电力系统自动控制与装置(第二章)

电力系统自动装置原理任课老师：梁清清E-mail:361173978@Tel程：电力系统自动装置原理2第二章同步发电机的自动并列第一节概述第二节准同期并列的基本原理第三节自动并列装置的工作原理第四节频率差与电压差的调整第五节数字式并列装置的组成课程：电力系统自动装置原理3第一节概述一、并列操作的意义

任一母线电压瞬时值可表示为：式中，Um为电压幅值，ω为电压的角频率，φ为初相角。

Um、ω、φ被指定为运行母线电压的状态量。同步运行：发电机发出电力的频率与电网频率相同。课程：电力系统自动装置原理4一、并列操作的意义1.并列操作的定义：对待并发电机组进行必要的适当调节，使之在满足并列运行条件下，经断路器QF合闸投入电网作并网运行的操作。2.并列运行的条件

待并同步发电机与电网的：相序相同；电压的大小相等；电压的相位相同；频率相等。课程：电力系统自动装置原理5一、并列操作的意义3.并列操作的意义（1）随着负荷的波动，系统中发电机运行的台数在不停的改变；当某些发电机组发生故障的时候，常要求将备用发电机组迅速投入电网运行。（2）由于某些原因，解列运行的电网需要联合运行，这就需要两个电网之间实行并列操作。（3）系统的容量在不断扩大，发电机单机容量也越来越大，不恰当的并列操作导致后果也越严重。在电力系统运行中并列操作是较为重要又频繁的。课程：电力系统自动装置原理6一、并列操作的意义4.并列操作应遵循的原则冲击电流应尽量小瞬时最大值一般不超过1~2倍的额定电流进入同步运行时间要短，以减小对系统的扰动。课程：电力系统自动装置原理7同步发电机并列操作方法介绍准同期并列（广泛采用）：发电机在并列合闸前已加励磁，当发电机电压的幅值、频率、相位分别与并列点系统侧电压的幅值、频率、相位接近相等时，将发电机断路器合闸，完成并列操作。优点：并列时冲击电流小，不会引起系统电压降低。不足：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。

课程：电力系统自动装置原理8Xsysxx二、准同期并列课程：电力系统自动装置原理9二、准同期并列1、准同期并列的理想条件设定：发电机电压UG角频率ωG，电网电压Ux角频率ωx，两电压间相量差为。当电网参数一定时，冲击电流取决于合闸瞬间的。理想条件：（1）ωG=ωx或者fG=fx（频率相等）（2）UG=Ux（电压幅值相等）（3）δe=0（相角差为零）课程：电力系统自动装置原理10二、准同期并列2、准同期并列的理想条件不满足时对系统的影响（一）电压幅值差ωG=ωx或者fG=fx（频率相等）δe=0（相角差为零）UG≠Ux（电压幅值不相等）此时，冲击电流有效值为：冲击电流瞬时最大值为：

冲击电流主要为无功电流分量。课程：电力系统自动装置原理11二、准同期并列此时，发电机为空载情况，冲击电流有效值为：当相角较小时，冲击电流主要为有功电流分量。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。2、准同期并列的理想条件不满足时对系统的影响（二）合闸相角差UG=Ux（电压幅值不相等）ωG=ωx或者fG=fx（频率相等）δe≠0（合闸瞬间存在相角差）课程：电力系统自动装置原理122、准同期并列的理想条件不满足时对系统的影响（三）频率不相等

此时，断路器QF两侧间电压差us的瞬时值可描述为：二、准同期并列UG=Ux（电压幅值不相等）ωG≠ωx或者fG≠fx（频率不相等）δe≠0（合闸瞬间存在相角差）课程：电力系统自动装置原理13

（三）频率不相等，UG=Ux

其中，滑差角频率：课程：电力系统自动装置原理14由可以看出：发电机与电网之间电压相量之差us的波形可以看成是幅值为Us，频率接近于工频的交流电压波形。发电机电压和电网电压之间的相角差为：于是，us的幅值Us：

