電力系統(tǒng)自動控制與裝置(第二章)

電力系統(tǒng)自動裝置原理任課老師：梁清清E-mail:361173978@Tel程：電力系統(tǒng)自動裝置原理2第二章同步發(fā)電機的自動并列第一節(jié)概述第二節(jié)準同期并列的基本原理第三節(jié)自動并列裝置的工作原理第四節(jié)頻率差與電壓差的調整第五節(jié)數(shù)字式并列裝置的組成課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理3第一節(jié)概述一、并列操作的意義

任一母線電壓瞬時值可表示為：式中，Um為電壓幅值，ω為電壓的角頻率，φ為初相角。

Um、ω、φ被指定為運行母線電壓的狀態(tài)量。同步運行：發(fā)電機發(fā)出電力的頻率與電網(wǎng)頻率相同。課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理4一、并列操作的意義1.并列操作的定義：對待并發(fā)電機組進行必要的適當調節(jié)，使之在滿足并列運行條件下，經(jīng)斷路器QF合閘投入電網(wǎng)作并網(wǎng)運行的操作。2.并列運行的條件

待并同步發(fā)電機與電網(wǎng)的：相序相同；電壓的大小相等；電壓的相位相同；頻率相等。課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理5一、并列操作的意義3.并列操作的意義（1）隨著負荷的波動，系統(tǒng)中發(fā)電機運行的臺數(shù)在不停的改變；當某些發(fā)電機組發(fā)生故障的時候，常要求將備用發(fā)電機組迅速投入電網(wǎng)運行。（2）由于某些原因，解列運行的電網(wǎng)需要聯(lián)合運行，這就需要兩個電網(wǎng)之間實行并列操作。（3）系統(tǒng)的容量在不斷擴大，發(fā)電機單機容量也越來越大，不恰當?shù)牟⒘胁僮鲗е潞蠊苍絿乐?。在電力系統(tǒng)運行中并列操作是較為重要又頻繁的。課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理6一、并列操作的意義4.并列操作應遵循的原則沖擊電流應盡量小瞬時最大值一般不超過1~2倍的額定電流進入同步運行時間要短，以減小對系統(tǒng)的擾動。課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理7同步發(fā)電機并列操作方法介紹準同期并列（廣泛采用）：發(fā)電機在并列合閘前已加勵磁，當發(fā)電機電壓的幅值、頻率、相位分別與并列點系統(tǒng)側電壓的幅值、頻率、相位接近相等時，將發(fā)電機斷路器合閘，完成并列操作。優(yōu)點：并列時沖擊電流小，不會引起系統(tǒng)電壓降低。不足：并列操作過程中需要對發(fā)電機電壓、頻率進行調整，并列時間較長且操作復雜。

課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理8Xsysxx二、準同期并列課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理9二、準同期并列1、準同期并列的理想條件設定：發(fā)電機電壓UG角頻率ωG，電網(wǎng)電壓Ux角頻率ωx，兩電壓間相量差為。當電網(wǎng)參數(shù)一定時，沖擊電流取決于合閘瞬間的。理想條件：（1）ωG=ωx或者fG=fx（頻率相等）（2）UG=Ux（電壓幅值相等）（3）δe=0（相角差為零）課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理10二、準同期并列2、準同期并列的理想條件不滿足時對系統(tǒng)的影響（一）電壓幅值差ωG=ωx或者fG=fx（頻率相等）δe=0（相角差為零）UG≠Ux（電壓幅值不相等）此時，沖擊電流有效值為：沖擊電流瞬時最大值為：

沖擊電流主要為無功電流分量。課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理11二、準同期并列此時，發(fā)電機為空載情況，沖擊電流有效值為：當相角較小時，沖擊電流主要為有功電流分量。為了保證機組安全運行，一般將有功沖擊電流限制在較小數(shù)值。2、準同期并列的理想條件不滿足時對系統(tǒng)的影響（二）合閘相角差UG=Ux（電壓幅值不相等）ωG=ωx或者fG=fx（頻率相等）δe≠0（合閘瞬間存在相角差）課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理122、準同期并列的理想條件不滿足時對系統(tǒng)的影響（三）頻率不相等

