同步发电机自动并列装置

本课程主要介绍以下几个装置（1）备用电源和备用设备自动投入（2）自动重合闸（3）同步发电机的自动并列（4）自动按频率减负荷（5）同步发电机的继电强励（6）发电机自动调节励磁装置（7）发电机自动调频同步发电机自动并列装置问题讨论1、新建电厂如何将发出的电送到系统？2、两个系统如何联网运行？3、手动操作是否安全？自动操作怎么进行？4、同步发电机自动并列的方法和条件？

同步发电机自动并列装置一、电力系统并列操作1、并列操作含义将同步电机投入电力系统并列运行的操作称为并列操作或称同期操作，进行并列操作所需要的装置称为同期装置。2、对同步发电机并列操作的基本要求（1）并列瞬间，发电机的冲击电流不应超过规定的允许值。（2）并列后，发电机应能迅速进入同步运行。3、同步发电机并列操作的方法（1）并列方法1）准同步方法：当发电机的频率、电压、相位分别与并列点处的频率、电压、相位接近时将发电机断路器合闸，完成并列操作。特点：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，在电力系统中广泛采用。2）自同步方法：将未加励磁接近同步速的发电机投入系统并同时给发电机加上励磁，在原动力矩、同步力矩的作用下拖入同步。特点：并列速度快，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，会引起系统电压下降。（2）并列操作方法（以准同步为例）1）手动操作：电压、频率调整、合闸均手动；2）自动操作：电压、频率调整、合闸均自动；3）半自动操作：电压、频率调整手动、合闸自动。4、同步点：凡两侧有电源可进行并列操作的断路器为同步点。如下图所示。2、准同步并列条件（1）准同步并列的理想条件

同步发电机准同期并列时，即触头闭合瞬间必须满足以下三个条件：

1)发电机电压和系统电压相等。

2)发电机频率和系统频率相等。

3)发电机电压和系统电压相角应相同。

（2）准同步并列的实际条件：

1）压差限制在（5~10）%额定电压；

2）频差整定在（0.1~0.25)HZ、或0.2~0.5%fe；

3）合闸后相角差接近0°（一般不应超过5°）4、同步条件检查1）整步电压包含同步条件信息量的电压。分为正弦整步电压（图2-5c)和线性整步电压(图2-6）（全波和半波）。线性整步电压又分为全波和半波线性整步电压。

整步电压｛正弦整步电压线性整步电压滑差电压：并列断路器两侧瞬时值之差称为滑差电压。用us表示。

us=uG-usysUs经过图2-5（b）整流滤波便得到正弦整步电压uzb。

正弦整步电压（一）正弦整步电压正弦整步电压的特点：（1）通过测量uzb的最小值可以判断电压差是否满足要求。（2）δ=0°，整步电压出现最小值；δ=180°，整步电压出现最大值，正弦整步电压反映相角差大小。（3）由于uzb与t是非线性关系，在性能上不如线性整步电压。即:(1)正弦整步电压的最小值判断压差的大小(2)正弦整步电压的频率或周期判断频差的大小(3)正弦整步电压的大小反映相角的大小（二）线性整步电压＆半波线性整步电压框图Us经过图2-7便得到半波线性整步电压uzb。

半波线性整步电压的特点：见P102、全波线性整步电压：（同极性有输出）Us经过图2-9便得到全波线性整步电压uzb。全波线性整步电压比半波整步电压具有更好的线性工作特性，其他则与半波整步电压类似。全波线性整步电压的特点：全波线性整步电压上升部分的斜率：全波线性整步电压下降部分的斜率：（1）全波线性整步电压的斜率：反映频差的大小（2）全波线性整步电压的最大值对应

δ=0˚（或360˚）（3）全波线性整步电压的最小值对应

δ=180˚2）合闸脉冲命令的发出及导前时间脉冲的产生1、恒定越前一时间发出；约为0.1～0.7s2、恒定越前一相角发出；见P.7和P.11。线性整步电压通过比例-微分电路及电平检测获得。（1）线性整步电压（最大值对应）通过图2-11比例-微分电路及电平检测获得。（2）线性整步电压（最大值对应δ=0°