由此可见，us为正弦脉动波，其最大幅值为：2UmG或2Umx。（三）频率不相等课程：电力系统自动装置原理15蓝色：UG

f＝51Hz，幅值UmG=1红色：Ux

f＝50Hz，幅值Umx=1δe相角差为0US幅值最小，为0δe相角差为0US幅值最小，为0δe相角差最大，为πUS幅值最大，为2UmG课程：电力系统自动装置原理16其中，fs为滑差频率，那么：

转动一圈的时间为脉动周期Ts：当相角差从0到

π度时，Us

的幅值相应的从零到最大值2UmG；当相角差从

π度到2π时，Us

的幅值又从最大值回到零。课程：电力系统自动装置原理17频率不相等的影响（1）脉动周期Ts、滑差频率fs、滑差角频率ωs都可以用来表示发电机频率与电网频率之间的差值。（2）相角差δe是时间的函数，所以合闸相角信号差与发出合闸信号的时间有关。合闸时间恰当，合闸相角差很小，冲击电流很小。合闸时间不恰当，合闸相角差大，冲击电流很大。（3）如果并列频率差值很大，即使合闸时相角差很小，满足要求，但这时发电机需要很长一段时间才能进入同步过程，严重时甚至失步，因而也是不允许的。课程：电力系统自动装置原理18δe0ωs0待并电机组进入同步运行过程发电机状态电动机状态ωG=ωxωG<ωx，δe<0ωG=ωx课程：电力系统自动装置原理19同步发电机并列操作方法介绍自同期并列（已很少采用）：将未加励磁、接近同步转速的发电机投入系统，随后给发电机加上励磁，在原动机转矩、同步力矩的作用下将发电机拉入同步，完成并列操作。优点：不存在调整发电机电压、频率的问题，并列时间短且操作简单，在系统电压和频率降低的情况下，仍有可能将发电机并入系统，容易实现自动化。不足：并列发电机未经励磁，并列时会从系统中吸收无功而造成系统电压下降，同时产生很大的冲击电流。自同期并列方式不能用于两个系统间的并列操作。课程：电力系统自动装置原理20自同期并列冲击电流：发电机母线电压：可见，当机组一定时，其冲击电流主要取决于系统的情况。三、自同期并列课程：电力系统自动装置原理21第二节准同期并列的基本原理一、脉动电压

冲击电流及进入同步运行的暂态过程，决定于合闸时脉动电压Us值和滑差角频率ωs。脉动电压：

Us

为正弦脉动波形，它的最大幅值为：2Umx（或2UmG）。脉动周期Ts

：课程：电力系统自动装置原理22当UG=Ux

时，Us

脉动电压波形：ωs1ωs22Umx<>理想合闸时间课程：电力系统自动装置原理23当UG≠Ux

时，Us脉动电压波形：其中：当时，，为两电压幅值之差；

时，，为两电压幅值之和。

当课程：电力系统自动装置原理24脉动电压在自动并列装置中的作用：Us脉动电压波形中，载有准同期并列所需检测的信息：

电压幅值差、频率差以及相角差随时间变化的规律并列两侧电压为自动并列装置提供并列条件信息以及供选择合适的合闸信号发出时机。课程：电力系统自动装置原理251.

电压幅值差

对应脉动电压Us波形最小幅值：2.

