第1章发电机的自动并列

第1章发电机的自动并列第1章发电机的自动并列并列操作何时进行？①正常负荷发生变化时②当电力系统发生事故时并列操作每天都在进行！并列不当还会产生严重的后果！第1章发电机的自动并列学习目的：通过本章的学习，理解并列操作的概念、对并列操作的基本要求和并列操作的两种方式。掌握准同期并列的理想条件，了解并列误差对并列的影响；掌握模拟式自动准同期装置的基本原理。了解微机准同步装置的基本构成及特点。重点：并列操作的概念、对并列操作的基本要求和并列操作的两种方式；准同期并列的理想条件；自动准同期装置的组成；自动准同期装置的基本原理。

难点：

模拟式自动准同期装置的基本原理。第一节概述一、并列操作的意义

1、并列的概念：将一台发电机投入电力系统并列运行的操作，称并列操作。发电机的并列操作又称为“并车”、“并网”、“同期”。第一节

概述

2、对并列操作的基本要求：（1）并列断路器合闸时，冲击电流应尽可能的小，其瞬时最大值不宜超过1~2倍的额定电流。（2）发电机组并入电网后，应能迅速进入同步运行状态，进入同步运行的暂态过程要短，以减少对电力系统的扰动。

准同期并列（一般采用）自同期并列（很少采用）3、并列操作的两种方式并列合闸时流过断路器主触头的电流3、并列操作的方式（1）准同期并列的概念：发电机在并列合闸前已励磁，当发电机频率、电压相角、电压大小分别和并列点处系统侧的频率、电压相角、电压大小接近相等时，将发电机断路器合闸，完成并列操作，这种方式称为准同期。～G～DL系统KMCK´MCRZ（2）自同期并列的概念：将一台未加励磁的发电机组升速到接近于电网频率，在滑差角频率不超过允许值，机组的加速度小于某一给定值的条件下，先合并列断路器QF，接着合励磁开关，给转子加励磁电流，在发电机电势逐步增长的过程中，由电力系统将并列机组拉入同步运行。3、并列操作的方式～G～DL系统KMCK´MCRZ第一节

概述二、准同期并列设待并发电机组G已经加上了励磁电流，其端电压为UG，

QF为并列断路器，系统的电压为UX，如图(a)所示。调节UG的状态参数使之符合并列条件。准同期并列的电路示意图准同期并列的相量图（－）准同期并列的理想条件(1)fG=fX

待并发电机频率与系统频率相等，即滑差(频差)为零；(2)UG=UX

待并发电机电压与系统电压的幅值相等，即压差为零；(3)δe=0

断路器主触头闭合瞬间，待并发电机电压与系统电压间的瞬时相角差为零。三个条件很难同时满足!!分析机组并列时偏离理想条件所引起的后果（二）并列误差对并列的影响1.电压幅值差对并列的影响①频率fG=fX②相角差δe=0③幅值UG≠UX（1）并列操作时条件（2）向量图1、电压幅值差对并列的影响（3）产生的冲击电流UGUX——发电机、系统电压有效值；Xd〞---发电机的直轴次暂态电抗。---系统的等值电抗KM---冲击系数

在只存在电压差的情况下，并列机组产生的冲击电流主要为无功冲击电流。（Ih

与UG夹角为90°）!冲击电流的电动力对发电机绕组产生影响．由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，必须限制冲击电流。结论：我国规定：电压差US不能超过额定电压的5％~10％。现在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。1、电压幅值差对并列的影响2、合闸相角差对并列的影响①频率fG=fX②幅值UG=UX③相角差δe≠

0（2）产生的冲击电流为：

并列时δe一般都很小，UG与UX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。!（1）并列操作时条件

当相角差较小时，冲击电流主要为有功电流分量（Ih

与UG夹角近似为0°）。说明合闸后发电机立刻向电网输出有功功率，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。此时发电机为空载情况结论：在断路器合闸瞬间，待并发电机电压与系统电压的相位差应接近零，误差不应大于5°。3、合闸频率差对并列的影响频差fS：

fS

＝fG-fX

滑差ωs:电角速度之差称为滑差角速度，简称滑差。滑差周期：(1)有关的几个概念:它们都是描述两电压矢量相对运动快慢的一组数据。3、合闸频率差对并列的影响

发电机在频差较大的情况下并入系统，立即带上较多正的（或负的）有功功率，对转子产生制动（或加速）的力矩，使发电机产生振动，严重时导致发电机失步，造成并列不成功。(2)并列操作时条件①相角差δe=0

②幅值UG=UX③频率fG≠fX

结论：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滑差。允许频率差范围为额定频率的0.2%~0.5%,即0.1~0.25Hz!

