（电气工程专业论文）基于模糊积分控制的双处理系统自动准同期装置的研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 电力系统运行中发电机的并网操作是一项基本的操作，它在操作准确、并网迅 速的前提下。要求有极高的可靠性与稳定性来保证安全。随着电力系统容量的不断 增大和系统结构的日渐复杂，对电力系统自动装置的要求进一步提高。而准同期装 置作为并网操作的自动控制装置，现代电力系统对它的可靠性、准确性、快速性提 出了更高的要求。 本文通过对准同期理论及现有同期装置原理及性能的分析，明确了所研制的新 型微机自动准同期装置具备的主要功能。在准同期装置的研究过程中针对其可靠 性、调节的快速性及稳定性、装置性价比等方面进行了深入的研究。 论文根据同期点的电气特性，建立了准确的合闸角数学模型，采用预测合闸时 间的方法，使装置在频差和压差满足条件时能在第一个滑差周期内实现无冲击合闸。 文中介绍了模糊控制的基本理论，考虑到水轮机组的非线性、时变性和滞后性等特 点，提出了采用模糊一积分控制算法实现同期过程中对频差和压差的调节。该算法 能消除基础模糊控制的稳态误差，使调节过程更稳定。文中通过眦t l a b 软件对算法 进行了仿真。仿真结果和装置试验验证了模糊一积分算法的有效性。 为了满足大型水轮发电机组对同期并网的高可靠性要求，装置在硬件系统采 用了双机热备用( 即一主一备) 方式，当主处理系统故障时，能自动切换到备用处理 系统工作，提高了装置的可靠性。微处理系统由嵌入式高性能单片机及其外围电 路构成，并采用总线不出芯片设计模式，使装置结构简单、电磁兼容能力强。 装置采用模块化和开放性设计思想，集采集、调节、通信、记录等功能于一体， 具有简单、准确、速度快、高抗干扰、高可靠性等特点。该装置经相关机构检测， 证明了本文提出的设计方案及相关算法的正确性及可行性。 关键词：自动准同期，双处理系统，嵌入式，模糊一积分控制 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t s y n c h r o n i z a t i o nm a n i p u l a t i o no fg e n e r a t o r si sq u i t ee s s e n t i a li nt h eo p e r a t i o no f p o w e rs y s t e m i no r d e rt oo p 础c o r r e c t l ya n dp a r a l l e lr a p i d l y , i td e m a n d sh i g h e r r e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yt oa 叫瓣i t 翻；c ：l j r e w i t ht h eg r o w i n go ft h ep o w e rs y s t e m , i ti s n e c e s s a r y t op r o m o t et h et e e l m o l o g yo f a u t o m a t i cc o n l z o li np o w e rs y s t e m t h ea u t o m a t i c s y n c h r o n i z ed e v i c e ，1 , e i n gu s e df o rs y n e l a r o n i z a t i o no p e r a t i o n , i ss t r i c t l yr e q u i r er e l i a b i l i t y , a c c u r a c ya n dr a p i d i t y i nt h i sp a p e r , dh a v i n g 锄扭i 刚s y a e h r o n i z a t i o nt l l e o r ya n dp r e s e l l td e v i c e , t h em a i n f u n c t i o nr e q u e s t st h 砒t h ed e v i c en e e dh a v e 戤p i 联潮曲e d ，w h i e l ai si n d i s p e n s a b l et o d e v e l o pt h en 删m i c r o c o m p u t e ra u t o m a t i cq u a s i - s y a e h r o n i z a t i o l a a ni n - d e l r d ls t u d yh a s b e e nc a r r i e do na s p e c t so fr e l i a b i l i t y , s t a b i l i t ya n dl , c r f o r m a l 州e er a t i oo ft h ed 髓i