频率差

fs课程：电力系统自动装置原理263.合闸相角差δe的控制必须在两电压相量重合之前发出合闸信号，即是要提取一个提前量：在UG和Ux两相量重合之前恒定角度δYJ

发出合闸信号，称为恒定越前相角并列装置。在UG和Ux两相量重合之前恒定时间tYJ发出合闸信号，称为恒定越前时间并列装置。课程：电力系统自动装置原理27二、准同期并列装置1.控制单元（1）频率差控制单元检测滑差角频率，调节待并发电机转速。（2）电压差控制单元检测电压差，调节待并发电机电压。（3）合闸信号控制单元检查并列条件（特别是要检测相角差）课程：电力系统自动装置原理282.自动化程度分类（1）半自动并列装置这种装置没有频率差和电压差控制单元，只有合闸控制单元，待并发电机的频率和电压只能靠运行工作人员监视。（2）自动并列装置

设有频率差和/或电压差控制单元，同时也有合闸控制单元，当满足并列条件的时候，自动选择合适时机发出合闸信号，整个过程无需运行人员参与。课程：电力系统自动装置原理29课程：电力系统自动装置原理30三、准同期并列合闸信号的控制逻辑准同期并列装置中，合闸信号控制单元是核心部件。控制原则：频率和电压都满足并列条件的情况下，在

uG和

ux

两向量重合之前发出合闸信号。课程：电力系统自动装置原理31（一）恒定越前相角准同期并列UA课程：电力系统自动装置原理32（二）恒定越前时间准同期并列δYJ2δYJ1δYJ3Us2Us1Us3课程：电力系统自动装置原理33四、恒定越前时间并列装置的整定计算1.越前时间：

tc——自动装置合闸信号输出回路的动作时间。2.允许电压差：

（0.1-0.15）UN（UN为额定电压）。3.允许滑差角频率：（rad）课程：电力系统自动装置原理34例2-1：课程：电力系统自动装置原理35第三节自动并列装置的工作原理一、装置的控制逻辑

恒定越前时间准同期并列装置中的合闸信号控制单元由滑差角频率检测、电压差检测和越前时间信号环节组成。

控制逻辑如下图所示：课程：电力系统自动装置原理36装置逻辑控制时间配合关系：δe=0课程：电力系统自动装置原理37主要分析如何从UG和Ux中获取滑差角频率、相角差信号，以便于在合适的时机进行并列操作。并列的检测信号由Us＝UG－Ux获得。（一）整步电压自动并列装置检测并列条件的电压，称为整步电压。1.正弦型整步电压

电压差的包络线波形为正弦型，称为正弦型整步电压，是早期准同步并列装置所采用的测量信号。二、并列的检测信号课程：电力系统自动装置原理38usus.settt正弦整步电压为：式中，Kz为整流系数。整流装置课程：电力系统自动装置原理39

Us.set不仅是相角差的函数，而且还与电压差值有关。使得利用Us.set检测并列条件的越前时间信号和频率检测信号引入了电压影响的因素，成为合闸误差的主要原因之一。usus.settt课程：电力系统自动装置原理402.线性整步电压：只反映