结论：发电机准同步并列的实际条件：

(1)待并发电机与系统电压幅值接近相等，电压差不应超过额定电压的5%~10%。

(2)在断路器合闸瞬间，待并发电机电压与系统电压的相位差应接近零，误差不应大于5°。

(3)待并发电机电压与系统电压的频率应接近相等，频率差不应超过额定频率的0.2%~0.5%。（二）并列误差对并列的影响三、自同期并列1、概念：

将一台未加励磁的发电机组升速到接近于电网频率，在滑差角频率不超过允许值，机组的加速度小于某一给定值的条件下，先合并列断路器QF，接着合励磁开关，给转子加励磁电流，在发电机电势逐步增长的过程中，由电力系统将并列机组拉入同步运行。

由于自同期并列合闸时发电机尚无励磁，所以在断路器闭合的瞬间相当于电力系统通过发电机定子绕阻金属性三相短路，冲击电流较大。三、自同期并列2、优点：操作简单，并列迅速，易于实现自动化。3、缺点:

冲击电流大，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。4、适用：（规程规定）

①对于一切水轮发电机、同步调相机、发变组方式连接的汽轮发电机及小容量的汽轮发电机只要其端部固定良好，可采用自同期。②对于3000KW以上与母线直接连接的汽轮发电机，需要验算：

要求：自同期合闸冲击电流产生的电动力不超过发电机出口三相短路时所产生电动力的一半。第二节准同期并列的基本原理=======基本知识点=======

脉动电压自动准同期装置组成准同期并列合闸信号的控制第二节准同期并列的基本原理一、脉动电压（一）(ωG与ωX不等)us可看成是幅值为Us，频率接近工频的交流电压波形。1、脉动电压数学表达式目标：找一电量，包含同步三条件信息。第二节准同期并列的基本原理2、脉动电压幅值US两电压相量间的相角差：第二节准同期并列的基本原理us波形图如下：相量图如下：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第二节准同期并列的基本原理（二）应用余弦定理得：us波形图如下：第二节准同期并列的基本原理（三）利用脉动电压us检测准同期并列的条件1、电压幅值差2、频率差要求ωs小于某一允许值，就相当于要求脉动电压周期TS大于某一个给定值。第二节准同期并列的基本原理3、合闸相角差δe的控制（1）越前时间考虑到断路器操动机构和合闸控制回路的固有动作时间，必须在两电压相量重和之前发出合闸信号，即取一提前量。这一段时间一般称为“越前时间”。（2）恒定越前时间由于越前时间只需按断路器的合闸时间(准同期装置的动作时间可忽略)进行整定，整定值和滑差及压差无关，故称其为“恒定越前时间”。第二节准同期并列的基本原理二、自动准同期装置1、自动准同期装置的组成频差控制单元电压差控制单元(3)合闸信号控制单元注意：掌握每一个组成单元的任务！检测UG与UX间的滑差角频率，且调节发电机转速，使发电机电压的频率接近于系统频率。检测UG与UX间的电压差，且调节发电机电压UG

，使它与UX间的电压差小于规定值。检测并列条件，当待并机组的频率和电压都满足并列条件时，控制单元就选择合适的时间(恒定越前时间）发出合闸信号，使并列断路器的主触头接通时，相角差为零。第二节准同期并列的基本原理2、自动准同期装置的类型（按自动化程度分类）半自动准同期并列自动准同期并列半自动准同期并列调压：手动调频：手动合闸：自动全自动准同期并列调压：自动调频：自动合闸：自动第二节准同期并列的基本原理三、准同期并列合闸信号的控制1、越前时间可整定第二节准同期并列的基本原理三、准同期并列合闸信号的控制2、允许滑差角速度当tYJ为定值时，发出合闸脉冲时的越前相角与ωs成正比。