）通过图2-12比例-微分电路及电平检测获得。。小结1、同步发电机并列的方法2、准同步并列的要求3、准同步并列的实际条件4、整步电压（1）正弦整步电压的特点（2）全波线性整步电压的特点5、导前时间脉冲的获得方法思考题P412-1、2-2、2-3、2-4、2-5、2-72.3.3频差大小的检测（一）比较导前时间脉冲和导前相角脉冲出现的先后次序检查频差大小1、导前相角脉冲的形成导前δ=0的固定相角δad的脉冲为恒定相角脉冲，uδ.ad导前相角脉冲的形成：2、工作原理：通过比较恒定导前时间脉冲与恒定导前相角脉冲出现的先后秩序，达到检测频差的目的。2.4频差方向的鉴别2.4.1利用发电机方波电压和系统方波电压鉴别频差方向频差大小检查的区间在180º<δ<360º频差方向检查的区间在0º<δ<180º（一）利用[uG]和[usys]的后沿与[ug]和[usys]的g高低电位的对应关系检出频差1、频差方向鉴别的区间：2、频差方向鉴别的工作原理：在区间通过比较[uG]和[usys]的后沿与[ug]和[usys]的高低电位的对应关系检出频差方向。（1）当[usys]后沿对应[uG]的高电位，或[uG]的后沿对应[usys]的低电位则发电机的频率小于系统频率(fg<fsys)。（2）当[usys]后沿对应[uG]的低电位，或[uG]的后沿对应[usys]的高电位则发电机的频率大于系统(fg>fsys)。2.4.2直接比较usys和uG周期的长短检测频差方向2.5压差大小和方向的鉴别2.5.1压差大小的鉴别：作用：检查压差的大小。2.5.2压差方向的鉴别：作用：在压差不满足要求的情况下，检定发电机的电压是否比系统高，如发电机的电压比系统高，发减励磁脉冲；反之发增加励磁的脉冲。小结1、导前相角脉冲的获得方法；2、导前时间脉冲获得方法；3、频差大小检测的原理及检测区间；4、频差方向检测的原理及检测区间；思考题：2-9作业：2-11、2-13、2-16三、准同步并列装置的基本构成原理

根据准同期并列的条件可见，任何自动准同期装置都应完成两个基本任务：

一是自动检测待并发电机与系统间电压幅值差和频率差是否满足并列条件，若满足条件则自动控制发出合闸脉冲，保证合闸相角差在允许范围之内。

二是当电压幅值差和频率差不满足要求时，闭锁合闸控制回路，并迅速对待并发电机发出调节电压和频率的控制脉冲信号。

为完成基本任务，自动准同期并列装置一般由四个单元构成：整步电压信号发生器单元，电压差控制单元，频率差控制单元以及合闸相角差控制单元。如下图所示。

31)整步电压信号发生器单元

其任务是为并列条件的分析、判断和控制提供检测信息。（整步电压：包含有并列条件信息，便于准同期并列分析用的信号电压）2)电压差控制单元

其功能是检查发电机电压与系统侧电压的幅值差，若超出允许偏差时，闭锁合闸脉冲输出，判别压差方向，调节待并发电机励磁控制系统的给定值，升压或降压，使发电机和系统电压的幅值差在允许范围之内。

3)频率差控制单元

其功能是检测滑差角频率(两个电压相量相对旋转角速度),，若超出允许偏差时，闭锁合闸脉冲输出，判别频差方向，调节待并发电机组转速控制系统的给定值，升速或减速，使滑差角频率在允许偏差范围内。

4)合闸相角差控制单元

其任务是当电压差和频率差符合允许偏差时，允许输出恒定导前时间的合闸脉冲。它不仅控制发出合闸脉冲的导前时间(以断路器主触头接通=0时作为时间参考点，合闸脉冲须提前于它发出，所提前的时间称为导前时间)，而且控制合闸脉冲是否发出。

四、自动准同期并列装置的类型（一）恒定越前时间自动准同期并列准同期并列时，调节发电机电压与系统电压的频率基本相等(注意，不能完全相等)，在发电机电压与系统电压的相角差△δ为零之前一个恒定时间向发电机断路器发出闭合信号，将发电机并入电力系统。下图是恒定越前时间自动准同期并列的基本构成图。

