电力系统自动化____第三王葵孙莹编发电机的自动并列

1、第一章 发电机的自动并列概述1 电力系统是一个物理系统，遵循各种基本的物理定律。 功率平衡 Pgen = Ploss + Pload V = I*R 电磁相互转换的交流系统2理解电力系统o正 常 运 行 时 ， 为 了 维 持 电 力 系 统 频 率 、 电 压 在 允 许 的 范 围 内 ， 运 行 中 要 根 据 负 荷 波 动 必 要 时 投 入 或 切 除 发 电 机 ；o在 检 修 完 ， 要 将 机 组 重 新 投 入 ；o故 障 情 况 下 ， 为 了 保 护 发 电 机 ， 或 为 了 保 持 主 系 统 的 稳 定 ， 需 要 切 除 发 电 机 ， 并 在 合 适 时 候

2、将 其 重 新 投 入 运 行 ； 有 时 需 要 将 备 用 发 电 机 迅 速 投 入 运 行 。o针 对 上 述 情 况 ， 都 需 要 在 必 要 时 将 发 电 机 重 新 投 入 电 网 。 可 见 ， 在 电 力 系 统 运 行 中 ， 并 列 操 作 是 较 为 频 繁 的 。3为什么需要并列为什么需要并列o 电气量表示o 电力系统运行中，理想情况下，任一母线电压瞬时值可表示为：o 发电机同步运行同步运行基本原理式中电压幅值电压幅值电压的角频率电压的角频率初相角初相角sin()muUtmU4 把一台待投入系统的空载发电机经过必要的调节，在满足并列运行的条件下经开关操作与系统并列

3、，这样的操作过程称为并列操作。并列的概念5并 列 瞬 间 ， 发 电 机 的 冲 击 电 流 不 应 超 过 规 定 的 允 许 值 ；并 列 后 ， 发 电 机 应 能 迅 速 进 入 同 步 运 行 。并 列 不 当 后 果 ：产 生 极 大 冲 击 电 流 ， 损 坏 发 电 机 ， 引 起 系 统 电 压 波 动 , 甚 至 导 致 系 统 振 荡 ， 破 坏 系 统 稳 定 运 行 。自 动 并 列 控 制 作 用减 轻 运 行 人 员 的 劳 动 强 度 ， 提 高 系 统 运 行 可 靠 性 和 稳 定 性 。并列基本要求6 在发电厂内、凡可以进行并列操作的断路器，都称之为电厂的

4、同步点。通常发电机的出口断路器都是同步点，发电机-变压器组用高压侧断路器作为同步点，双绕组变压器用低压侧断路器作为同步点、母联断路器、旁路断路器都应设为同步点。 同步点的设置要考虑系统、发电厂、变电所在各种运行方式下操作的灵活方便，也应具体考虑并列操作过程中调节的可行性。同步点78 准同期并列 先给待并发电机加励磁，使发电机建立起电压，调整发电机的电压和频率，在接近同步条件时，合上并列断路器，将发电机并人电网。若整个过程是人工完成的称手动准同步并列；若是自动进行的称自动准同步并列。 准同步并列的优点是并列时产生的冲击电流较小，不会使系统电压降低，并列后容易拉入同步，因而在系统中广泛使用。并列操

5、作分类 9GfUTV10 自同期并列 待并发电机先不加励磁，当其转速接近同步转速时，投入电力系统，在并列断路器合闸后，立即给转子加励磁，由系统将发电机拉入同步。 自同步的优点是并列速度快，但这种并列方法并列时产生的冲击电流较大;同时发电机要从系统中吸收无功，会引起系统电压短时下降，目前已较少采用。下面着重讨论准同步并列。 Cont11GfUTV12 并列断路器主触头闭合瞬间，脉动电压为零： (1)发电机电压幅值与系统电压幅值相等； (2)发电机频率与系统频率相等； (3)发电机电压与系统电压间相角差为零。准同步并列理想条件1314GXUGUBADL图1-1（a）电路示意图XUGUGXGEXXX

