电力系统自动装置第二章.ppt

第二章 同步发电机的自动并列 电力系统 自动装置原理 主要内容 概述1. 准同期并列的基本原理2. 自动并列装置的工作原理3. 频差与电压差调节的方法4. 微机型（数字型）并列装置的组成4. 电力系统 自动装置原理 第一节、概 述 并列 同步电机并入电网 系统间并列 电力系统运行中，任一母线电压瞬时值可表示为： 式中： 并列操作意义 电力系统 自动装置原理 概 述 (a) 电路示意(b) 相量图(c) 等值电路图 A B QF 0 QF 电力系统 自动装置原理 v同步发电机自动并列的条件和应遵守的原则 理想并列条件 并列的现实情况分析 同步电机并列应遵循的原则 并列断路器合闸时，冲击电流应尽可能的小，其瞬时 最大值一般不超过倍的额定电流。 发电机组并入电网后，应能迅速进入同步运行状态， 其暂态过程要短，以减少对电力系统的扰动。 概 述 电力系统 自动装置原理 SE G QF 概 述 发电机的并列方法 准同期并列：待并发电机组先加励磁电流，调节其端电压的状态 参数使之符合并列条件，再合上断路器QF。 自同期并列： 发电机事先未经励磁。将转子提到接近同步转速。 此法适用于小型机。 优点：快速、方便；控制简单。 缺点：冲击电流大； 引起系统电压突降；应用受限。 电力系统 自动装置原理 发电机G电压 系统电压 两者的电压差称为滑差电压 概 述 v发电机准同期并列条件的分析 A B QF 0 QF 电力系统 自动装置原理 概 述 (一) 电压幅值差 并列时: 频率 fG=fX 电压幅值UGUX 相角差e=0 冲击电流有效值： 冲击电流最大瞬时值： 冲击电流主要为 无功电流分量 电力系统 自动装置原理 概 述 (二) 合闸相角差 并列时: 频率 fG=fX 相角差e0 电压幅值UG=UX 冲击电流有效值： 冲击电流主要为 有功电流分量 电力系统 自动装置原理 概 述 (三)频率差脉动电压的表现形式 并列时: UG=UX ； 相量图 波形图 电力系统 自动装置原理 概 述 脉动电压的表现形式 脉动电压幅值 设：初始角 ，则： 电力系统 自动装置原理 概 述 滑差频率 相角差 滑差角频率、滑差频率、滑差周期（脉动周期） ： 于是： 电力系统 自动装置原理 概 述 频率不相等对待并发电机组暂态过程的影响 发电机组与电网间进行有功功 率交换取决于 与 的相角差 发电机发出功率，发电机将制 动而减速 发电机吸收功率，发电机将加 速 电力系统 自动装置原理 概 述 v早期准同期并列的方法： 将同步发电机调整到符合并联条件后进行并网操作， 分为直接接法（灯光熄灭法）和交叉接法（旋转灯光 法）两种。 (1)灯光熄灭法（暗灯法） 电网与同步发电机之间的三相并联开关两 侧接灯泡，称相灯，若三相相灯同明同暗，说 明相序正确；当三组相灯同时熄灭时，表示电 压差 ，即可并网合闸。 电力系统 自动装置原理 概 述 暗灯法接线和向量图 电力系统 自动装置原理 概 述 v 当不满足并网条件时，暗灯法所见的现象 频率不等：相灯将呈现同时暗、同时亮的交替变化现象 ，说明发电机与电网的频率不同，需调节原动机转速从 而改变发电机频率。 电压不等：三个相灯没有绝对熄灭的时候，而是在最亮 和最暗范围闪烁，需调节励磁电流从而改变发电机的端 电压。 相序不等：三个相灯明暗呈交替变化状态，说明发电机 与电网的相序不同,需对调发电机或电网的任意两根接 线。 相角不等：三组相灯不同时熄灭，不能合闸并网，需微 调节转速。 电力系统 自动装置原理 概 述 (2)旋转转灯光法 此方法比暗灯法容易实现实现 并网操作，一个相灯熄灭时灭时 ，另两个相灯亮度一样样；另 外可根据灯光旋转转方向判断 频频率大小。又称亮灯法。 旋转灯光法接线图 电力系统 自动装置原理 概 述 若发电机与电网频率不等，三个 同步指示灯将交替亮暗，形成灯光 旋转现象。调节发电机的转速，到 灯光不再旋转时，就表示频率相等 。 再调节发电机电压的大小和相位 ，直到一个相灯熄灭，另两个相灯 亮度一样，且AS、AG相电压表指示 为零时，即表示已满足并网条件。 电力系统 自动装置原理 概 述 v同期表 电力系统 自动装置原理 第二节、准同期并列的基本原理 v并列断路器主触头闭合瞬间所出现的冲击电流以及 进入同步运行的暂态过程，决定于合闸时的脉动电 压US和滑差角频率s。