d u r i n gt h ep e r i o do f d e v i c ed e v e l o p m e n t a c c o r d i n gt ot h ed e c t r i e i t yc ：h l l i a c t 盯o fs y n e l a r o n i z a l i o np o i n t , c o i t c c tm a t h e m a t i c s m o d e lo f s w i t e h i n ga n g l ei sb u i l t t h ep r e d i c t e dn l c t h o do f s w i t c h i n gt i m ec 趾m a l 【ed o s e w i t h o u ti m p a c ti nt h ef i r s ts l i p p a g ec y c l i c , w h e nf r e q u e n c yd i f f e r e n c ea n dv o l t a g e d i f f e r e n c ea 聆a c c e p t a b l e t h eb a s i ct h e o r yo ff u z z ye o n l r o li sa l s oi n l r o d u e c di n t h i s p a p e r ac o n s i d e r a t i o no fn o n - l i n e a r i t y , t i m e - v 缸i a t i o na n dl a go fw l l l g rt u r b i n e , f u z z y - i - c o n l r o la l g o r i t h mi sa d o l ，t e df o r 删u s t i n gt h ef r e q u e n c yd i f f e r e n c ea n dv o l t a g e d i f f e r e n c ei ns y a e h r o n i z a t i o nc o l , l r 舱i t 嗽e l i m i n a t es t e a d y - s t a t ee , n m o r ，s ot h e 确u s t i n g c o u l t 鬻g e t si n t os t e a d y t h ee m u l a t i o no fa l g o r i t h mh a sb e e nt a k e nb ym a t l a b t h e e m u l a t i o nr e s u l ta n dt h ee x p e r i m e n th a v ec m 矗c m e di te f f e e t i v e t om e e tt h en e e d so ft h eh i g hr e l i a b i l i t yo fl a r g e s c a l ew 锄盯t u r b i n es w i t c h i n gi n p o w e rl i n e , t h ed u a i - c p i js y s t e ms m l e u l r ei su s e di nh 2 r d w a r ca r c h i t e c t u r e w h e nt h e w o r k i n gc p us y s t e mg o e sw r o n g , t h ed e 、r i a u t o m a t i c a l l ys w i t e l a e st ot h es t a n d b y p r o c e s s o rs y s t e m t h i sr u m l i n g 弘懒n 啪s t l e n g t t h e nt h ei n s t a l l m e n tr e l i a b i l i t y t h e m o t h e r b o a r d , c o n s i s l j n go f t l a es i n g l e - c h i pe o n l p u t c r , i sb u s - i n - e l a i ps y s t e m i t ss m l e t u r e i ss i m p l e , s u c c i n c t 缸d b e t t e r p e r f b 册a n c e o f e l e e l r o m a g n e t i e c o m p a t i b i l i t y t h i ss y a e h r o n i z a t i o l at t e - i v i c e ，w h i c hi sb a s e d0 1 3t w os i n g l e - c h i ps y s t e m s w