,开机前将
12、DL和灭磁开关KMC断开，KMC的常闭辅助接点KMC将发电机转子绕组通过自同期电阻RZ短路。开启机组,将机组驱动到接近额定转速(转速差一般控制在额定转速的5以下)时自动闭合DL,由DL的辅助接点联动将KMC闭合、KMC断开,给发电机转子绕组加励磁电流。这样,发电机组将在电势增加、冲击电流减小的过程中被拉入同步。,准同期并列：严格按照发电机理想并列条件进行并列。优点：冲击电流小，对电网扰动小，确点：需要调节励磁，并网慢。,周期分量,2.自同期并列：需要计算自同期的冲击电流取决于系统，即Ux和Xx。Ux与冲击电流成正比。,发电机的并列方法,1.优点：控制操作非常简单，不加励磁，不需要选择合闸时刻。
13、在电力系统发生事故、频率波动较大的情况下，应用自同期并列可以迅速把备用机组投入电网运行。因此，曾作为系统事故的重要措施之一。2.缺点：对电力系统扰动大，不仅会引起电力系统频率振荡，而且会在自同期并列的机组附近造成电压瞬时下降。发电机母线电压瞬时下降对其它用电设备的正常工作将产生影响，自同期并列方法也受到限制，很少采用。3.适用：只有在电力系统事故、频率降低时需要迅速投入水轮发电机组时使用。自同期并列不能用于两个系统之间的并列，也不用于汽轮发电机组。适用于小型机组。,第二节 准同期并列的基本原理,并列断路器主触头闭合瞬间所出现的冲击电流以及进入同步运行的暂态过程，决定于合闸时的脉动电压US和滑差
14、角频率s。故准同期并列主要是对脉动电压US和滑差角频率s进行检测和控制，并选择合适的时间发出合闸信号，使合闸瞬间的脉动电压US在允许值范围内。而检测的信息取自QF两侧，主要是检测US并提取信息。因此要分析脉动电压变化规律。,3.2.1,一、脉动电压,(G与X不等),us可看成是幅值为Usm，频率接近工频的交流电压波形。,并列时s很小,上式中正弦项变化很缓慢,它是频率为s/2的波形振幅包络线,即脉动电压的幅值，用Us表示，为正弦波形，最大幅值为2Ux,而余弦项说明了us变化的频率，其频率为,因此当幅值相等时脉动电压的波形整流后为,此时可求得US的值为：,1电压幅值差 2频率差3合闸相角差随时间变
15、化的规律,考虑到断路器操作机构和合闸回路控制电器的固有动作时间，必须在两电压相量重合之前发出合间信号。,在脉动电压波形US中载有的准同期并列所需检测的信息,(3)利用脉动电压检测准同期并列条件,利用脉动电压可以为自动并列装置提供鉴别并列条件的信息和选择合适的合闸信号发出时间。,如何检测三个条件？,1.电压幅值差条件当UmG=UmX时,在=0(或2时),US=0(即U=0);当UmGUmX时,在=0(或2时),US0,但值最小,因此最小值就是两电压的差值,即USmin=|Ugm-Um|检测:在=0时,通过对USmin的测量,就可以判别电压幅值差是否超出允许值。,Ts1,Ts2,s1,s2,Us,
16、Ts1,Ts2,s1,s2,Us,Ugm+Um,|Ugm-Um|,t,t,为了限制并网合闸时的冲击电流，设定电压幅值差限制，作为并列条件之一。,2.频率差条件,就是对s=g-x进行检测：即要求ssy而=st= 2fs t =(2/Ts )t，即Ts与s成反比，可见,若要求s小于某一允许值,则要求Ts大于某一给定值。例如：s允许值sy规定为0.2%，即s sy= 0.2%2fe= 0.2则Ts 2/ 0.2=10s因此通过检测Ts的大小,就可判别频率差条件是否满足要求。,测量Ts的值可以检测出发电机组与电网之间滑差角频率的大小，即频率差的大小。,3.相位条件,最理想的合闸瞬间是在 与 两相量重合