在δe等于零之前的恒定时间tYJ发出合闸信号，它对应的越前相角δYJ的值是随ωs而变化的。（1）理想情况，合闸时δe应为零第二节准同期并列的基本原理第二节准同期并列的基本原理三、准同期并列合闸信号的控制2、允许滑差角速度（1）实际上，合闸时很难做到δe为零允许δe存在误差，设其最大允许合闸相角为δey此时，最大允许滑差为ωsy。三、准同期并列合闸信号的控制第二节准同期并列的基本原理考虑到并列前发电机空载运行，定子电压Eq与δ电势相等。(2)因为δey决定于发电机的允许最大冲击电流第二节准同期并列的基本原理第二节准同期并列的基本原理考虑并列时电压可能超过额定电压的5％第二节准同期并列的基本原理

前已述：脉动电压可为自动并列装置检测和控制提供所需信息。合闸信号何时发出?如何实现？us波形图如下：Us波形图如下：

第三节恒定越前时间并列装置第三节恒定越前时间并列装置特点：脉动电压不仅是相角差的函数，其幅值还与发电机电压和统电压有关。因此，检测条件引入了受电压影响的因素，造成越前时间信号时间误差不准，成为合闸误差的原因之一。应用：早期曾采用，现已被“线性整步电压”替代。若：

若：第三节恒定越前时间并列装置（模拟式）一、线性整步电压

1、线性整步电压定义：

线性整步电压---指其幅值在一周期内与相角差δe分段按比例变化的电压。注意：线性整步电压只与发电机电压和系统电压的相角差δe有关，而与它们的幅值无关。滑差存在时：2、线性整步电压的表达式:（1）Usl的上升段Uslm---Usl的最大值Usl的周期TS表征发电机电压和系统电压频率差△f的大小：（2）Usl的下降段第三节恒定越前时间并列装置3、线性整步电压的形成电路形成电路由整形电路、相敏电路及滤波电路三部分组成。（1）整形电路发电机电压UG整形原理：UG正半周时，V101导通，集电极电位U101c约为0V.UG负半周时，V101截止，集电极电位U101c约为12V.由V102和二级管VD104~VD106组成的整形电路对系统电压UX整形。工作原理与由V101和二级管VD101~VD103

组成的整形电路相同。（2）相敏电路

当U101C和U102C同时为高电位或同时为低电位时，V103因不能获得基极电流而截止，集电极电位U103C为高电位，约为40V。当U101C和U102C一个为高电位、一个为低电位时，V103因导通，集电极电位U103C为低电位。（3）滤波和射级跟随器L1L2C101C102滤波电路作用:将U103C中的高次谐波滤掉，形成幅值为三角形的整步电压。射级跟随器作用:提高整步电压形成电路的负载能力，使三角形整步电压的波形不受它后边电路工作的影响。V105的发射极电位U105e就是ZZQ-5型自动准同期装置中的线性整步电压Usl整步电压形成电路的波形图:二、恒定越前时间形成的原理

线性整步电压Usl经过R114(R1)、R115(R2)和C组成的比例、微分电路之后，送入三极管V106

和V107组成的电平检测器与电平检测器的翻转电平Udt(V107的基极电位，由R120整定）进行比较，由V108集电极输出恒定越前时间信号。电平检测器USL对应于UsL上升段：注意：求iR时认为电容c开路!通过电阻R1的电流为：①求电阻R1上的电流iR