6、ESU图1-1 （c）等值电路图 并列时冲击电流小，不会引起系统电压降低；但并列操作过程中需要对发电机电压、频率进行调整，并列时间较长且操作复杂。 由于准同期并列冲击电流小，不会引起系统电压降低，所以适用于正常情况下发电机的并列，是发电机的主要并列方式，但因为并列时间较长且操作复杂，故不适于紧急情况的发电机并列。15准同期并列特点及适用场合 由于DL两侧电压的状态量不等，DL主触头间具有电压差 ，其值可由图（c）的电压相量求得。16准同期并列分析计算GXUGUBADL图1-1（a）电路示意图XUGUGXGEXXXESU图1-1 （c）等值电路图17XUGUGXGEXXXESUXUGUXGXX

7、0SSUU戴维南等效变换戴维南等效变换18发电机侧电压相关参量：GUG 发电机电压角频率；GUxxx 电网电压初相角；UGUx电网侧电压相关参量：xGsUUU相量差，又称脉动电压xGUU xG 频率差xG 相角差19（一）电压幅值差UGUx 设发电机并列时的电压相量如图1-2（a）所示，即并列时：发电机频率 等于电网频率 ；相角差 等于零；电压幅值不等， 。则冲击电流最大瞬时值为:efGfXUUXG图 准同期条件分析IhGUxU0)(eaSU式中1.8 2()2Gim chdXUUxk iXX2.55SdXUXXXdmax 冲击电流主要为无功电流分量。 冲击电流的电动力对发电机绕组产生影响，由

8、于定子绕组端部的机械强度最弱，所以须特别注意对它所造成的危害。 由于并列操作为正常运行操作，冲击电流最大瞬时值限制在12倍额定电流以下为宜。为了保证机组的安全，我国曾规定压差冲击并列电流不允许超过机端短路电流的1/20到1/10。 准同期并列的一个实际条件为：压差不能超过额定电压的510。20几点说明（二）合闸相角差21设并列合闸时，断路器两侧电压相量满足下列条件：合闸瞬间存在相角差；频率相等；电压幅值相等；,) 3(,)2(,) 1 (XGXGXGffUUXUGUIhsU0)(eb图 准同期条件分析22 这时发电机为空载情况，电动势即为端电压，并且与电网电压相等，冲击电流的最大瞬时值为：e.

9、max2.552sin2XhqXUXXi式中 系统电压有效值； 发电机交轴次暂态电抗。XUXq 当相角差较小时，这种冲击电流主要为有功电流分量； 合闸后发电机与电网间立刻交换有功功率，使机组联轴受到突然冲击，这对机组和电网运行都是不利的； 为了保证机组安全运行，一般将有功冲击电流限制在较小数值。几点说明23（三）频率不相等24eGUxU0s0sSSSfT12两者间的电角频率之差称为滑差角频率，滑差角频率，简称滑差滑差，用 表示：S两者频率之差称为频差，频差，用 表示: SfXGSfffXGS滑差、滑差频率、滑差周期的简单归纳25SfS(3)滑差周期 为滑差频率的倒数；因此滑差周期可以反映频率差

10、，即滑差周期大则频率差小、滑差周期小则频率差大。ST26（1）滑差 或滑差周期 都可以表示待并发电机与系统之间频率差的大小。Tss（2）在有滑差的情况下，将机组投入电网，需要经过一段加速的过程，才能使机组与系统在频率上“同步”。加速或减速力矩会对机组造成冲击。显然，滑差越大，并列时的冲击就越大，因而应该严格限制并列时的允许滑差。（3）我国在发电厂进行正常人工手动并列操作时，一般取滑差周期在1016s之间。 （1）发电机的电压超前电网电压，发电机发出有功功率，则发电机将制动而减速； （2）发电机的电压落后电网电压，发电机吸收有功功率，则发电机将加速； （3）所以交换功率的方向与相角差的正负有关发