17、的瞬间.=st= (G-x)t=Gt-xt=G-x)t=g-若并列断路器主触头能于两电压相位差角=0的时刻闭合，则说明满足相位条件。合闸接触器动作及断路器操动机构动作完成合闸需一定时间，约0.20.6s，因此合闸脉冲应在=0之前发出，取一提前量：,3.合闸相角差的控制,若在=0之前某一恒定角度YJ发出合闸信号,则该同期装置称为恒定越前相角型同期装置,YJ称为恒定越前相角。若在=0之前某一恒定时间tYJ发出合闸信号,则该同期装置称为恒定越前时间型准同期装置,tYJ称为恒定越前时间。实际是两种装置。,提前量,恒定越前相角,恒定越前时间,在两相量重合之前恒定角度 YJ 发出合闸信号,在两相量重合之前
18、恒定时间tYJ发出合闸信号,广泛应用,合闸回路具有固定动作时间,少用,合闸回路没有固定动作时间,最理想的合闸瞬间是在 与 两相量重合的瞬间。,二、自动准同期并列装置,(1) 检测电压间的滑差角频率, 且调节发电机的转速, 使发电机的频率接近于系统频率。,(2) 检测电压值差, 且调节发电机的电压, 使两电压的差值小于规定允许值。,(3)检查并列条件, 条件满足时发出合闸信号。使并列断路器的主触头接通时，相角差为零。,有三个控制单元,电源,升速,减速,升压,降压,并列断路器,合闸,频率差控制单元,电压差控制单元,合闸信号控制单元,来自厂用电,QF,TVx,TVG,半自动准同期装置电压及频率的调整
19、手动完成，检查频差、压差和送出合闸脉冲由装置自动完成。全自动准同期装置电压及频率的调整、检查频差、压差和送出合闸脉冲均由装置自动完成。优点：准同期条件能被装置自动监视、限制在允许偏差范围内，最大限度地杜绝了发生误并列的可能性无需操作人员有丰富的经验可大大加快并列的过程，事故时能快速投入备用机组。,2.分类 1)按自动化程度分,模拟式自动准同期装置装置由模拟电子线路构成，装置内信号为模拟量，目前系统中还在使用的ZZQ型自动准同期装置属于模拟式的。ZZQ-5为全自动的，均按恒定越前时间原理实现合闸控制。数字式自动准同期装置即微机型。都是全自动的，与模拟式比较有：优点：可靠性高，没误动可能性，精度高
20、，可跟踪同期，且合闸命令发出后，还可校核合闸相角，以确定命令是继续或中止，确保完成并网操作时小于给定偏差值。速度快，能使同期并列操作并入全厂的集散控制系统（DCS）中，成为全厂DCS中一个智能子系统，是同期装置更好的与调频调压系统协调工作。还有操作简单调度方便。,2)按装置中信号处理方式分,三、准同期并列合闸信号的控制逻辑,恒定越前相角准同期恒定越前时间准同期,根据提前量的不同, YJ,（一）恒定越前相角准同期并列 提前量信号取的是某一恒定相角 。 断路器的合闸时间为 。同期装置动作时间为,最佳滑差角频率,过零后合闸过零时合闸过零前合闸,YJ,YJ,YJ,（二）恒定越前时间准同期 提前量信号取
21、恒定时间,UA YJ(YJ=sts) ts,YJ1,YJ2,YJ3,st,Ts2,s1,s2= sy.o,Us,t,s1大,s2,Us,t,tYJ,UA,UA YJ(YJ=sts) ts,s3小,s3,tYJ,tYJ,YJ,ts1,ts2,ts3,=0,=0,=0,最佳滑差角频率,UA YJ(YJ=sts) ts当s较大时，对应的ts较小。当且仅当s=s2=sy.o时，YJ对应的ts2=tYJ时，做到合闸无冲击；（恒定越前相角）当取tYJ=tQF时，无论s多大（允许范围），理论上均无冲击。（恒定越前时间）所以恒定越前时间型准同期装置得到广泛应用。,理论上可以实现合闸相角差为零，完全无冲击，但是
