电力系统自动化 第三王葵孙莹编发电机的自动并列

电力系统自动化第三王葵孙莹编发电机的自动并列第1页/共81页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+PloadV=I*R电磁相互转换的交流系统2理解电力系统第2页/共81页正常运行时，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；在检修完，要将机组重新投入；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，并在合适时候将其重新投入运行；有时需要将备用发电机迅速投入运行。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为什么需要并列第3页/共81页电气量表示电力系统运行中，理想情况下，任一母线电压瞬时值可表示为：发电机同步运行同步运行基本原理式中——电压幅值

——电压的角频率

——初相角4第4页/共81页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，这样的操作过程称为并列操作。并列的概念5第5页/共81页并列瞬间，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第6页/共81页在发电厂内、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7第7页/共81页同步点示意图8第8页/共81页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。并列操作分类9第9页/共81页准同期并列示意图10第10页/共81页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。Con’t11第11页/共81页自同期并列示意图12第12页/共81页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13第13页/共81页14图1-1（a）电路示意图

图1-1

（c）等值电路图第14页/共81页并列时冲击电流小，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第15页/共81页

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图1-1（a）电路示意图

图1-1

（c）等值电路图第16页/共81页17戴维南等效变换第17页/共81页18发电机侧电压相关参量：——

发电机电压相量；——

发电机电压角频率；——

发电机电压初相角；——

电网电压相量；——

电网电压角频率；——

电网电压初相角；——

发电机电压幅值；——

电网电压幅值；电网侧电压相关参量：相量差，又称脉动电压

幅值差

频率差

相角差第18页/共81页19（一）电压幅值差、——

发电机电压、电网电压有效值

设发电机并列时的电压相量如图1-2（a）所示，即并列时：①发电机频率等于电网频率；②相角差等于零；③电压幅值不等，。则冲击电流最大瞬时值为:图准同期条件分析式中(3-3)——

发电机直轴次暂态电抗=ih"max.第19页/共81页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1～2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5～10％。20几点说明第20页/共81页（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：图准同期条件分析第21页/共81页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：（3-5）式中——系统电压有效值；

——发电机交轴次暂态电抗。第22页/共81页当相角差较小时，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第23页/共81页（三）频率不相等24图3-3滑差电压原理图两者间的电角频率之差称为滑差角频率，简称滑差，用表示：两者频率之差称为频差，用表示:滑差周期定义为：第24页/共81页滑差、滑差频率、滑差周期的简单归纳25(1)滑差频率就是频率差；(2)滑差可以反映频率差，两者是2π倍数关系；(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，即滑差周期大则频率差小、滑差周期小则频率差大。第25页/共81页26（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。（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10～16s之间。第26页/共81页（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电机与电网的功率交换对机组运动趋势的影响27第27页/共81页28并列的同步过程分析加速过程减速过程

为发电机电势和系统母线的电压相角差第28页/共81页第一章发电机的自动并列准同期并列29第29页/共81页第一章发电机的自动并列准同期并列30第30页/共81页31Review第31页/共81页Con’t32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。第32页/共81页一、脉动电压33第33页/共81页两电压幅值相等34当两侧电压幅值相等而频率不等时，脉动电压瞬时值为：设初始角，则（1-5）令为脉动电压的幅值，则（1-6）第34页/共81页35

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。又，为滑差角频率。两电压相量间的相角（1-7）于是（1-8）第35页/共81页36图1-5脉动电压（b）波形图第36页/共81页37两电压幅值不相等（1-9）当时，为两电压幅值差；当时，为两电压幅值和。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：第37页/共81页38第38页/共81页幅值差频率差相角差控制39并列条件的检测第39页/共81页40设滑差角频率的允许值规定为0.2％，即

（rad/s）对应的脉动电压周期值为:

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。Example：第40页/共81页41二、自动准同期装置图1-8自动准同期并列装置组成第41页/共81页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第42页/共81页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第43页/共81页44半自动准同期并列装置示意图第44页/共81页45三、准同期并列合闸信号控制图1-9准同期并列合闸信号控制逻辑结构图第45页/共81页46越前时间o——自动准同期装置动作时间；——并列断路器合闸时间；第46页/共81页47恒定越前时间的理解（1）含义越前时间－相对于提前的时间。（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。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。越前－相对于发电机电压与系统电压之间相角差提前。（3）恒定越前时间的决定因素第47页/共81页允许滑差角频率48图1-10恒定越前时间示意图

合闸命令发出时的越前相角为。

越前相角和滑差的关系第48页/共81页49最大允许滑差可由下式求得（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。——自动并列装置动作时间误差；——断路器动作时间误差。第49页/共81页50

决定于发电机的最大冲击电流值:将取得的值代入（1-11）式，即可求得允许滑差。（1-12）（1-5）第50页/共81页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tDL＝0.5s，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±0.05s；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第51页/共81页允许合闸相角差（直接套用公式1-12）3.78°52Answer第52页/共81页允许滑差角频率断路器合闸动作误差时间自动并列装置的误差时间所以，如果滑差角频率采用标么值表示，则53第53页/共81页脉动电压周期Ts54第54页/共81页第一章发电机的自动并列恒定越前时间并列装置55第55页/共81页56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；整步电压合闸脉冲产生频差检查压差检查频差方向鉴别压差方向鉴别频差控制脉冲压差控制脉冲第56页/共81页一、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。第57页/共81页整步电压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；正弦整步电压线性整步电压第58页/共81页59表达式第59页/共81页60整步电压的产生图1-12全波线性整步电压第60页/共81页整步电压含有频差信息。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。整步电压与随时间变化的任一时刻相位差有对应关系。61特点第61页/共81页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恒定越前时间部分第62页/共81页63图1-14利用叠加原理求UR2示意图第63页/共81页64第64页/共81页65第65页/共81页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滑差检测第66页/共81页67第67页/共81页68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，为当时当时当时即：(1-16)第68页/共81页69只有当，即恒定越前相角电平检测器先于恒定越前时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。第69页/共81页（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。70第70页/共81页71第71页/共81页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