h o f l ei r e s i sw i t h i n 螂，锄a c h i e v ea c q u i s i t i o n , a d j u s t n l e n t , c o m m u n i c a t i o n sa n dl r a e kr e c o r da n d c t c 0 p e n i n gd e s i g ni d e a5 a sb e e nu t i l i z e dw h e nd e s i g n i n g i th a st h ed 珊嗡c 把r i s 6 璐o f s i m p l e 咖c t 嗽a c e u r a t e l ra e l i o n , f a s ts p e e d , a n t i - i n t e r f e r e n c ea n dr e l i a b i l i t y 柚de t c i t h a sb e e nt e s t e db y 优娶喇e o e m e d t h es o l u t i o na n da l g o r i t h mp r e s e n t e di nt h e 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 p a p e ra r ep r o v e dc o i t e c ta n de f f e c t i v ei np 删 k e y w o r d s ：s y n c h r o n i z a t i o n , d u a l - c p us y s t e m , e m b e d d e d，f u z z y - i - c o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：唧刁脚f 签字日期：沙7 年硼二z ，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重麽太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重鏖太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作 签字日期： 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 准同期装置的发展概况 两个交流电源的并联操作即常说的“同期”、“同步”、“并列”、“并网”等，该操作 应遵循的规则是在两电源的压差、频差小于允许值且相角差接近零度时完成并网操 作【l 】。准同期是一种很小冲击的并网方式。 在电力系统运行中，发电机准同期并网是发电厂一项很频繁而重要的日常操作。 最早的时候，发电机并网合闸依靠操作人员手动来进行，为了寻找合闸提前时间， 常采用同期指示装置，最简单的同期指示装置，电网电压和发电机电压通过电压互 感器( ，) 降压，t v 二次侧接上灯泡装置，通过合适的接线，可以采用灯光熄灭法 或者灯光旋转法来捕捉合闸的时机。但是由于灯泡一般在约1 6 的额定电压时就不 亮了，所以更为准确的方法是采用示零电压表来寻找并网时机。手动操作要求操作 人员要比较熟练，而且并网准确度不高，风险较大。目前，大多数电厂都是依靠同 期装置来进行自动并网的，手动方式只是作为紧急时候的备用同期手段。 第一代自动准同期装置是模拟式自动准同期装置，以许继的z z q 3 和z z q 5 为 代表，它用分立晶体管元件搭建硬件电路，对同期条件进行检测和处理。z z q 3 和 z , z q 5 自动准同期装置的出现，极大地提高了并网速度和可靠性，但由于模拟式同 期装置用模拟电子元件构成，阻容电路作为微分电路是有条件的，必然带来诸如导 前时间不稳定，构成装置元器件参数漂移不稳定的问题。模拟式的同期装置合闸准 确度比较低，它无法指示装置的运行状态，不能进彳亍故障自检等，现在己经基本被 淘汰。 第二代自动准同期装置是微机式自动准同期装置，微处理器的诞生对自动准同 期装置技术指标的提升产生了质的飞跃，我国是世界上微机准同期装置最早研制的 国家之一，深圳市智能设备开发有限公司研制的s i d 2 系列多功能微机准同期装置 比较具有代表性。它是我国最早从事微机准同期控靠4 器研究、开发、生产的企业之 一，相继推出了q s a 型、s i d 1 型、s i d - 2 型、s i d - 2 v 系列发电机用微机准同期 控制器及s i d - 2 t 系列线路用微机准同期控制器，操作方便、接线简单等特点。在 一定程度上提高了并网速度和可靠性，同时也大大提高了合闸准确度。1 9 8 2 年在安 徽陈村水电站成功投入了第一台微机同期装置，8 0 年代中期又陆续推出了一些类似 装置。 随着计算机技术的发展，以及大规模可编程逻辑器件的出现，都为同期装置的 技术性能提升提供了硬件条件，同时也为最新数字信号处理技术及控制技术应用到 重庆大学硕士学位论文1 绪论 嵌入式自动准同期装置中创造了条件。