11、电机与电网的功率交换对机组运动趋势的影响2728并列的同步过程分析OceosObPsoaseb加速过程减速过程.0mP 为发电机电势和系统母线的电压相角差第一章 发电机的自动并列准同期并列29第一章 发电机的自动并列准同期并列3031ReviewCont32ihmax.XUxUdG)(28 . 1XUdS55. 22sin255. 2emax.XUqXhi电压差的幅值和相角影响冲击电流；频差影响同步的动态过程。一、脉动电压33)(2xtG1jxUxsUGUe)(1Gt)(a)(2xtG1jxUxsUGUe)(1Gt)(a)(2xtG1jxUxsUGUe)(1Gt)(a)(2xtG1jxUxsU

12、GUe)(1Gt)(a21sinsintUtUuxxGGs两电压幅值相等34当两侧电压幅值相等而频率不等时，脉动电压瞬时值为：21sinsintUtUuxxGGs021ttUuxGxGGs2cos2sin2tUUxGGs2sin2cos2GxsstuU35 由（1-9）式可知 波形可以看成是幅值为 、频率接近于工频的交流电压波形。usUs又 ，为滑差角频率。两电压相量间的相角xGstse2sin2sSGtUU2sin2eGU2sin2exU36图1-5 脉动电压（b）波形图2ttusoo)(bUsuxuGusTS37两电压幅值不相等tUUUUUsGxGxscos222UUUxGs当 时， 为两

13、电压幅值和。StUUUxGs两电压幅值不等时电压波形如图1-7所示。当两侧电压幅值不等时，脉动电压瞬时值为：0St38o图1-7 UG=UX时 US的波形UStTS1TS21S2SoUUxGt图1-8 UG与UX不等时US的波形USTS2TS1oUUxG1S2S 幅值差 频率差 相角差控制39并列条件的检测oUUxGt图1-8 UG与UX不等时US的波形USTS2TS1oUUxG1S2S40s0.22100sef2 . 0TS2SsT 所以 的脉动周期 大于10s才满足 小于0.2的要求。这就是说测量 的值可以检测待并发电机组与电网间的滑差角频率 的大小，即频率差的大小。USTSssTS10s

14、Example：41二、自动准同期装置控制单元频率差控制单元电压差控制单元合闸信号增速减速降压合闸升压电源来自厂用电DLGUTVTVaGxUbcab并列断路器图1-8 自动准同期并列装置组成 频差控制单元 检测频差方向，完成发电机频率趋于系统频率的调整。 电压控制单元 检测压差方向，完成发电机电压趋于系统电压的调整。 合闸信号控制单元 进行频差检查、压差检查、形成导前时间脉冲，当待并机组的频率和电压都满足并列条件时，通过合闸逻辑发出合闸脉冲。 电源单元 为装置提供工作电源。42自动准同期装置组成单元 自动准同期并列装置 设置了频率控制单元、电压控制单元和合闸信号控制单元。 半自动准同期并列装置

15、 没有频差调节和电压调节功能，只有合闸信号控制单元。43同步发电机准同期并列装置分类44增速减速降压升压控制单元合闸信号合闸DLGUTVTVaGxUbcab并列断路器电源来自厂用电半自动准同期并列装置示意图45三、准同期并列合闸信号控制提前量信号形成合闸信号提前量信号频率差允许电压差允许门与图1-9 准同期并列合闸信号控制逻辑结构图46越前时间oYJteYJcQFtttQFtct 自动准同期装置动作时间； 并列断路器合闸时间；47恒定越前时间的理解（1）含义越前时间越前时间 相对于 提前的时间。0e（2）为什么需要恒定越前时间同期装置有动作时间，即程序发出命令到继电器动作完成的时间；断路器有合

