CH同步發(fā)電機(jī)的自動(dòng)并列實(shí)用

會(huì)計(jì)學(xué)1CH同步發(fā)電機(jī)的自動(dòng)并列實(shí)用本節(jié)主要內(nèi)容：（1）理解同步發(fā)電機(jī)并列的意義；（2）掌握同步發(fā)電機(jī)并列遵循的原則；（3）掌握發(fā)電機(jī)并列操作的方法，即掌握準(zhǔn)同期并列操作和自同期并列操作的概念、特點(diǎn)及其適用場(chǎng)合；第1頁(yè)/共45頁(yè)第一節(jié)概述

(1-1)式反映了電網(wǎng)運(yùn)行中該母線電壓的幅值、頻率和相角。這三個(gè)重要參數(shù)常被指定為運(yùn)行母線的狀態(tài)量。電網(wǎng)的電壓也常用相量來(lái)表示。式中——電壓幅值

——電壓的角頻率

——初相角電力系統(tǒng)運(yùn)行中，理想情況下，任一母線電壓瞬時(shí)值可表示為(1-1)一．并列操作的意義

1.并列操作第2頁(yè)/共45頁(yè)正常運(yùn)行時(shí)，為了維持電力系統(tǒng)頻率、電壓在允許的范圍內(nèi)，運(yùn)行中要根據(jù)負(fù)荷的波動(dòng)相應(yīng)投入和切除發(fā)電機(jī)。故障情況下，為了保護(hù)發(fā)電機(jī)（如過(guò)流、失磁等）或?yàn)榱吮３种飨到y(tǒng)的穩(wěn)定，需要切除發(fā)電機(jī)，并在合適時(shí)候?qū)⑵渲匦峦度脒\(yùn)行；有時(shí)需要將備用發(fā)電機(jī)迅速投入運(yùn)行。針對(duì)上述情況，都需要在必要時(shí)將發(fā)電機(jī)重新投入電網(wǎng)?？梢?jiàn)，在電力系統(tǒng)運(yùn)行中，并列操作是較為頻繁的。第3頁(yè)/共45頁(yè)如圖所示，一臺(tái)發(fā)電機(jī)組在未投入系統(tǒng)運(yùn)行之前，它的電壓與并列母線電壓的狀態(tài)量往往不等，須對(duì)待并發(fā)電機(jī)組進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟僮?，使之符合并列的條件后才允許斷路器QF合閘作并網(wǎng)運(yùn)行。這一系列操作稱為并列操作。第4頁(yè)/共45頁(yè)※并列瞬間，如果發(fā)電機(jī)的沖擊電流大，甚至超過(guò)允許值，所產(chǎn)生的電動(dòng)力可能損壞發(fā)電機(jī)；并且，沖擊電流通過(guò)其他電氣設(shè)備，還會(huì)使其他電氣設(shè)備受損?！⒘泻?，當(dāng)發(fā)電機(jī)在非同步的暫態(tài)過(guò)程時(shí)，發(fā)電機(jī)處于振蕩狀態(tài)，遭受振蕩沖擊，如果發(fā)電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間不能進(jìn)入同步運(yùn)行，可能導(dǎo)致失步，并列不成功。

2．并列操作的原則第5頁(yè)/共45頁(yè)電力系統(tǒng)的容量在不斷增大，同步發(fā)電機(jī)的單機(jī)容量也越來(lái)越大，大型機(jī)組不恰當(dāng)?shù)牟⒘胁僮鲗?dǎo)致嚴(yán)重后果。因此，對(duì)同步發(fā)電機(jī)的并列操作進(jìn)行研究，提高并列操作的準(zhǔn)確度和可靠性，對(duì)于系統(tǒng)的可靠運(yùn)行具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。同步發(fā)電機(jī)的并列遵循的原則：（1）并列斷路器合閘時(shí)，沖擊電流應(yīng)盡可能的小，其瞬時(shí)最大值一般不超過(guò)１～２倍的額定電流。（2）發(fā)電機(jī)組并入電網(wǎng)后，應(yīng)能迅速進(jìn)入同步運(yùn)行狀態(tài)，其暫態(tài)過(guò)程要短，以減少對(duì)電力系統(tǒng)的擾動(dòng)。第6頁(yè)/共45頁(yè)同步發(fā)電機(jī)的并列方法可分為準(zhǔn)同期并列和自同期并列兩種。在電力系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下，一般采用準(zhǔn)同期并列方法將發(fā)電機(jī)組投入運(yùn)行。（1）準(zhǔn)同期并列