由于电容C的容抗较大，电容C两端的电压UC可以看成C开路时在R1上产生的电压。②求通过电容C的电流icUSL设电平检测器的翻转电平为：则电平检测器动作的临界条件为：③求电阻R2上的电压④求越前时间tYJ恒定越前时间形成电路的波形图从图中可以看出，对于不同的线性整步电压产生的越前时间相同。恒定越前时间的特点：①tYJ仅与R1及C的数值有关，与滑差角频率ωs无关，是常量；②右端的负号表示：在δe＝0之前动作，即为“越前”。③tYJ的大小可以整定：当断路器的合闸时间不同时，可以分别调整电阻R1（细调）和电容C（粗调）的数值，以获取相应的越前时间，使并列瞬间相角差为零。三、滑差检测1、滑差检测原理首先选定一个角度δωsy——允许滑差角频率，是自动准同期装置的整定值。th——断路器合闸时间，对于选定的断路器及其合闸回路，是已知的；tYJ——自动准同期装置恒定越前时间，tYJ=th对于确定的发电机及其断路器，δ是一个确定的已知值。滑差检测单元的作用：检测发电机电压与系统电压的频率之差（滑差），若滑差不超过规定的允许值，则发闭锁合闸信号。1、滑差检测原理ωs——实际滑差角频率；tA——以速度ωs走过角度δ

所用的时间。

然后，检测发电机电压UG以滑差角频率ωs相对系统电压UX转动时走过角度δ所用的时间。走过δ所用的时间长，则ωs小；时间短，则ωs大。tA>tYJ,ωs<ωsy，说明频差满足条件；tA<tYJ,ωs>ωsy，说明频差不满足条件。1、滑差检测原理

电路实现：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。产生角度δ的电路为恒定越前相角电路。2、滑差检测电路的组成（1）恒定越前相角电平检测器：BG113、BG114和BG115组成差分式施密特触发器，接线与恒定越前时间电平检测器相同。此电平检测器的翻转电平由R142整定，并由BG113基极输入线性整步电压UZb

。当BG113输入电平（线形整步电压UsL）低于整定电平时，BG113导通，BG114截止，因而BG115截止，输出高电平；当BG113输入电平（线形整步电压USL

）高于整定电平时，BG113截止，BG114导通，因而BG115导通，输出低电平；表示电平检测器因整定的恒定越前相角到达而动作。恒定越前相角形成电路USL频差检测的时间关系图由图可以看出:左半部分tA＜tYJ，ωs＞ωsy；右半部分tA>tYJ，ωs<ωsy恒定越前相角形成电路USLUSL四、电压差检测原理

任务：检查发电机电压和系统电压的幅值之差是否超过允许值。当不超过允许值时发出闭锁合闸的信号。检测电路原理：

电压差检测可直接用UG和Ux的幅值进行比较，两电压分别经变压器、整流桥和一个电压平衡电路检测电压差的绝对值。当此电压差小于允许值时发出“电压差合格允许合闸”的信号。电路如下：UGZ-UXZUXZ-UGZ调零电位器，保证UG=UX时，UGZ-UXZ=0,UXZ-UGZ=0五、合闸逻辑回路合闸逻辑回路框架图当与门2的输入全部满足，则发出合闸命令。反之，不发合闸命令。与门六、频差控制单元频差控制单元的作用：①检测频差方向：

即判断发电机电压频率高于还是低于系统电压的频率，发出增速或减速信号给机组调速器，调节机组转速，使发电机电压频率和系统电压频率之差减小；②当发电机电压频率和系统电压频率之差fs很小(fs≤0.05HZ,Ts≥20s)时并列速度会很慢，此时由均频控制单元发出一个增速信号给机组调速器以加速并列。频差控制单元检测控制框图：当fG>fx时:ωs>0，

在δe的值为0至π时，UG超前UX；在δe的值为-π至0时，UG滞后Us

。当fG<fx时，ωs<0，

在δe的值为0至-π时，UG滞后UX；在δe的值为π至0时，UG超前UX

。当fG>fx时:

的值为0至π时,UG超前UX；的值为π至0时,UG滞后UX

。当fG<fx时:

的值为0至π时,UG滞后UX；的值为π至0时,UG超前UX

。结论：的值为0至π时：如果UG超前UX，则fG>fx

如果UG滞后UX，则fG<fx（一）频差方向检测原理：逻辑判别法1.滑差（频差）方向的检测原理:δe的值为0至时,如果UG超前Ux,则fG>fx

如果UG滞后Ux,则fG<fx

准同期装置应用该原理时，通过区间鉴别与越前鉴别两种措施来实现。(1)区间鉴别区间鉴别的任务:

从线形整步电压的下降段中取出一个信号表征在0~π

之间。(二)频差方向检测电路BG203和BG204组成一个施密特触发器输入电压Uzb<U203e时:BG203截止，BG204和BG205导通，C203的左电极电位为高电平，约为12V；BG206导通，U206C约为高电平，C203的右电极电位为高电平，约为12V,电容C没有充电。区间鉴别电路0V输入电压Uzb>U203e时:BG203导通，BG204和BG205截止，C203由＋12V充电，充电开始时，C203右电极电位UC203瞬时下降为零，之后逐渐上升为＋12V，同时BG206继续导通，U206C约为高电平，0V区间鉴别电路输入电压Uzb下降到Uzb

<U203e时:BG203截止，BG204和BG205导通，C203左电极电位突然升高到近＋12V，C203右电极电位UC203突然升高到近24V，使BG206截止，U206C降到零电位，但是C203右电极的高电位是维持不住的，将放电至C203的右电极电位U203C<+12V时，BG206重新导通，U206C重新回到高电平，图中U206C的两个短时间的零电位表示δ在0~之间。（2）超前鉴别超前鉴别的任务是判别两个电压相量UG和UX哪一个超前。原理：UG和UX由负到正（或由正到负）相继过零时哪个在前哪个就是超前。将UG和UX经过整形后变成方波UGF和UXF，然后通过微分电路将UGF的下降沿取出来与UXF进行“与”运算，得出电压U201C，在U201C出现尖峰脉冲的时刻即表征UG超前UX。3、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，均频脉冲时间的占用率与频差成正比，称为比例脉冲调节制。

它能在频差大时，使均频脉冲的次数较为频繁，进入汽轮机的动力元素在单位时间内的改变量较大，以迅速弥补频率的差别；

而在频差小时，使均频脉冲的次数较少，进人汽轮机的动力元素在单位时间内的改变量也较小，从而避免过调。所以，比例调节脉冲可以使均频过程迅速而平稳地进行。七、压差控制作用：判断发电机电压幅值高于还是低于系统电压的幅值，发出降压或升压信号给机组励磁控制系统，调节发电机出口电压，使发电机电压幅值和系统电压幅值之差减小。1、电压差方向判别电路2、脉冲展宽回路

脉冲展宽的作用是为了使自动准同期装置适用于各种具有不同动态特性的励磁系统的机组，防止均压过程中出现发电机电压过调节和欠调节。3、脉冲间隔调节均压控制单元电路组成：第四节数字式并列装置一、概述

用大规模集成电路微处理器（CPU）等器件构成的数字式并列装置，由于硬件简单，编程方便灵活，运行可靠，且技术上已日趋成熟，成为当前自动并列装置发展的主流。

模拟式并列装置为简化电路，在一个滑差周期Ts时间内，把ωs假设为恒定。数字式并列装置可以克服这一假设的局限性，采用较为精确的公式，按照δe当时的变化规律，选择最佳的越前时间发出合闸信号，可以缩短并列操作的过程，提高了自动并列装置的技术性能和运行可靠性。

数字式并列装置由硬件和软件组成。二、数字式并列装置的硬件电路（一）主机微处理器（CPU）是控制装置的核心。（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的任务。（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。二、数字式并列装置的硬件电路（三）输入输出过程通道1、输入通道（1）交流电压幅值测量

（2）频率测量二、数字式并列装置的硬件电路测量交流信号波形的周期T。把交流电压正弦信号转化为方波，经二分频后，它的半波时间即为交流电压的周期T。fc:计数器的计数脉冲频率N:计数值（3）相角差δe测量把电压互感器二次侧的交流电压信号转换成同频、同相的方波。UG、UX的两个方波信号接到异或门，当两个方波输入电平不同时，异或门输出为高电平，用于控制可编程定时计数器的计数时间，其计数值N即与两波形间的相角差δe相对应。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；