UG和Ux

之间的相角差特性，与它们的电压幅值无关，从而使越前时间信号和频率差的检测不受电压幅值的影响。分为：半波线性整步电压和全波线性整步电压。（1）半波线性整步电压

主要由相敏、积分和双T型滤波器等电路组成。

相敏电路：一系列幅值一定而宽度与相角差有关的矩形波。

积分电路：将相敏电路输出的矩形进行波滤去其高次谐波，输出锯齿形三角波。

双T型滤波器：将积分电路输出的波形进一步滤波，得到三角形特性的波形，即是三角波整形电压。课程：电力系统自动装置原理41课程：电力系统自动装置原理42相敏电路课程：电力系统自动装置原理43积分电路课程：电力系统自动装置原理44课程：电力系统自动装置原理45线性整步电压uSL与相角差δe之间的关系图：数学描述为：课程：电力系统自动装置原理46线性整步电压只反映UG和Ux间的相角差特性，而与他们的电压幅值无关，从而使越前时间信号和频率差的检测不受电压幅值的影响。因而被广泛采用。半波线性整步电压采用滤波器，滤调高次谐波，在完全理想状况下才能获得较为平滑的特性。然而滤波器的时间常数会影响相移，从而使控制合闸时间引入误差。课程：电力系统自动装置原理47（2）全波线性整步电压由电压变换、整形电路、相敏电路、低通滤波电路和射级跟随器组成。课程：电力系统自动装置原理48整形电路：将待并发电机电压与电网电压的正弦波转换成与之频率和相位相同的一系列方波。课程：电力系统自动装置原理49uGuxuAuB课程：电力系统自动装置原理50相敏电路：将整形电路得到的一系列方波转换成矩阵波宽度与相角差有关的一系列矩形波。课程：电力系统自动装置原理51相敏电路&&课程：电力系统自动装置原理52相敏电路uGuxuAuBuy课程：电力系统自动装置原理53滤波电路和射级跟随器输出：滤波电路和射极跟随器是将相敏电路输出的矩形波转换成三角波形。课程：电力系统自动装置原理54uGuxuAuBuy课程：电力系统自动装置原理55此时，整步电压数学描述为：课程：电力系统自动装置原理56全波线性整步电压较半波多了一倍脉冲，因而可以适当减小滤波器时间常数，使它的性能有所改善，所以一般采用全波方案。课程：电力系统自动装置原理57滑差角频率

ωs

值不同时，如下图所示。三角波电压是可以检测

ωs

的大小，以及求得相位重合前的恒定越前时间信号。课程：电力系统自动装置原理58（二）相角差δe(t)的实时检测线性整步电压与相角差的对应关系：矩形波的宽度。因此，矩形波宽度实时记录，对应着相角差的运动轨迹，其中会载有除电压幅值外极其丰富的并列条件信息，其作用与整步电压相似。课程：电力系统自动装置原理59矩形波宽度轨迹载有丰富的并列条件信息：数字式并列装置可以充分利用高速运算的优势，充分利用相角差信息，提高并列装置的合作控制技术水平。课程：电力系统自动装置原理60相角差测量方案方波输入电平不同时，异或门的输出为高电平，用于控制可编程定时计数器的计数时间，其计数值

N

即与两波形的相角差相对应。CPU可读取矩形波的宽度

N值，求得两电压间相角差的变化轨迹。课程：电力系统自动装置原理61ττxτgτ1τ2τ3τi课程：电力系统自动装置原理62由此可以知道，通过矩形脉冲信号可以实现对相角差的检测。矩形波的宽度τi与相角差δi相的对应关系：δe(t)轨迹：课程：电力系统自动装置原理63课程：电力系统自动装置原理64三、并列合闸控制（一）恒定越前时间电子模拟式自动并列装置，用电阻、电容元件作为比例、微分的运算器件，在线性整步电压作理想化假设条件下，求解两电压相量重合之前的恒定越前时间tYJ。微机型数字式自动并列装置利用

δe(t)轨迹，利用较严密的数学模型，计算求得的恒定越前时间

tYJ，较符合脉动电压的实际规律，具有相当准确性。第三节自动并列装置的工作原理课程：电力系统自动装置原理65在数字式自动准同期装置中，恒定越前时间tYJ所对应的越前相角δYJ可以用下式来计算，其中还可以计及δe含有加速度的情况：其中，课程：电力系统自动装置原理66微机型处理准同期并列装置突出优点：可以方便的考虑频率差的变化规律。课程：电力系统自动装置原理67恰当合闸时间的确定：在合闸并列前，首先将上面计算得到的越前相角δYJ和当前计算点的相角δi进行比较，如果下式成立，则发出合闸信号：如果：

又

则继续进行下一点计算，直到满足合闸条件为止。课程：电力系统自动装置原理68课程：电力系统自动装置原理69错过合闸时机：

越前角δYJ与本计算点的δi比较有可能出现如下情况：

此时就称为错过了合闸时机。

课程：电力系统自动装置原理70课程：电力系统自动装置原理71（二）频率差检测1.

间接检测：利用相滑角差轨迹中含有滑差角频率信息检测。滑差角频率可以每一工频周期（20ms）计算一次。同时也可以计算滑差角频率的一阶导数，也就是变化速度。可以作为并列条件加以限制。（尤其对于启动水轮发电机要求快速并网的操作而言，就很有必要设置变化速度限制，作为防止操之过急的技术措施。）课程：电力系统自动装置原理722.