此時，斷路器QF兩側間電壓差us的瞬時值可描述為：二、準同期并列UG=Ux（電壓幅值不相等）ωG≠ωx或者fG≠fx（頻率不相等）δe≠0（合閘瞬間存在相角差）課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理13

（三）頻率不相等，UG=Ux

其中，滑差角頻率：課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理14由可以看出：發(fā)電機與電網(wǎng)之間電壓相量之差us的波形可以看成是幅值為Us，頻率接近于工頻的交流電壓波形。發(fā)電機電壓和電網(wǎng)電壓之間的相角差為：于是，us的幅值Us：

由此可見，us為正弦脈動波，其最大幅值為：2UmG或2Umx。（三）頻率不相等課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理15藍色：UG

f＝51Hz，幅值UmG=1紅色：Ux

f＝50Hz，幅值Umx=1δe相角差為0US幅值最小，為0δe相角差為0US幅值最小，為0δe相角差最大，為πUS幅值最大，為2UmG課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理16其中，fs為滑差頻率，那么：

轉動一圈的時間為脈動周期Ts：當相角差從0到

π度時，Us

的幅值相應的從零到最大值2UmG；當相角差從

π度到2π時，Us

的幅值又從最大值回到零。課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理17頻率不相等的影響（1）脈動周期Ts、滑差頻率fs、滑差角頻率ωs都可以用來表示發(fā)電機頻率與電網(wǎng)頻率之間的差值。（2）相角差δe是時間的函數(shù)，所以合閘相角信號差與發(fā)出合閘信號的時間有關。合閘時間恰當，合閘相角差很小，沖擊電流很小。合閘時間不恰當，合閘相角差大，沖擊電流很大。（3）如果并列頻率差值很大，即使合閘時相角差很小，滿足要求，但這時發(fā)電機需要很長一段時間才能進入同步過程，嚴重時甚至失步，因而也是不允許的。課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理18δe0ωs0待并電機組進入同步運行過程發(fā)電機狀態(tài)電動機狀態(tài)ωG=ωxωG<ωx，δe<0ωG=ωx課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理19同步發(fā)電機并列操作方法介紹自同期并列（已很少采用）：將未加勵磁、接近同步轉速的發(fā)電機投入系統(tǒng)，隨后給發(fā)電機加上勵磁，在原動機轉矩、同步力矩的作用下將發(fā)電機拉入同步，完成并列操作。優(yōu)點：不存在調整發(fā)電機電壓、頻率的問題，并列時間短且操作簡單，在系統(tǒng)電壓和頻率降低的情況下，仍有可能將發(fā)電機并入系統(tǒng)，容易實現(xiàn)自動化。不足：并列發(fā)電機未經(jīng)勵磁，并列時會從系統(tǒng)中吸收無功而造成系統(tǒng)電壓下降，同時產(chǎn)生很大的沖擊電流。自同期并列方式不能用于兩個系統(tǒng)間的并列操作。課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理20自同期并列沖擊電流：發(fā)電機母線電壓：可見，當機組一定時，其沖擊電流主要取決于系統(tǒng)的情況。三、自同期并列課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理21第二節(jié)準同期并列的基本原理一、脈動電壓

沖擊電流及進入同步運行的暫態(tài)過程，決定于合閘時脈動電壓Us值和滑差角頻率ωs。脈動電壓：

Us

為正弦脈動波形，它的最大幅值為：2Umx（或2UmG）。脈動周期Ts

：課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理22當UG=Ux

時，Us

脈動電壓波形：ωs1ωs22Umx<>理想合閘時間課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理23當UG≠Ux

時，Us脈動電壓波形：其中：當時，，為兩電壓幅值之差；

時，，為兩電壓幅值之和。

當課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理24脈動電壓在自動并列裝置中的作用：Us脈動電壓波形中，載有準同期并列所需檢測的信息：

電壓幅值差、頻率差以及相角差隨時間變化的規(guī)律并列兩側電壓為自動并列裝置提供并列條件信息以及供選擇合適的合閘信號發(fā)出時機。課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理251.

電壓幅值差

對應脈動電壓Us波形最小幅值：2.