2.6ZZQ-5型自动准同步装置ZZQ-5由合闸部分、调压部分、调频部分、电源部分构成。2.6.1合闸部分；（一）作用（任务）：在压差、频差均满足要求的情况下，导前（δ=0°）tad时间发出合闸脉冲。（二）构成：1、导前时间获得部分；2、频差检测部分；3、压差控制部分；4、逻辑部分：对频差检查、压差控制部分的输出和导前时间脉冲进行逻辑判断，当满足准同步条件时发出合闸脉冲。2.6.2调频部分（1）作用：鉴别频差的方向，当发电机频率高于系统频率，发减速脉冲；当发电机频率低于系统频率发增速脉冲。（2）构成1）频差方向鉴别：2）调速脉冲的形成：δ在0°~180°发调速脉冲。(3)、频差大小检测：（一）比较导前时间和导前相角脉冲次序检查频差大小(4)频差方向鉴别（一）利用[usys]和[ug]的后沿与[ug]和[usys]的电平的对应关系检出频差（二）检测usys和ug周期的长短检测频差方向2.6.3、调压部分：（1）作用：1）鉴别压差方向，分别发出减压或升压的脉冲；2）压差闭锁：当压差满足要求，自动解除合闸回路的闭锁，反之闭锁合闸回路。（2）构成1）压差方向鉴别：2）调压脉冲的形成：3）压差闭锁（3）、压差方向的鉴别：作用：在压差不满足要求的情况下，检定发电机的电压是否比系统高，如发电机的电压比系统高，发减励磁脉冲；反之发增加励磁的脉冲。（4）、压差大小检测作用：当压差不满足要求闭锁合闸回路。当压差满足要求开发合闸回路（允许合闸）2.6.4电源、出口、信号小结1、ZZQ-5的组成及各部分的作用2、ZZQ-5中合闸部分的构成及作用思考题：2-8、作业：2-17、2-182.7数字式并列装置2.7.1概述传统自动同期并列存在的问题

恒定越前时间自动准同期并列冲击电流小，拉入同步快，但存在以下问题和不足。

①从原理上不能保证发电机组在Δf=0时并列。这是因为如果在Δδ≠0时又同时出现Δf=0，这个不等于零的相角差就会一直保留下去，不能实现准同期并列。因此，为了实现恒定越前时间准同期并列，就一定不能使Δf=0。②不能保证发电机在Δδ=0时并列。目前电力系统中运行的恒定越前时间自动准同期装置的恒定越前时间的获得大都是建立在滑差角频率ωS为常数的基础上。而实际运行时ωS

并不能保持常数而随时间有一些变化，这就从原理上不能保证越前时间恒定。同时加上断路器合闸时间存在的误差，就使得从原理上不能保证发电机在Δδ=0时并列。③均频和均压控制速度慢。目前运行的恒定越前时间自动准同期装置的均频和均压控制命令是间歇式脉冲，控制速度慢，使得并列时间长。这对于处理系统事故很不利。

④恒定越前时间自动准同期装置是独立于机组调速系统和励磁系统的一种单一功能和自动装置，这使得电厂自动装置的种类多，不经济。简单说就是：(1)在压差、频差满足要求的情况下以匀速准则实现准同期合闸。这是理想情况，实际并非如此，合闸瞬间将有很大的相角（2）为了获得稳定的滑差需要较长的时间。（3）由于元件老化导前时间可能变化。2.7.2硬件电路(一)主机微处理器(CPU)是控制装置的核心。它和存储器(RAM、ROM)一起，通常又称为主机。控制对象运行变量的采样输入存放在可读写的随机存储器RAM内，固定的参数和设定值以及编制的程序，则固化存放在只读存储器ROM内。自动并列装置的重要参数，如断路器合闸时间、频率差和电压差允许并列的阀值、转差角加速度计算系数、频率和电压控制调节的脉冲宽度等，为了既能固定存储，又便于设置和整定值的修改，可存放在E2PROM中o(二)输入、输出接口电路

在计算机控制系统中，输入、输出过程通道的信息不能直接与主机的总线相接，它必须由接口电路来完成信息传递任务。现在各种型号的CPU芯片都有相应的通用接口芯片供选用。它们有串行接口、并行接口、管理接口(计数／定时、中断管理等)、模拟量数字量间转换(A／D、D／A)等电路o(三)输入、输出过程通道·