16、闸时间，即断路器接收到合闸命令到接通一次系统（理想应对应 ）的时间。因此，合闸命令的发出应有提前量，即越前时间。考虑到两者的时间是确定的，所以越前时间也应是恒定的，即恒定越前时间。0e恒定越前时间恒定越前时间 相对于 提前的时间，此时间一经整定则不随压差和频差变化。0e越前越前 相对于发电机电压与系统电压之间相角差 提前。0e（3）恒定越前时间的决定因素YJcQFttt允许滑差角频率48图1-10 恒定越前时间示意图o1St1YJ2YJ3YJtQF321SSSUS2S3StQFtQF 合闸命令发出时的越前相角为 。 es YJt越前相角和滑差的关系49最大允许滑差可由下式求得eysyCQFtt

17、 （1-11）自动并列装置、断路器的动作时间都有一个小的波动范围，实际动作时间与额定动作时间的差称作动作时间误差动作时间误差。tCtQF断路器动作时间误差。0,eymax0,t0,sy50 决定于发电机的最大冲击电流值 :ihmax.eyeysy.max2arcsin()2 2.55hqeyXXiradUe.max2.552sin2XhqUiX（1-5） 某发电机采用自动准同期并列方式与系统进行并列，系统的参数已归算到以发电机额定容量的标么值。一次系统的参数为：发电机交轴次暂态电抗 X”q为0.125；断路器合闸时间 tDL0.5s，它的最大可能误差时间为20；自动并列装置最大误差时间为0.0

18、5s；待并发电机允许的冲击电流值为:?试计算允许合闸误差角 、允许滑差角频率 ，与相应的脉动电压周期。51Question.max2GehiIeysy 允许合闸相角差（直接套用公式1-12） 3.7852Answer0.066ey2arcsin0.0332 1 0.1252arcsin2 2.55 1.05 .max2arcsin()2 2.55hqeyXXiradU 允许滑差角频率o 断路器合闸动作误差时间o自动并列装置的误差时间o 所以，o如果滑差角频率采用标么值表示，则53sy)( 1 . 02 . 05 . 0stDL)(05. 0stc0.0660.44(/)0.15syrads2*

19、0.440.14 102250sysyef 脉动电压周期 Ts542214.28( )0.44ssysT第一章 发电机的自动并列恒定越前时间并列装置5556自动准同期并列装置三大模块基本工作原理和硬件概况1. 合闸控制单元；2. 频差控制单元；3. 压差控制单元；整步电压整步电压合闸脉冲产生合闸脉冲产生频差检查频差检查压差检查压差检查频差方向鉴别频差方向鉴别压差方向鉴别压差方向鉴别频差控制脉冲频差控制脉冲压差控制脉冲压差控制脉冲一、合闸控制单元57主要完成同步条件的检查，在合适时刻发出合闸脉冲。脉动电压含有同期合闸所需要的所有信息，但不易于直接用于同步信号的测量。oUUxGt图1-8 UG与U

20、X不等时US的波形USTS2TS1oUUxG1S2S整步电压58 含有同步条件信息的电压。整步电压与同步条件具有某种关系，可用来检查发电机并列时是否满足同步条件。 线性整步电压：整步电压幅值与相角差之间是分段线性关系；正弦整步电压正弦整步电压线性整步电压线性整步电压59表达式slU0slmUe1-11 e图线性整步电压与 的关系示意图eeslmsleeslmslUUUU0)(0)(60整步电压的产生图1-12 全波线性整步电压eGuxuGuxuGuxuooooyusLusLmUttttta bcd e2oo 整步电压含有频差信息。o整步电压的周期就是滑差周期，可用于检测频差的大小；由于线性整步