也稱準(zhǔn)同步并列操作，是指發(fā)電機(jī)在并列合閘前已勵(lì)磁，當(dāng)發(fā)電機(jī)頻率、電壓相角、電壓幅值分別和并列點(diǎn)系統(tǒng)側(cè)對(duì)應(yīng)值接近相同時(shí)，將發(fā)電機(jī)斷路器合閘，完成并列操作。3．并列操作的方法第7頁(yè)/共45頁(yè)特點(diǎn)：并列時(shí)沖擊電流小，不會(huì)引起系統(tǒng)電壓降低；但并列操作過(guò)程中需要對(duì)發(fā)電機(jī)電壓、頻率進(jìn)行調(diào)整，并列時(shí)間較長(zhǎng)且操作復(fù)雜。適用場(chǎng)合：由于準(zhǔn)同期并列沖擊電流小，不會(huì)引起系統(tǒng)電壓降低，所以適用于正常情況下發(fā)電機(jī)的并列，是發(fā)電機(jī)的主要并列方式，但因?yàn)椴⒘袝r(shí)間較長(zhǎng)且操作復(fù)雜，故不適于緊急情況的發(fā)電機(jī)并列。第8頁(yè)/共45頁(yè)（2）自同期并列也稱自同步并列操作，是指將未加勵(lì)磁、接近同步轉(zhuǎn)速的發(fā)電機(jī)投入系統(tǒng)，隨后給發(fā)電機(jī)加上勵(lì)磁，在原動(dòng)轉(zhuǎn)矩、同步力矩作用下將發(fā)電機(jī)拉入同步，完成并列操作。特點(diǎn)： 在并列過(guò)程中不存在調(diào)整發(fā)電機(jī)電壓、頻率問(wèn)題，并列時(shí)間短且操作簡(jiǎn)單，在系統(tǒng)頻率和電壓降低的情況下，仍有可能實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的并列；容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；但并列發(fā)電機(jī)未經(jīng)勵(lì)磁，并列時(shí)會(huì)從系統(tǒng)吸收無(wú)功，造成系統(tǒng)電壓下降，同時(shí)產(chǎn)生很大的沖擊電流。適用場(chǎng)合： 適用于在電力系統(tǒng)故障情況下，有些發(fā)電機(jī)的緊急并列。第9頁(yè)/共45頁(yè)二.準(zhǔn)同期并列

設(shè)發(fā)電機(jī)電壓的角頻率為，電網(wǎng)電壓的角頻率為，它們間的相量差為。第10頁(yè)/共45頁(yè)當(dāng)電網(wǎng)參數(shù)一定時(shí)，沖擊電流的決定于合閘瞬間的電壓相量差。要求QF合閘瞬間的盡可能的小，其最大值應(yīng)使沖擊電流不超過(guò)允許值。最理想情況的值為零。這時(shí)QF合閘的沖擊電流也就等于零；并且希望并列后能順利進(jìn)入同步運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)電網(wǎng)無(wú)任何擾動(dòng)。所以并列的理想條件可表達(dá)為:第11頁(yè)/共45頁(yè)

在理想條件下進(jìn)行發(fā)電機(jī)并列合閘，沖擊電流等于零，并且并列后發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)立即進(jìn)入同步運(yùn)行，不發(fā)生任何擾動(dòng)現(xiàn)象。但是，實(shí)際運(yùn)行中很難使待并機(jī)組完全符合理想條件，三個(gè)條件很難同時(shí)滿足。其實(shí)在實(shí)際操作中也不必這樣苛求，只要沖擊電流較小，不危及電氣設(shè)備，合閘后發(fā)電機(jī)組能迅速拉入同步運(yùn)行，則發(fā)電機(jī)并列操作不致引起任何不良后果。因此，在實(shí)際并列操作中，允許偏離理想條件，偏離的允許范圍則需經(jīng)過(guò)分析確定。第12頁(yè)/共45頁(yè)

設(shè)發(fā)電機(jī)并列時(shí)的電壓相量如圖所示，即并列時(shí)：①發(fā)電機(jī)頻率等于電網(wǎng)頻率；②相角差等于零；③電壓幅值不等，。(一)電壓幅值差