頻率差

fs課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理263.合閘相角差δe的控制必須在兩電壓相量重合之前發(fā)出合閘信號，即是要提取一個提前量：在UG和Ux兩相量重合之前恒定角度δYJ

發(fā)出合閘信號，稱為恒定越前相角并列裝置。在UG和Ux兩相量重合之前恒定時間tYJ發(fā)出合閘信號，稱為恒定越前時間并列裝置。課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理27二、準同期并列裝置1.控制單元（1）頻率差控制單元檢測滑差角頻率，調節(jié)待并發(fā)電機轉速。（2）電壓差控制單元檢測電壓差，調節(jié)待并發(fā)電機電壓。（3）合閘信號控制單元檢查并列條件（特別是要檢測相角差）課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理282.自動化程度分類（1）半自動并列裝置這種裝置沒有頻率差和電壓差控制單元，只有合閘控制單元，待并發(fā)電機的頻率和電壓只能靠運行工作人員監(jiān)視。（2）自動并列裝置

設有頻率差和/或電壓差控制單元，同時也有合閘控制單元，當滿足并列條件的時候，自動選擇合適時機發(fā)出合閘信號，整個過程無需運行人員參與。課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理29課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理30三、準同期并列合閘信號的控制邏輯準同期并列裝置中，合閘信號控制單元是核心部件?？刂圃瓌t：頻率和電壓都滿足并列條件的情況下，在

uG和

ux

兩向量重合之前發(fā)出合閘信號。課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理31（一）恒定越前相角準同期并列UA課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理32（二）恒定越前時間準同期并列δYJ2δYJ1δYJ3Us2Us1Us3課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理33四、恒定越前時間并列裝置的整定計算1.越前時間：

tc——自動裝置合閘信號輸出回路的動作時間。2.允許電壓差：

（0.1-0.15）UN（UN為額定電壓）。3.允許滑差角頻率：（rad）課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理34例2-1：課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理35第三節(jié)自動并列裝置的工作原理一、裝置的控制邏輯

恒定越前時間準同期并列裝置中的合閘信號控制單元由滑差角頻率檢測、電壓差檢測和越前時間信號環(huán)節(jié)組成。

控制邏輯如下圖所示：課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理36裝置邏輯控制時間配合關系：δe=0課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理37主要分析如何從UG和Ux中獲取滑差角頻率、相角差信號，以便于在合適的時機進行并列操作。并列的檢測信號由Us＝UG－Ux獲得。（一）整步電壓自動并列裝置檢測并列條件的電壓，稱為整步電壓。1.正弦型整步電壓

電壓差的包絡線波形為正弦型，稱為正弦型整步電壓，是早期準同步并列裝置所采用的測量信號。二、并列的檢測信號課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理38usus.settt正弦整步電壓為：式中，Kz為整流系數(shù)。整流裝置課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理39

Us.set不僅是相角差的函數(shù)，而且還與電壓差值有關。使得利用Us.set檢測并列條件的越前時間信號和頻率檢測信號引入了電壓影響的因素，成為合閘誤差的主要原因之一。usus.settt課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理402.線性整步電壓：只反映