为了实现发电机自动并列操作，须将电网和待并发电机的电压、频率等状态量按要求送到接口电路进入主机。计算机将调节量、合闸信号等输出控制待并机组，这就需要把计算机接口电路输出信号变换为适合于对待并机组进行调节或合闸的操作信号。可见在计算机接口电路和并列操作控制对象的过程之间必须设置信息的传递和交换设备，通常人们称之为过程输入、输出通道。1.输入通道

按发电机并列条件，分别从发电机和母线电压互感器二次侧交流电压信号中提取电压幅值、频率和相角差等三种信息，作为并列操作的依据。

2．输出通道自动并列装置的输出控制信号有：①发电机转速调节的增速、减速信号；②调节发电机电压的升压、降压信号·；③并列断路器合闸脉冲控制信号。这些控制信号可由并行接口电路输出，经放大后驱动继电器用触点控制相应的电路。(四)人—机联系

(1)键盘——用于输人程序和数据.(2)按钮——供运行人员操作.(3)CRT、LCD显示器——生产厂家及现场应用人员调试程序或定值输入及相关操作的显示.(4)数码和发光二极管显示指示——为操作人员提供直观的显示方式，以利于对并列过程的监控。2.7.3数值式并列装置的软件(一)电压的检测:(二)频率的检测(三)导前时间检测1、相角的测量2、导前相角的计算3、导前相角的计算4、合闸脉冲发出（二）自动跟踪同期并列

1、跟踪同期并列原理框图下图是跟踪同期并列原理框图，分为跟踪同期控制和断路器合闸控制两部分。跟踪同期并列兼有自同期并列速度快和准同期并列冲击小、拉入同步快等优点而摒弃了它们的缺点。

①

跟踪同期控制

跟踪同期控制是一个闭环自动控制系统。调速同期装置的输入为发电机电压和系统电压。它自动检测△U、△f和△δ的大小，实时控制输入原动机的动力元素(汽轮机的进汽量或水轮机的进水量)和发电机的励磁电流，使发电机电压的幅值、频率和相角分别跟踪电力系统电压的幅值、频率和相角，控制目标是使△U、△f和△δ三者同时为零。

②

断路器合闸控制

理论分析和实践都表明，选择合理的控制系统结构和控制准则，跟踪同期控制可以实现△U、△f和△δ三者同时为零，且能持续较长时间。显然，在上述三者同时为零时无论手动还是自动并列机组，都不再需要通过“恒定越前时间”来捕捉使并列相角差为零的合闸时机，这就可使发电机在理想准同期并列条件下并入电力系统。

2、跟踪同期并列不需要专用硬设备

跟踪同期并列不需要专用的硬设备。它的功能是建立在微机调速器的硬设备之上的，称之为“调速同期装置”。在发电机未并网之前，调速同期装置执行跟踪同期控制和并列控制程序，实现发电机电压对电力系统电压的跟踪，并决定是否向发电机断路器发出合闸命令，完成发电机自动跟踪同期并列功能。在发电机并网之后，调速同期装置则执行调速控制程序，完成调速器功能。3、跟踪同期并列的并列方式

（1）手动跟踪同期并列：手动跟踪同期并列时，调速同期装置只实施跟踪同期控制，控制目标是使ΔU、Δf和Δδ三者同时持续为零，而断路器合闸操作则是由人工手动完成的。（2）自动跟踪同期并列：在电力系统正常时使用。（3）快速跟踪同期并列：在电力系统事故时使用。自动跟踪同期并列和快速跟踪同期并列的工作机制是一样的，只是为了在电力系统事故时使发电机快速并人电力系统，快速跟踪同期并列的合闸条件控制得比自动跟踪同期并列宽一些。4．跟踪同期并列的现状

目前，我国生产的水轮发电机组微机调速器中已普遍设置了频率跟踪功能，且能很好地跟踪电力系统频率，也有几家公司生产的微机调速器中同时设置了频率跟踪和相角跟踪功能。但是，断路器合闸控制大多是采用由专门设置的同期装置完成。理论分析表明，跟踪同期并列更适合在汽轮发电机组上应用。由于跟踪同期并列冲击小、速度快，可以使机组在理想的同期条件下并列，可以预计跟踪同期并列终将会成为发电机与系统并列的主导同期并列方式。六、微机自动同期装置