第13頁(yè)/共45頁(yè)上述條件下，沖擊電流最大瞬時(shí)值為:式中、——發(fā)電機(jī)電壓、電網(wǎng)電壓有效值

——發(fā)電機(jī)直軸次暫態(tài)電抗

——電力系統(tǒng)等值電抗

第14頁(yè)/共45頁(yè)（2）沖擊電流的電動(dòng)力對(duì)發(fā)電機(jī)繞組產(chǎn)生影響，由于定子繞組端部的機(jī)械強(qiáng)度最弱，所以須特別注意對(duì)它所造成的危害。（1）沖擊電流主要為無(wú)功電流分量。（3）由于并列操作為正常運(yùn)行操作，沖擊電流最大瞬時(shí)值限制在1～2倍額定電流以下為宜。為了保證機(jī)組的安全，我國(guó)曾規(guī)定壓差沖擊并列電流不允許超過(guò)機(jī)端短路電流的1/20到1/10。（4）據(jù)此，得到準(zhǔn)同期并列的一個(gè)條件為：壓差不能超過(guò)額定電壓的5～10％。現(xiàn)在一些巨型發(fā)電機(jī)組更規(guī)定在0.1％以下，即希望盡量避免無(wú)功沖擊電流。第15頁(yè)/共45頁(yè)(二)合閘相角差設(shè)并列合閘時(shí)，斷路器兩側(cè)電壓相量如圖所示第16頁(yè)/共45頁(yè)

這時(shí)發(fā)電機(jī)為空載情況，電動(dòng)勢(shì)即為端電壓，并且與電網(wǎng)電壓相等，沖擊電流的最大瞬時(shí)值為：式中——系統(tǒng)電壓有效值；

——發(fā)電機(jī)交軸次暫態(tài)電抗；

——電力系統(tǒng)等值電抗。第17頁(yè)/共45頁(yè)當(dāng)相角差較小時(shí)，這種沖擊電流主要為有功電流分量；(2)合閘后發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)間立刻交換有功功率，使機(jī)組聯(lián)軸受到突然沖擊，這對(duì)機(jī)組和電網(wǎng)運(yùn)行都是不利的；(3)為了保證機(jī)組安全運(yùn)行，一般將有功沖擊電流限制在較小數(shù)值。第18頁(yè)/共45頁(yè)（三）頻率不相等滑差電壓原理圖

當(dāng)兩個(gè)交流電壓的頻率不等（但較接近），一般可用兩個(gè)有相對(duì)旋轉(zhuǎn)速度的矢量來(lái)表示它們。

第19頁(yè)/共45頁(yè)

兩個(gè)電壓相量同方向旋轉(zhuǎn)，兩者頻率之差稱為頻差，用表示，。兩者間的電角頻率之差稱為滑差角頻率，簡(jiǎn)稱滑差，用表示?；钪芷诙x為：

第20頁(yè)/共45頁(yè)式中、——發(fā)電機(jī)瞬時(shí)相角與母線瞬時(shí)相角。

很顯然，滑差有正負(fù)，其方向與所規(guī)定的參考量有關(guān)。圖中以系統(tǒng)電壓為參考矢量，當(dāng)時(shí)，；當(dāng)時(shí)，。反之，若以為參考矢量，則的方向恰好相反。

第21頁(yè)/共45頁(yè)（1）滑差或滑差周期都可以表示待并發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)之間頻率差的大小。（2）滑差大，則滑差周期短；滑差小，則滑差周期長(zhǎng)。（3）在有滑差的情況下，將機(jī)組投入電網(wǎng)，需要經(jīng)過(guò)一段加速的過(guò)程，才能使機(jī)組與系統(tǒng)在頻率上“同步”。加速或減速力矩會(huì)對(duì)機(jī)組造成沖擊。顯然，滑差越大，并列時(shí)的沖擊就越大，因而應(yīng)該嚴(yán)格限制并列時(shí)的允許滑差。（4）我國(guó)在發(fā)電廠進(jìn)行正常人工手動(dòng)并列操作時(shí)，一般取滑差周期在10～16s之間。第22頁(yè)/共45頁(yè)