故准同期并列主要是对脉动 电压和滑差角频率进行检测和控制，并选择合适的 时间发出合闸信号。 电力系统 自动装置原理 第二节、准同期并列的基本原理 v 一、脉动电压分析 电力系统 自动装置原理 准同期并列的基本原理 脉动电压中包括信息如下： 1）电压幅值差。最佳为 的值最小，二电压重合时判别。 2）频率差，显示出相角差随时间变化的规律。 要求 小于某一允许的值，相当于要求脉动电压周期 大于某一给 定的值。 最佳是在 与 重合时合闸，即相角差为零时（相量重合）幅值差 最小，考虑动作时间，要提前。 3）根据相角差的变化规律，可求得合闸指令最佳发出时机。 可采用两种方式 恒定越前相角准同期 恒定越前时间准同期 电力系统 自动装置原理 准同期并列的基本原理 v二、准同期并列装置 图2-8 准同期并列装置主要组成部 件 电力系统 自动装置原理 准同期并列的基本原理 v二、准同期并列装置 1、并列装置的构成 见图2-8. 2、自动化程度一般分为 频率差控制单元 电压差控制单元 合闸信号控制单元 半自动 全自动 电力系统 自动装置原理 准同期并列的基本原理 三、准同期并列合闸信号的控制逻辑 1、恒定越前相角准同期 提前量信号取某一恒定相角 。 断路器的合闸时间为 。同期装置动作时间为 。 最佳滑差角频率 过零后合闸 过零时合闸 过零前合闸 电力系统 自动装置原理 准同期并列的基本原理 2、恒定越前时间准同期 提前量信号取恒定时间 3s w 理论上可以完全无冲击，但是动作时间存在误差，设 为允许合闸相角。 所以，还是要限制 电力系统 自动装置原理 准同期并列的基本原理 v 四、装置的整定 已知：两个区域电网的等值机系统如图所示，其电压幅 值相等，频率分别为：f1500.1cost Hz， f2=50+0.1sin2t Hz，现准备进行恒定越前时间准同期互 联操作，设远程通讯和继电器动作时间之和为0.14秒， 求调度中心发出合闸信号的时刻。 电力系统 自动装置原理 准同期并列的基本原理 v提示： 合闸相角差表达式为： 先不考虑提前量，则有： 考虑时间提前量0.14秒，则调度中心发出合闸信号的时刻可 为：3.6678秒，5.4769秒，等等。 电力系统 自动装置原理 电力系统 自动装置原理 电力系统 自动装置原理 电力系统 自动装置原理 逻辑关系满足即可以合闸 。 必须在 之前判定完毕 。 第三节、自动并列装置的工作原理 v 一、装置的控制逻辑 越前时间信号 电压差不允许 滑差不允许 与门 或 非 门 合闸信号 电压差、频率差判别区 电力系统 自动装置原理 正弦整步电压法 采用 与 直接做差，得到正 弦性的包络线来判别。误差较大。 自动并列装置的工作原理 v 二、并列的检测信号 两种方法应用于模拟式 并列装置中，实现检测 。 线性整步电压法 采用三角波（线性）的整步电压。 不考虑电压差，只考虑相角差。精 度较好。 电力系统 自动装置原理 自动并列装置的工作原理 （一）整步电压 1、正弦整步电压法 由图可知USZ不仅是相角差 的函数，而且还与电压差值有 关。这就使得利用USZ检测并 列条件的越前时间信号和频差 检测信号受电压影响，尤其是 造成越前时间信号的时间误差 ，成为合闸误差的主要原因之 一。因此，此方法被线性整步 电压的方法所代替。 电力系统 自动装置原理 自动并列装置的工作原理 2、线性整步电压法 线性整步电压只反映UG和UX间的相角差特性，而与它们 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，提高了并列装置的控制性能，因而被模拟 式自动并列装置广泛使用。 1）半波线性整步电压 其电路图见图2-14.其逻辑表达式为： 即只有两个三极管基极输入电压同时为负的瞬间，a点才为高电位。 电力系统 自动装置原理 自动并列装置的工作原理 v 当把uX1与uG2频率不同的两个电压分别引至VT1和VT2的基极时 ，a点电位是一系列幅值一定而宽度与相角差有关的矩形波。 如图2-15所示。 v 在相角差等于时，矩形最宽；在相角差等于0或2时，矩形 宽为0.所以，当相角差从0 变动时，矩形波宽度渐增；当 相角差从 2变动时，矩形波宽度渐减。这一系列矩形波 宽度的变化反映了发电机端电压与系统电压间相角差的变化。 