21、电压的最大值一定，所以其斜率与频差成正比。 整步电压含有相位差信息。o整步电压与随时间变化的任一时刻相位差有对应关系。61特点 恒定越前时间生成电路由比例微分和电平检测电路构成。62合闸脉冲产生（恒定越前时间的获得）图1-13 恒定越前时间部分SLU1RC2R电平检测器恒定越前时间信号63 c2RUSLU1R2RCSLU1R2RCSLU1R2RC2RU2RU a b图1-14 利用叠加原理求UR2示意图tURRRURRRUSSLmSLR2122122CRRRRtURRRRdtdUCRRRRIUSSLmSLCR 212121212211264SLmRRURRRUU21222 SLmSSLmYJS

22、SLmURRRCRRRRUtURRR2122121212)(111CRtSYJS01CRtSYJSCRtYJ1650SLU2 利用线性整步电压检查滑差的方法有两种。（1）利用比较恒定越前时间电平检测器和恒定越前相角电平检测器的动作顺序来实现滑差检测。 恒定越前相角：继电器动作的时刻对应的相角差为定值。66滑差检测6768如果将图中 按允许滑差下恒定越前时间 的相应角差值 进行整定，则有如下关系，为slkUYJtYJASYJSYtt当 时SYSYJAttSYSYJAttSYSYJAtt即：YJSSYAtt690UciYjt2slkuAtslu02.只有当 ，即恒定越前相角电平检测器先于恒定越前时

23、间电平检测器动作时，才说明这里的滑差小于允许滑差，从而作出频率差符合并列条件的判断。AYJtt（2）利用线性整步电压的导数与另一电压比较来实现。 原理：由于线性整步电压的导数的波形为矩形波，其幅值大小正比于 ，因此，可以用它与一个整定电压相比较来鉴别 的大小。70SS71sluslku+EC-+(a)SCuCiRit0slus合格s不合格t0SCu(b)t0sldudtslku 由于线性整步电压不载有并列点两侧电压幅值的信息，所以它就无法作为电压差的检测。电压差检测可直接用机组电压和系统电压的幅值进行比较。72电压差检测+ +- -XUGU+ +- -WR1R2R3R4RxmUGMU+-+1B

24、2BAB73合闸信号控制逻辑StYJUsLKUUUUU1Y2YUSZ非门与门与门双稳记忆动作图1-17 合闸控制逻辑框图合闸74二、频差控制单元频差控制单元的任务：将待并发电机的频率调整到接近于电网频率，使频率差趋向并列条件允许的范围，以促成并列的实现。 频差方向检测频差方向检测频差调整执行频差调整执行机组电压矩形波下降沿先到；机组落后，滑差为负，则加速。发减速脉冲；发增速脉冲； 根据UG和UX高电平变低电平的关系来判断。75越前鉴别图1-20 频差控制波形图GUXUSLUttttt050增速减速 区间鉴别只在 时发一个宽度恒定的脉冲使与门开放一段时间.76区间鉴别50eGXUU、方波SLU5

25、Y6Y50e越前鉴别区间鉴别减速增速增速脉冲减速脉冲与门与门图1-19 频差控制框图 比例调节 在每一个滑差周期内发一次宽度恒定的增速或减速脉冲。 特点 在频差大时，使均频脉冲较为频繁，在单位时间内的对频率的改变量较大，以迅速弥补频率的差； 而在频差小时，使均频脉冲的次数较少，在单位时间内的对频率的改变量较少，从而避免过调。v所以，比例调节方式可以使均频过程迅速而平稳地进行。 77 电压差控制单元的任务是在并列操作过程中，自动调节待并发电机的电压，使电压差条件符合并列的要求。 它的构成框图与频率控制相似，由电压差方向测量环节和脉冲展宽电路组成。78三、压差控制单元 数字 CPU、集成度高 易存储 离散信号 精度受采样元件采样率影响 模拟 集成度低 难以存储 连续信号79数字 VS 模拟80Review概 念并列操作，准同步并列，自同步并列滑差，滑差频率，滑差周期恒定导前时间恒定导前时间式自动准同期装置准同期条件分析发电机并列操作应遵循的原则理想准同期条件不满足理想准同步