當(dāng)初始角為零時(shí)，斷路器兩端的電壓為：其中為滑差角頻率第23頁(yè)/共45頁(yè)并列的同步過(guò)程分析當(dāng)發(fā)電機(jī)的電壓超前與電網(wǎng)電壓=>發(fā)電機(jī)發(fā)出功率（發(fā)電機(jī)狀態(tài)），同時(shí)制動(dòng)減速當(dāng)發(fā)電機(jī)的電壓落后與電網(wǎng)電壓=>發(fā)電機(jī)吸收功率（電動(dòng)機(jī)狀態(tài)），同時(shí)發(fā)電機(jī)加速。第24頁(yè)/共45頁(yè)自同期并列操作是將一臺(tái)未加勵(lì)磁電流的發(fā)電機(jī)組升速到接近于電網(wǎng)頻率，滑差角頻率不超過(guò)允許值，且機(jī)組的加速度小于某一給定值的條件下，首先合上并列斷路器接著立刻合上勵(lì)磁開關(guān)，給轉(zhuǎn)子加上勵(lì)磁電流，在發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢(shì)增長(zhǎng)的過(guò)程中，由電力系統(tǒng)將并列的發(fā)電機(jī)組拉入同步運(yùn)行。自同期并列最突出優(yōu)點(diǎn)是控制操作非常簡(jiǎn)單，限于當(dāng)時(shí)控制技術(shù)水平，在電力系統(tǒng)發(fā)生事故、頻率波動(dòng)較大的情況下，應(yīng)用自同期并列可以迅速把備用機(jī)組投入電網(wǎng)運(yùn)行，所以曾一度廣泛應(yīng)用于水輪發(fā)電機(jī)組，作為處理系統(tǒng)事故的重要措施之一。三自同期并列第25頁(yè)/共45頁(yè)自同期并列方式不能用于兩個(gè)系統(tǒng)間的并列操作。同時(shí)應(yīng)該看到當(dāng)發(fā)電機(jī)用自同期方式投入電網(wǎng)時(shí)，在投入瞬間，未經(jīng)勵(lì)磁的發(fā)電機(jī)接入電網(wǎng)，相當(dāng)于電網(wǎng)經(jīng)發(fā)電機(jī)次暫態(tài)電抗短路，因而不可避免地要引起沖擊電流。

另外，必須指出：發(fā)電機(jī)母線電壓瞬時(shí)下降對(duì)其它用電設(shè)備的正常工作將產(chǎn)生影響，為此也需受到限制，所以自同期并列方法現(xiàn)已很少采用。第26頁(yè)/共45頁(yè)第二節(jié)準(zhǔn)同期并列的基本原理

準(zhǔn)同期并列主要對(duì)脈動(dòng)電壓和滑差角頻率進(jìn)行檢測(cè)和控制，并選擇合適的時(shí)間發(fā)出合閘信號(hào)，使合閘瞬間的值在允許值以內(nèi)。檢測(cè)的信息也就取自QF兩側(cè)的電壓，而且主要是對(duì)進(jìn)行檢測(cè)并提取信息。第27頁(yè)/共45頁(yè)一脈動(dòng)電壓

(一)兩電壓幅值相等

為便于分析問(wèn)題，設(shè)待并發(fā)電機(jī)電壓與電網(wǎng)電壓的幅值相等，而與不等，因此與是作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)電壓相量。這時(shí)斷路器QF兩側(cè)間電壓差為：設(shè)初始角，則令則第28頁(yè)/共45頁(yè)波形可以看成是幅值為、頻率接近于工頻的交流電壓波形。又，為滑差角頻率。兩電壓相量間的相角于是由此可見(jiàn)，為正弦脈動(dòng)波，其最大幅值為（或），所以又稱為脈動(dòng)電壓。第29頁(yè)/共45頁(yè)脈動(dòng)電壓波形圖如用相量分析，則可設(shè)想系統(tǒng)電壓固定，而待并發(fā)電機(jī)的電壓以滑差角頻率對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)相角差從０到變動(dòng)時(shí)，的幅值相應(yīng)地從零變到最大值；當(dāng)從到(重合)變動(dòng)時(shí)，的幅值又從最大值回到零。轉(zhuǎn)動(dòng)一圈的時(shí)間為脈動(dòng)周期。第30頁(yè)/共45頁(yè)(二)兩電壓幅值不相等如果并列斷路器QF兩側(cè)的電壓幅值不相等，由相量圖，應(yīng)用三角公式可求得：當(dāng)時(shí)，為兩電壓幅值差；當(dāng)時(shí)，為兩電壓幅值和。第31頁(yè)/共45頁(yè)在波形中載有準(zhǔn)同期并列所需檢測(cè)的信息—電壓幅值差、頻率差以及相角差隨時(shí)間的變化規(guī)律。因而可以利用它為自動(dòng)并列裝置提供并列條件的信息以及選擇合適的合閘信號(hào)發(fā)出時(shí)間。兩電壓幅值不等時(shí)電壓波形如圖所示。UUxG-tUSTS2TS1oUUxG+第32頁(yè)/共45頁(yè)1電壓幅值差電壓幅值差為對(duì)應(yīng)于脈動(dòng)電壓波形的最小幅值通過(guò)對(duì)的測(cè)量，就可判斷和間的電壓幅值是否超出允許值。2頻率差和間的頻率差就是脈動(dòng)電壓的頻率。它與滑差角頻率的關(guān)系如下式所示：可見(jiàn)反映了頻率差的大小。要求小于某一允許值，就相當(dāng)于要求脈動(dòng)電壓周期大于某一個(gè)給定值。第33頁(yè)/共45頁(yè)例如，設(shè)滑差角頻率的允許值規(guī)定為0.2％，即