22、动作时间存在误差，设 为允许合闸相角。,恒定越前时间自动准同期并列时断路器的合闸控制,断路器合闸是由恒定越前时间自动准同期装置的合闸控制单元和断路器合闸控制电路共同完成的。图1是恒定越前时间自动准同期装置输入电压及其相位关系示意图, 滑差角频率s=G-X,如果令xa不动,则ga则以速度s 绕Ub转动:s0时逆时针转动; s,North China Electric Power University,93/54,2018/6/8,并列合闸控制 恒定越前时间,是,发出合闸信号,否,是,否,计算最佳的合闸越前相角,1）频率差检测是在恒定越前时间之前完成的检测任务，用来判别是否符合并列条件。相角差轨迹
23、e(t)中含有滑差角频率si的信息可以利用，如式(2-24):,方法1相角差轨迹中含有滑差角频率si的信息：,（二）频率差检测,si的值可以每一工频周期（约20ms）计算一次。由si在已知时段（t）间的变化还可求得 si 的一阶导数 ，这一阶导数说明待并机组的转速尚未稳定，还在升速或减速之中，如其值过大，并网后进入同步运行的暂态过程较长甚至失步，因此宜作为并列条件之一加以限制。这对于水轮机要求快速并网的操作而言，应设置 限制，来防止过急操作,方法2可采用电压频率测量法：直接测量两并列电源电压频率，求取频率差值以及频率高、低的信息：数字电路测量频率的方法是测量交流信号的周期T，如图把交流电压的信
24、号转换为方波，经二分频后，半波时间即为交流电压的周期T。正半周的高电平作为开始计数的控制信号，下降沿停止计数并作为中断申请信号，由CPU读取计数值N,并使计数器复位，为下个周期计数做好准备。可编程定时/计数器的计时脉冲频率为fc，则交流电压的周期T和频率为,3.相位角比较,线性整步电压的特性：与某一相角差相对应的整步电压是一定值。,首先选定一个角度,令 =syth=sytYJ sy允许滑差角频率,是自动准同期装置的整定值,由式 算出: t=tYJ-th=tYJ-tc-tDL=tZD-tDL th断路器合闸时间,对选定的断路器及其合闸回路，th是已知的; tYJ恒定越前时间tYJ=th。对于确定
25、的发电机及其断路器,是一确定已知值。,G,X,s,然后,检测发电机电压G以滑差角频率s相对系统电压X转动时走过角度所用的时间:走过所用的时间长,则s小;时间短,则s大.将此用数学式表述,有 st=sytYJ = s实际滑差角频率；t以速度s走过角度实际所用的时间。,根据上式有 如果tA=tYJ，则s=sy；如果tAtYJ，则ssy。就将检测发电机电压和系统电压之间滑差角频率s大于、小于或等于整定值sy的问题,变成了比较走过给定角度所用时间t小于、大于或等于恒定越前时间tYJ的问题了。,G,X,s,频差检测示意图,首先要做一个角度发生器,产生角度。因为这个角度越前=0，所以也称产生角度的电路为“
26、恒定越前相角”电路。然后再比较G走过所用时间t和tyq的大小,就可以知道s是否小于整定值sy了。,电平检测器翻转电平,电平检测器,三角波整步电压,输出,usLK,tK,- 0 2,(t),(t),usL,因此恒定越前相角频差检测原理：实际是两电平检测器比较来完成的，利用比较恒定越前时间电路和恒定越前相角电路的动作次序来实现滑差检测。,K恒定， t 与s成反比。,令允许最大滑差角频率为sy，并使K = sy tYJ,tYJ恒定，YJ与s成正比。,比较越前时间信号与恒定越前相角信号间的相位关系，即它们间先、后顺序关系，就可作出频率差是否符合并列条件的判断。,ttYJ，s2sy。,tYJ,tYJ,UR2,U tYJ,t,t,