微机自动准同期装置作为一种计算机自动控制装置由硬件和软件两部分组成。硬件包括基于微处理器(CPU)构成的主机、输入和输出通道及其接口电路和人机联系设备等。这些与一般的计算机控制装置大同小异。微机自动同期装置的功能主要通过软件实现。各种不同形式的微机自动同期装置的不同之处往往也表现在软件上。微机自动同期装置的研究主要集中在减少并列冲击和提高并列速度两个方面。

下图是发电机微机跟踪同期控制框图。图中上半部分为频率和相角跟踪控制框图。图中的中间部分是电压跟踪控制框图，由电压测量、电压差方向检测及电压控制脉冲形成环节组成。其中，电压测量采用模拟电路，将交流电压变成于幅值成正比的直流电压，电压差方向检测及电压控制脉冲形成由软件完成。

七、SID-2CM微机自动同期装置（一）基本功能

1．能适应TV的不同相别和电压值

同步装置可以不依赖外部转角电路和相电压及线电压的转换电路。这将大大简化二次线的设计工作量及同步接线。

2．应有良好的均频与均压控制品质它们应根据频差和压差的绝对偏差及其变化率随时调整控制力度，以期快速且平滑地使偏差值达到整定范围。注意同步时产生逆功率：

所谓逆功率是指在断路器合闸瞬间，由于存在着频差和压差，必然会出现在发电机与系统间有功功率和无功功率的交换，功率的流向是由频率和电压高的那一侧流人频率和电压低的那一侧。当发电机作为被输人功率对象时，这个功率就称为逆功率。对于汽轮机逆向无功和有功功率是有害的，因此同步装置在实施控制时应能设置成不产生逆功率的控制方式。3．应确保在相差为零度时同步

相角差的存在，意味着在同步瞬间，发电机定子所产生的电磁转矩在极短的时段内要强迫转子纵向磁轴与其取向一致。不难想像一个数百吨重的转子轴系(包括原动机转子、发电机转子、励磁机转子)在很短时段内立即旋转一个相当于相差的电角度会产生巨大的机械转矩冲击，这会导致发电机转子绕组及轴系的机械损伤。4．应不失时机的捕获第一次出现的同步时机

作为同步装置必须在算法上确保能捕获第一次出现的同步时机，而不能像那些模拟式同步装置靠碰运气。同步快速性的重要意义不仅在事故情况下显得很重要，同时也能获得良好的经济性,因发电机在同步过程中空转能耗也不是个小数，越快同步，损耗就越少。

5．应具备低压和高压闭锁功能系统事故会引发电压下降和升高，TV断线或熔丝熔断会导致同步装置误判,此时都应使同步装置进入闭锁状态，以避免产生后果严重的误同步。

6．应能及时消除同步过程中的同频状态

同步装置和调速器不同，调速器的作用是跟踪系统频率，始终维持发电机频率与系统频率相等(或相近)。而同步装置在差频并网时如发电机与系统频率相同或很相近时是不能并网的，即使此时相角差保持在零度也不能同步。原因很简单，一旦同步装置发出合闸脉冲后相角差又拉大了，就会造成大的冲击。因此，同步装置在检测到并列点两侧电压同频时必须控制发电机调速器，破坏当前的同频状态。一般应进行加速控制，以免同步时出现逆有功功率。7．应具备接入发电厂分布式控制系统(DCS)和变电所微机监控系统(SNCS)的通信

功能自动准同步装置应通过现场总线与上位计算机相连。上位机可根据工艺流程起动或退出同步装置，并在同步过程中获取必要的信息构造生动的画面，使远在集控室的值班员能监视到同步的全过程。8．应能自动在线测量并列点断路器合闸回路动作时间

恒定导前时间是自动准同步装置的重要整定值，它关系到同步时的冲击大小。仅靠电厂在断路器检修时所测得的数据是不准确的，因随着断路器运行时间的加长，其数值会发生变化。而且导前时间还应包含合闸回路中其他环节(如中间继电器，接触器等)的动作时间。因此，同步装置具有在线测量合闸回路动作时间就尤为重要。

9．应赋予更多便于设计和使用的功能

1)自动转角功能：同步接线设计的一个重要问题就是同步点选择，选择的原则是并列点断路器两侧TV的