目前国内有许多科研、制造单位都在进行微 机自动准同期装置的研制。 1 2 本课题研究的意义 同期装置是发电厂的重要自动装置，其直接影响着发电机的安全与寿命，对节 约能源也是不可忽视的。不良同期装置的使用与手动并网是发电机的隐形杀手，也 是电力系统稳定运行的安全隐患。 技术发展的道路是不断淘汰不适应生产需要的产品，代之以算法原理更先进、 元器件性能更优越、电路更可靠的新产品。微机型自动准同期装置电路非常简单， 所有参数均由e e p r o m 存储，不存在参数随时间及温度漂移等问题，可靠性极高。 其功能均由软件实现，在配置上也非常丰富、实用，比如数字转角、电压互感器误 差校正、电压差和频率差的非对称设置、调节过程的标定，这些功能大大提升了同 期装置的技术性能。最主要的是微机自动准同期装置对电压、频率具有很高的测量 精度，对电压、频率的调节能有很好的自适应性，捕捉合f 韧时机十分精准，可实现 零度相角差合闸。微机型自动准同期装置进行全数字式整定，具有较强的自诊断功 能，能准确定位故障位置。它的汉化界面，为现场调试、应用提供了很大的方便。 因此，研制先进的微机自动准同期装置能最大限度地杜绝发电机非同期合闸的发生。 随着发电机单机容量的增加，电网联系越紧密，同期并列操作日益增多之际， 为了提高同期并列的自动化程度，减少人工误操作的影响等，研究开发新型智能的 同期装置也愈来愈迫切。 虽然微机准同期装置在广义上的设计原理都接近相同，但在实现方式上差异很 大，因此在性能指标上也就差异较大。在微机型自动准同期研制领域中，由于各厂 家技术参差不齐，在装鼙硬件结构上、同期算法上以及调节算法上等方面都有很大 差异，部分产品在实现方式上都存在某些弊端和不足，有待进一步改进。 信号测量准确是保证正常同期并网的第一步。文献【1 0 】、【1 1 、 5 1 】、【5 2 】和 5 3 】 等所描述的同期装置，利用硬件电路进行测频和测相位差，其测量精度易受输入信 号中的噪声、高次谐波和扰动影响。装置未采用同步采样技术，且多通道共用a d ， 医而误差较大；采样过零点测频、铡相位，每个工频周期才能测量出一个频率及相 位差，因而测量速度慢文献 1 7 】、【1 8 中应用于同期并列电参量测量的传统算法傅 立叶算法和最d x - 乘法，均要求整周期采样数据才能计算出频率、相位参数，实时 性不高，误差较大。 装置的硬件可靠性对发电机同期并网十分重要。目前多数同期装置都普遍采用 单c p u 处理系统，由于装置工作条件环境复杂的影响，尤其对于大机组在同期过程 中一旦由于某种原因主板出现故障就直接导致严重后果。少数的同期装置如文献【刀 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 中在硬件结构上虽然采用了双微机，但分工协作，没有备用、冗余的硬件系统，对 提高装置可靠性贡献不大。 发电机同期并网对装置的快速性提出了越来越高的要求。能捕获合闸时机，精 确的预测合闸时闻算法是一方面。优化的控制算法能确保装置快速平稳她将发电机 频率和电压调整到给定值也是不可缺少的一方面。有的微机装置根本没有对同期调 节给予足够重视嘟删，大多数装置采用了传统的p i d 算法【】1 1 2 1 ，要求对同期对象建 立精确的数学模型的条件下进行，而对不同的水轮机系统难以建立统一的精确数学 模型，考虑到水轮发电机组及其引水系统的非线性及滞后的特点，p i d 算法难以整 定参数，调节效果不理想。模糊控制不需要对对象建立糖确的数学模型，控制性能 取决于专家经验和控制规则设计，适应于对水轮机组的调节。文献【9 】介绍的同期装 置采用了一般模糊控制算法，但在同期调节中存在较大的稳态误差，需要对其加以 改进。 鉴于以上原因，有必要研制出一种新型微机自动准同期装置，对现有同期装置 的可靠性、速度、稳定性以及通信功能等方面进行提高和改良。这对节约发电机并 网前的空转能耗，更关键的是对于保证电力系统事故时快速投入备用机组，确保系 统安全稳定运行具有重大意义。 1 3 本文主要工作 本文从实际工程应用出发，研制开发了一种基于模糊控制的双机自动准同期装 置。文中通过对准同期理论的分析，明确了所要开发的新型微机自动准同期装置 所需要具有的主要功能要求，对装置进行了规划。通过对现有同期装置的性能分 析与总结，在进行同期装置的设计时重点在提高装置的可靠性、同期调节的快速 稳定性及装置性价比等方面进行了大量研究工作。 本文的主要研究工作如下： 阐述了发动机准同步的基本原理以及几种准同步方式，接着分析了手动准同 步和模拟装置准同步存在的缺陷和可能带来的危害，然后说明了微机型自动准同期 装置发展的必然趋势以及其特点。通过对同期原理的研究和现有准同期装置的性能 比较分析，得出一种微机自动准同期装置的总体设计方案。 装置的硬件设计：为增强可靠性，整个装置硬件采用双机热备用工作模式； 每块主板采用嵌入式单片机m 3 0 6 为核心处理器，1 2 位芯片m a x l 9 7 实现a d 快 速转换，采样总线不出芯片设计模式，结构简单，大大增强抗干扰能力。 