（rad/s）對(duì)應(yīng)的脈動(dòng)電壓周期值為:所以的脈動(dòng)周期大于10s才滿足小于0.2％的要求。這就是說(shuō)測(cè)量的值可以檢測(cè)待并發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)間的滑差角頻率的大小，即頻率差的大小。第34頁(yè)/共45頁(yè)3合閘相角差的控制最理想的合閘瞬間是在與兩相量重合的瞬間?？紤]到斷路器操作機(jī)構(gòu)和合閘回路的固有動(dòng)作時(shí)間，必須在兩電壓相量重合之前發(fā)出合閘信號(hào)，即取一提前量。以越前相角作提前量以越前時(shí)間作提前量恒定越前相角并列裝置恒定越前時(shí)間并列裝置第35頁(yè)/共45頁(yè)二自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置為了控制待并發(fā)電機(jī)組滿足并列條件，自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置設(shè)置了三個(gè)控制單元。自動(dòng)準(zhǔn)同期并列裝置組成第36頁(yè)/共45頁(yè)它的任務(wù)是檢測(cè)與間的滑差角頻率，且調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使發(fā)電機(jī)電壓的頻率接近于系統(tǒng)頻率。（1）頻差控制單元（2）電壓控制單元

它的功能是檢測(cè)與間的電壓差，且調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電壓，使它與間的電壓差值小于規(guī)定允許值，促使并列條件的形成。（3）合閘信號(hào)控制單元

檢查并列條件，當(dāng)待并機(jī)組的頻率和電壓都滿足并列條件，合閘控制單元就選擇合適的時(shí)間發(fā)出合閘信號(hào)，是并列斷路器QF的主觸頭接通時(shí)，相角差接近于零或控制在允許的范圍以內(nèi)。第37頁(yè)/共45頁(yè)同步發(fā)電機(jī)的準(zhǔn)同期并列裝置按自動(dòng)化程度分為：（1）半自動(dòng)準(zhǔn)同期并列裝置

這種并列裝置沒(méi)有頻差調(diào)節(jié)和電壓調(diào)節(jié)功能，只有合閘信號(hào)控制單元。并列時(shí)，待并發(fā)電機(jī)的頻率和電壓由投運(yùn)行人員監(jiān)視和調(diào)整，當(dāng)頻率和電壓都滿足并列條件時(shí)，并列裝置就會(huì)在合適的時(shí)間發(fā)出合閘信號(hào)。它與手動(dòng)并列的區(qū)別僅僅是合閘信號(hào)由該裝置經(jīng)判斷自動(dòng)發(fā)出，而不是由運(yùn)行人員手動(dòng)發(fā)出。第38頁(yè)/共45頁(yè)（2）自動(dòng)準(zhǔn)同期并列裝置如前圖所示，其中設(shè)置了頻率控制單元、電壓控制單元和合閘信號(hào)控制單元。由于發(fā)電機(jī)一般都配有自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)裝置，因此在有人值班的發(fā)電廠中，發(fā)電廠的電壓往往由運(yùn)行人員直接操作控制，不需要配置電壓差控制單元，從而簡(jiǎn)化了并列裝置的結(jié)構(gòu)；在無(wú)人值班的發(fā)電廠中，自動(dòng)準(zhǔn)同期并列裝置需設(shè)置具有電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)功能的電壓差控制單元。當(dāng)同步發(fā)電機(jī)并列時(shí)，發(fā)電機(jī)的頻率或電壓都由并列裝置自動(dòng)調(diào)節(jié)，使它與電網(wǎng)的頻率、電壓間的差值減小，當(dāng)滿足并列條件時(shí)。自動(dòng)選擇合適時(shí)機(jī)發(fā)出合閘信號(hào)。第39頁(yè)/共45頁(yè)三準(zhǔn)同期并列合閘信號(hào)的控制在準(zhǔn)同期并列操作中，合閘信號(hào)控制單元是準(zhǔn)同期并列裝置的核心部件，所以準(zhǔn)同期并列裝置原理也往往是指該控制單元的原理。其控制原則是當(dāng)頻率和電壓滿足并列條件的情況下，在與要重合的一個(gè)提前量之前發(fā)出合閘信號(hào)。裝置的邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖所示。第40頁(yè)/共45頁(yè)越前時(shí)間采用的提前量為恒定時(shí)間信號(hào)，即在脈動(dòng)電壓到達(dá)兩電壓相量重合（