UG和Ux

之間的相角差特性，與它們的電壓幅值無關，從而使越前時間信號和頻率差的檢測不受電壓幅值的影響。分為：半波線性整步電壓和全波線性整步電壓。（1）半波線性整步電壓

主要由相敏、積分和雙T型濾波器等電路組成。

相敏電路：一系列幅值一定而寬度與相角差有關的矩形波。

積分電路：將相敏電路輸出的矩形進行波濾去其高次諧波，輸出鋸齒形三角波。

雙T型濾波器：將積分電路輸出的波形進一步濾波，得到三角形特性的波形，即是三角波整形電壓。課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理41課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理42相敏電路課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理43積分電路課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理44課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理45線性整步電壓uSL與相角差δe之間的關系圖：數(shù)學描述為：課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理46線性整步電壓只反映UG和Ux間的相角差特性，而與他們的電壓幅值無關，從而使越前時間信號和頻率差的檢測不受電壓幅值的影響。因而被廣泛采用。半波線性整步電壓采用濾波器，濾調高次諧波，在完全理想狀況下才能獲得較為平滑的特性。然而濾波器的時間常數(shù)會影響相移，從而使控制合閘時間引入誤差。課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理47（2）全波線性整步電壓由電壓變換、整形電路、相敏電路、低通濾波電路和射級跟隨器組成。課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理48整形電路：將待并發(fā)電機電壓與電網(wǎng)電壓的正弦波轉換成與之頻率和相位相同的一系列方波。課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理49uGuxuAuB課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理50相敏電路：將整形電路得到的一系列方波轉換成矩陣波寬度與相角差有關的一系列矩形波。課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理51相敏電路&&課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理52相敏電路uGuxuAuBuy課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理53濾波電路和射級跟隨器輸出：濾波電路和射極跟隨器是將相敏電路輸出的矩形波轉換成三角波形。課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理54uGuxuAuBuy課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理55此時，整步電壓數(shù)學描述為：課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理56全波線性整步電壓較半波多了一倍脈沖，因而可以適當減小濾波器時間常數(shù)，使它的性能有所改善，所以一般采用全波方案。課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理57滑差角頻率

ωs

值不同時，如下圖所示。三角波電壓是可以檢測

ωs

的大小，以及求得相位重合前的恒定越前時間信號。課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理58（二）相角差δe(t)的實時檢測線性整步電壓與相角差的對應關系：矩形波的寬度。因此，矩形波寬度實時記錄，對應著相角差的運動軌跡，其中會載有除電壓幅值外極其豐富的并列條件信息，其作用與整步電壓相似。課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理59矩形波寬度軌跡載有豐富的并列條件信息：數(shù)字式并列裝置可以充分利用高速運算的優(yōu)勢，充分利用相角差信息，提高并列裝置的合作控制技術水平。課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理60相角差測量方案方波輸入電平不同時，異或門的輸出為高電平，用于控制可編程定時計數(shù)器的計數(shù)時間，其計數(shù)值

N

即與兩波形的相角差相對應。CPU可讀取矩形波的寬度

N值，求得兩電壓間相角差的變化軌跡。課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理61ττxτgτ1τ2τ3τi課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理62由此可以知道，通過矩形脈沖信號可以實現(xiàn)對相角差的檢測。矩形波的寬度τi與相角差δi相的對應關系：δe(t)軌跡：課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理63課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理64三、并列合閘控制（一）恒定越前時間電子模擬式自動并列裝置，用電阻、電容元件作為比例、微分的運算器件，在線性整步電壓作理想化假設條件下，求解兩電壓相量重合之前的恒定越前時間tYJ。微機型數(shù)字式自動并列裝置利用

δe(t)軌跡，利用較嚴密的數(shù)學模型，計算求得的恒定越前時間

tYJ，較符合脈動電壓的實際規(guī)律，具有相當準確性。第三節(jié)自動并列裝置的工作原理課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理65在數(shù)字式自動準同期裝置中，恒定越前時間tYJ所對應的越前相角δYJ可以用下式來計算，其中還可以計及δe含有加速度的情況：其中，課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理66微機型處理準同期并列裝置突出優(yōu)點：可以方便的考慮頻率差的變化規(guī)律。課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理67恰當合閘時間的確定：在合閘并列前，首先將上面計算得到的越前相角δYJ和當前計算點的相角δi進行比較，如果下式成立，則發(fā)出合閘信號：如果：

又

則繼續(xù)進行下一點計算，直到滿足合閘條件為止。課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理68課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理69錯過合閘時機：

越前角δYJ與本計算點的δi比較有可能出現(xiàn)如下情況：

此時就稱為錯過了合閘時機。

課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理70課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理71（二）頻率差檢測1.

間接檢測：利用相滑角差軌跡中含有滑差角頻率信息檢測?；罱穷l率可以每一工頻周期（20ms）計算一次。同時也可以計算滑差角頻率的一階導數(shù)，也就是變化速度。可以作為并列條件加以限制。（尤其對于啟動水輪發(fā)電機要求快速并網(wǎng)的操作而言，就很有必要設置變化速度限制，作為防止操之過急的技術措施。）課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理722.