装置的同期算法、调节算法的研究及仿真：运用优良的微机算法对电压、频 率和相位进行测量，确保测量的快速和准确；建立准确的计算合闸角模型，采用预 测导前时间方法，在频差和压差满足条件时确保能在第一个滑差周期内无冲击合闸。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 运用模糊逻辑控制实现了合闸过程中的均频均压控制，促使合闸时机尽快到来，实 现快速合闸，提出了模糊一积分控制算法，并对该算法进行m a l l 。a b 仿真验证。在 对频差和压差调节时，采用同时兼顾调节，避免压差满足时频差又不满足条件的“捉 迷藏”现象，确保调节的快速和平稳。 对装置进行硬件调试和程序软件调试，通过调试和测试结果对装置所采用的 算法和硬件设计进行了验证。 4 重庆大学硕士学位论文 2 同期原理概述及装置总体设计 2 同期原理概述及装置总体设计 研究电力系统同期原理，就必须对同期的物理概念有深入的了解。最常见的 同期问题发生在断路器闭合这一过程中。对于等待并网的断路器而言，等待并网侧 有可能是发电机，也有可能是同一系统的另一部份。对于发电机组来说，还没有投 入系统前，它的电压与并列母线电压的状态量往往是不相等的，所以需要对等待并 网的发电机组进行调整，使它符合同期并列条件。对于电网并列而言，两部分电网 的电压的状态量是不相同的，所以也需要对其进行调整。这就是同期的一般概念。 2 1 同期方式的分类 电力系统中，同期并列可分为准同期和自同期两种方式。 准同期方式是将待并发电机在投入系统前通过调节器调节原动机转速，使发电 机转速接近同步转速。通过励磁调整装置调节发电机励磁电流，使发电机端电压接 近系统电压，在同步条件中的频差及压差满足给定值时，选择在零相角差到来前的 合适时刻给出断路器合闸命令，使断路器触点闭合瞬间引起的冲击电流小于允许值， 且发电机能迅速被拉入同步运行1 4 j 。 自同期并网的操作是将未加励磁电流的发电机的转速升到额定转速，首先投入 断路器，然后立即合上励磁开关供给励磁电流。随即将发电机拉入同步。 自同期并网方式的主要优点是操作简单，速度快，在系统发生故障、频率波动 较大时，发电机组仍能并列操作并迅速投入电网运行，可避免故障扩大，有利于处 理系统事故，但因合闸瞬间发电机定予吸收大量无功功率，导致合闸瞬间系统电压 下降较多。 因此，g b1 4 2 8 5 1 9 9 3 继电保护和安全自动装置技术规程规定：“在正常运行 情况下，同步发电机的并列应采用准同步方式；在故障情况下，水轮发电机可以采 用自同步方式”。 2 2 准同期条件的理论分析及准同期原理 2 2 1 准同期条件的理论分析 根据文献【4 】，对准同期并列条件做分析如下。 准同期并列的电压相量分析如图2 1 所示。 同期并列前的断路器两侧的电压为： 发电机侧电压 = ms i n ( c o g t + ) ( 2 1 ) 重庆大学硕士学位论文 2 同期原理摄述及装置总体设计 系统侧电压 上两式中： 魄= 吣s i n ( o j s t + ) 【，。待并网发电机的电压幅值； u 。一运行系统的电压幅值； 一断路器待并网发电机侧的电压； 。一断路器运行系统侧的电压； 一待并网发电机的角频率； 。运行系统的角频率； 磊。一待并网发电机电压的初相角 氟。趣行系统电压的初相角。 b 图2 1 准同期方式的电压相量分析 ( a ) 电路示意图；( b ) 相量图；( c ) 等值电路图 f i g 2 1v o y a g ev e c t o fa n a l y s i si nq u a s i - s y n c h r o n i z a t i o nw a y ( a ) c i t c u i td i a g r a m m a t i cs k e t c l 【l ：c o ) v e c t o rd i a g r a m ；( c ) e q u i v a l e n tc i r c t l i td i a g r a m ( 2 2 ) 发电机组并列投入电网时，为了避免发生电流的冲击和转轴突然受到扭矩，应 该使发电机组每相的电动势瞬时值与电网电压瞬时值一直保持相等，因此，在保 证两侧相序一致的前提下，允许断路器并列的理想条件为： ( 1 ) 两电压幅值相等，即u 。= u s ； ( 2 ) 两电压角频率相等，即c o o = 纨，或两电压频率相等，即兀= 兀； ( 3 ) 合闸瞬间的相角差为零，即= 0 0 。 如果能同时满足上述三个条件，意味着断路器两侧的电压相量重合且无相对运 动，此时电压差u a = 0 ，冲击电流等于零，发电机与系统立即同步运行，不发生任 何扰动。应该指出，如真的出现0 3 0 = 纨，两电压相对静止，可能无法实现妒= 0 0 ， 即出现同频不同相的现象。故上述角频率相等的条件应表述为角频率相近。 现将准同步的各个条件对同步过程的影响分析如下： 6 重庆大学硕士学位论文 2 同期原理概述及装置总体设计 ( 1 ) 存在电压差 发电机同步时的电压相量图如图2 2 ( a ) 所示。 