v 把这一系列宽度不等的矩形波由图2-14中R7和C1组成的积分 电路进行积分，该积分电路是滤去高次谐波的低通滤波器，其 输出端为锯齿波形的三角波电压ua。见图2-16（b）。进一步 由双T型滤波器滤波后，得到三角波形特性。 电力系统 自动装置原理 自动并列装置的工作原理 v 半波线性整步电压讨论： v 只反映了发电机端电压与系统线电压间的相角差特性， 而与它们的幅值无关，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，提高了并列装置的性能；而 电压差的检测另设专门电路完成。 v 半波线性整步电压采用滤波器把高次谐波滤掉，在完全 理想的情况下才获得较为平滑特性，故滤波器的时间常 数将会影响其相移，且滑差角频率的变化对其也有一定 的影响，从而使控制合闸时间引入误差。 电力系统 自动装置原理 自动并列装置的工作原理 v 2）全波线性整步电压 v 其电路与逻辑见图2- 17.其由整形电路、相 敏电路、滤波电路和射 极跟随器输出组成。 v 其全波线性整步电压如 右图。 v 其比半波多了一倍矩形 脉冲，因而可适当减小 滤波器时间常数，使它 们的性能有所改善，一 般采用全波方案。 电力系统 自动装置原理 自动并列装置的工作原理 v （二）相角差 原理：矩形波的宽度（变化）与 相对应。在数字式准同期装置中采用 。 分析：假设系统频率为额定值50Hz，待并发电机频率低于50Hz。 计算公式： 三角形上升边 三角形下降边 电力系统 自动装置原理 准同期并列的基本原理 v 上式中x和i的值，CPU可从定时计数器读入求得 。如采用线性整步电压全波电路，则每一个工频 （约20ms）可作两次计算，CPU可记录相角差的 轨迹如下： 恒定等速变化 电力系统 自动装置原理 准同期并列的基本原理 v 三、并列合闸控制 （一）恒定越前时间 微机型数字式自动并列装置利用相角差轨迹，采用较严密的数 学模型，计算求得的恒定越前时间，具有相当的准确性。首先按 下式求得恒定越前时间所对应的最佳导前合闸相角YJ，还可方便 计及e含有加速度情况： si计算点的滑差角速度 i和i-1分别为本计算点和上一计算点的角度值 2 x两计算点间时间 tDC中央处理单元发出合闸信号到断路器主触头闭合时需经时间 电力系统 自动装置原理 准同期并列的基本原理 为计算允许误差，否则有可能错过合闸时刻。 tDC=tQF+tc tQF为断路器的合闸时间 tc为出口继电器动作时间 由于两相邻计算点间的s变化甚微， si一般可经若干计 算点后才计算一次，所以： 据以上分析，发出合闸信号的条件： 电力系统 自动装置原理 准同期并列的基本原理 （二）频差检测 1）频率差检测是在恒定越前时间之前完成的检测任务，用来判别是否 符合并列条件。 si的值可以每一工频周期计算一次。由si在已知时段（t）间的变 化还可求得 ，其说明待并机组的转速尚未稳定，还在 升速或减速之中，如其值过大，并往后进入同步运行的暂态过程较 长甚至失步，因此宜作为并列条件之一加以限制。 2）频率差检测也可以用直接测量两并列电压频率的方法，求得频率差 值以及频率高、低的信息。数字电路测量频率的基本方法是测量交 流信号的周期T。其典型线路如图2-24. 如可编程定时/计数器的计时脉冲频率为 ，则交流电压的周期T： T=N/fc 于是求得交流电压的频率为 电力系统 自动装置原理 准同期并列的基本原理 （三）电压差检测 a、直接读入法：采用交流采样 A/D CPU b、直接比较法：例图2-25（b） 电力系统 自动装置原理 准同步并列装置的构成 电力系统 自动装置原理 第四节、频率差与电压差的调整 一、频率差调整 频率差调整的任务是将待并发电机的频率调整到接近于 电网频率，使频率差趋向并列条件允许范围。 1.频率差检测 设fz为允许频率差 不发调速脉冲， 进行越前时间合 闸控制计算。 发调速脉冲， 不进行越前时间 合闸控制计算。 输出减速脉冲信号 输出加速脉冲信号 电力系统 自动装置原理 第四节、频率差与电压差控制 2、调节量控制 发电机的转速按照比例调节准则，要求输出的调 节脉冲时间与频率差值成正比。 频率差调整输出的过程通道为执行继电器，继电 器动作控制调速电动机工作。 v二、电压差调整 其任务是在并列操作中自动调节待并发电机的电 压值，使电压差调件符合并列的要求。其实施原理与频 率差调整相似