直接檢測直接測量兩并列電壓頻率，求得頻率差值。數(shù)字電路測量頻率的方法是測量交流信號的周期

T，如下圖：

高電平開始計數(shù)，下降沿停止計算，讀取計數(shù)值

N。如可編程計數(shù)器的計數(shù)脈沖頻率為

fc：課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理73（三）電壓差檢測

直接讀入電壓UG和Ux，再進行比較:課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理74第四節(jié)頻率差與電壓差的調整一、頻率差調整頻率差調整的任務：將待并發(fā)電機的頻率調整到接近于電網(wǎng)頻率，使得頻率差趨向于并列條件允許的范圍，以促成并列的實現(xiàn)。頻率差控制由頻率差測量和調節(jié)量控制兩部分組成。頻率差測量：判別待并發(fā)電機電壓和電網(wǎng)電壓之間頻率差的大小，作為是否需要調速的依據(jù)。調節(jié)量控制：按照比例調節(jié)的要求參照發(fā)電機組的轉速特性，控制輸出脈沖時間長短。課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理751.頻率差測量

參照數(shù)字式頻率測量的方法，自動并列裝置可直接測量UG、Ux兩并列電壓的頻率

fG、fx，然后進行計算判別。當，設定的允許頻率差：則不發(fā)調速脈沖，進行越前時間合閘控制計算。當，設定的允許頻率差：則發(fā)調速脈沖，不進行越前時間合閘控制計算。課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理762.調節(jié)量控制發(fā)電機的轉速按照比例調節(jié)準則，要求輸出的脈沖時間與頻率差值成比例。而且各個發(fā)電機組轉速調整特性并不一致，因此調節(jié)量與被調量的關系，即調節(jié)系數(shù)隨機組而異。頻率差調整輸出的過程通道為執(zhí)行繼電器，繼電器控制調速機工作，繼電器工作時間與輸出調節(jié)脈沖時間長短有關。課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理77二、電壓差調整電壓差調整的任務：將發(fā)電機的電壓調整到趨向于并列條件允許的范圍。電壓差的實施原理和頻率差極其類似，實施原則可參考頻率差控制。可間接測量電壓幅值，再進行比較；也可以直接測量電壓差值，控制并列條件。課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理78第五節(jié)數(shù)字式并列裝置額組成一、概述模擬式并列裝置存在的主要問題：模擬式并列裝置是認為

ωs

是勻速的，但實際上是多變的，如系統(tǒng)頻率不很穩(wěn)定或發(fā)電機轉速是變化的，都會有不同程度的加速度。特別是對合閘時間較長的斷路器，合閘瞬間相角差會很大，引起很大的沖擊電流。為了獲得穩(wěn)定的

ωs

，把并列過程拉得很長。另外，由于裝置元件老化或因溫度變化引起的參數(shù)變化，也將使導前時間產(chǎn)生誤差。課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理79數(shù)字式并列裝置定義及主要特點定義：借助于大規(guī)模集成電路中央處理單元（CPU）的高速處理信息能力，利用編制的程序，在硬件配下實現(xiàn)發(fā)電機并列操作。主要特點：由于利用微處理器具有高速運算功能和邏輯判斷能力，使對機組的調節(jié)更加快速，更加精確，在頻差滿足要求后，隨時確定理想導前相角，使合閘瞬間沖擊電流更小，同期過程縮短。課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理80數(shù)字式并列裝置定義及主要特點優(yōu)勢：CPU的指令周期以微秒計，這對于發(fā)電機頻率為50hz，每周期20ms的信號來說，可以具有足夠充裕的時間進行相角差和滑差角頻率近乎瞬時值的計算。組成：數(shù)字式由硬件和軟件組成，兩者協(xié)調配合完成同步發(fā)電機組的并列控制任務。課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理81二、硬件電路課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理82（一）主機CPU和存貯器（RAM、ROM）一起稱為主機?？刂茖ο筮\行變量的采樣輸入存放在RAM內(nèi)；固定的參數(shù)和設定值以及編制的程序，則固化存放在EPROM內(nèi)。自動并列裝置的重要參數(shù)：斷路器合閘時間、頻率差和電壓差允許值、轉差角加速度計算系數(shù)、頻率和電壓控制調節(jié)的脈沖寬度等，存放在EEPROM中。課程：電力系統(tǒng)自動裝置原理83（二）輸入、輸出接口電路在計算