直接检测直接测量两并列电压频率，求得频率差值。数字电路测量频率的方法是测量交流信号的周期

T，如下图：

高电平开始计数，下降沿停止计算，读取计数值

N。如可编程计数器的计数脉冲频率为

fc：课程：电力系统自动装置原理73（三）电压差检测

直接读入电压UG和Ux，再进行比较:课程：电力系统自动装置原理74第四节频率差与电压差的调整一、频率差调整频率差调整的任务：将待并发电机的频率调整到接近于电网频率，使得频率差趋向于并列条件允许的范围，以促成并列的实现。频率差控制由频率差测量和调节量控制两部分组成。频率差测量：判别待并发电机电压和电网电压之间频率差的大小，作为是否需要调速的依据。调节量控制：按照比例调节的要求参照发电机组的转速特性，控制输出脉冲时间长短。课程：电力系统自动装置原理751.频率差测量

参照数字式频率测量的方法，自动并列装置可直接测量UG、Ux两并列电压的频率

fG、fx，然后进行计算判别。当，设定的允许频率差：则不发调速脉冲，进行越前时间合闸控制计算。当，设定的允许频率差：则发调速脉冲，不进行越前时间合闸控制计算。课程：电力系统自动装置原理762.调节量控制发电机的转速按照比例调节准则，要求输出的脉冲时间与频率差值成比例。而且各个发电机组转速调整特性并不一致，因此调节量与被调量的关系，即调节系数随机组而异。频率差调整输出的过程通道为执行继电器，继电器控制调速机工作，继电器工作时间与输出调节脉冲时间长短有关。课程：电力系统自动装置原理77二、电压差调整电压差调整的任务：将发电机的电压调整到趋向于并列条件允许的范围。电压差的实施原理和频率差极其类似，实施原则可参考频率差控制。可间接测量电压幅值，再进行比较；也可以直接测量电压差值，控制并列条件。课程：电力系统自动装置原理78第五节数字式并列装置额组成一、概述模拟式并列装置存在的主要问题：模拟式并列装置是认为

ωs

是匀速的，但实际上是多变的，如系统频率不很稳定或发电机转速是变化的，都会有不同程度的加速度。特别是对合闸时间较长的断路器，合闸瞬间相角差会很大，引起很大的冲击电流。为了获得稳定的

ωs

，把并列过程拉得很长。另外，由于装置元件老化或因温度变化引起的参数变化，也将使导前时间产生误差。课程：电力系统自动装置原理79数字式并列装置定义及主要特点定义：借助于大规模集成电路中央处理单元（CPU）的高速处理信息能力，利用编制的程序，在硬件配下实现发电机并列操作。主要特点：由于利用微处理器具有高速运算功能和逻辑判断能力，使对机组的调节更加快速，更加精确，在频差满足要求后，随时确定理想导前相角，使合闸瞬间冲击电流更小，同期过程缩短。课程：电力系统自动装置原理80数字式并列装置定义及主要特点优势：CPU的指令周期以微秒计，这对于发电机频率为50hz，每周期20ms的信号来说，可以具有足够充裕的时间进行相角差和滑差角频率近乎瞬时值的计算。组成：数字式由硬件和软件组成，两者协调配合完成同步发电机组的并列控制任务。课程：电力系统自动装置原理81二、硬件电路课程：电力系统自动装置原理82（一）主机CPU和存贮器（RAM、ROM）一起称为主机。控制对象运行变量的采样输入存放在RAM内；固定的参数和设定值以及编制的程序，则固化存放在EPROM内。自动并列装置的重要参数：断路器合闸时间、频率差和电压差允许值、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，存放在EEPROM中。课程：电力系统自动装置原理83（二）输入、输出接口电路在计算