如频率相等 兀= 石 j = 0 0 而两电压有效值不等，即u 。u s i v u d uub ( i ) 图2 t 2 准同期条件 f i g 2 2c o n d i t i o no f q u 8 i - s y n c h r o n i z a t i o n 电压差 玑= u o u s ( 2 3 ) 而产生冲击电流的有效值为= 赫 g 御 式中：z 一发电机纵轴次暂态电抗； x ，线路电抗； x 。一等值系统电抗。 从图2 2 ( a ) 可看出，冲击电流l 滞后脉振电压己09 0 0 ，为无功电流分量，因此， 主要考虑产生的电动力对发电机绕组的影响。电动力较大时，有可能引起发电机绕 组的端部变形。 冲击电流的瞬时值为 = 2 冲击电流最大的瞬时值。出现在半个周波以后，其值为 。= 互鬈妒 ( 2 5 ) 式中孟0 一冲击系数，1 8 1 9 。 ( 2 存在相角差 如电压幅值相等，【，g - - u s ；频率相等，兀= 兀 而0 0 即合闸瞬间存在相角差，同步时电压相量如图2 2 所示。 7 重庆大学硕士学位论文 2 同期原理概述及装置总体设计 此时，冲击电流的最大值0 一为 。= 慧2 2 。再丽z 啦一 式中一发动机横轴次暂态电抗 当尹很小时，2 s i n - 矿- s i n e ，此时 。= 盎s 试尹 _ 2 可再j i 8 m 尹 弘 由图2 2 可见，这时冲击电流既有有功分量也有无功分量，主要为有功电 流，发电机突然发生的功率输出，使机组的联轴器受到突然冲击，这对机组转子轴 系列运行非常有害。为了保证机组的安全运行，应将冲击电流限制在较小数值。 ( 3 ) 存在频率差 当电压幅值相等，【名= u s ，频率不相等，尼五时，待并发电机与系统的电压 相量如图2 3 所示。 断路器q f 两侧电压为脉振变化，脉振电压u d 为 u d = u 自s i n ( o 口g t + ) 一魄s i n ( o 口s t 4 - 缸) ( 2 8 ) 如定义【k = 犹k 豳( 竺，旦；盟，) 为脉振电压的幅值，则 玑：c o s ( 竺唼生，) ( 2 9 ) 即波形可以看成是幅值为u ，频率接近于工频的交流电压 图2 3 准同期时频率条件分析 f i g 2 3f r e q u e n c ya n a l y s i so f q u a s i - s y n c h r o n i z a t i o n 断路器两侧电压的频率差，谓之滑差。滑差角频率为 d 2 g 一s 此时，图2 3 两电压相量的相角差为 8 重庆大学硕士学位论文2 同期原理概述及装置总体设计 尹= 脚d t ( 2 1 0 ) 因此， = 删钿如竿= 2 s i n 要= 彬翱咖要 ( 2 1 1 ) 二二 脉振电压玑的相量图及波形如图2 3 所示。e a g e r ( b ) 可看出，脉振电压u 。是频 率接近于工频、振幅作脉动变化的电压，可将系统电压u 。设为参考轴，则待并发电 机电压u 。将以滑差角频率相对旋转，当相角妒从o 到万时，相应的从零变 到最大值；从7 t 变到2 霈( 重合时) 时，0 从最大值又回到零，旋转一圈的时间为脉 1 一 振周期乃，乃= = j - j b 。 3 t囝d 滑差周期乃、滑差频率乃和滑差角频率吼都可用来表示待并发电机与系统间 频率相差的程度。同步合闸时的相角差与断路器发出合闸命令的时刻有关，如果 发出合闸命令时刻不恰当，会引起较大的冲击电流。此外，如果在频率差较大时并 列，频率较高的一方在合闸瞬间会将多于的动能传递给频率低的一方，即使合闸时 的不大，当传递能量过大时待并发电机需经历一个暂态过程才能拉入同步运行， 严重时甚至导致失步。 由以上分析可知在同步并列时，频率差、电压差和相角差都是直接影响发电机 运行、寿命及系统稳定的因素。 因此，自动准同期装置所要完成的主要任务是：自动检测待并两侧的电压、频 率和相位差，促使准同期条件得到满足，从而实现同期并列。 对电厂同期过程来说就是控制发电机的电压和频率，使发电机和电网的电压差 和频率差被限制在一定的范围内。在相位差的周期性变化过程中，通过动态测量其 变化率，根据并网开关闭合所需时间的大小，捕捉合闸脉冲的发出时机，从而控制 断路器在相位差在过零点附近闭合。 事实上在准同步并网的三个条件中，存在较小的电压差和频率差并网对发电机 的损伤比存在相角差并网时对发电机损伤小。在两电源间存在着电压差和频率差的 情况下并网会造成无功功率和有功功率的冲击，也就是说在断路器合上的那一瞬间， 电压高的那一侧向电压低的一侧输送一定数值的无功功率，频率高的那一侧向频率 低的一侧输送一定数值的有功功率，但在发电机空载情况下，即使存在一定的电压 差和频率差，其所对应的无功功率和有功功率也是有限的，不会损伤发电机。因为 发电机在正常运行中本来就能承受较大的负载波动。 但是，在具有相位差的情况下并网的后果就完全不同了。在断路器合闸的瞬间， 系统电压施加在发电机定子上，由其产生的三相电流合成的以角速度讲。旋转的旋转 磁场将产生一个电磁转矩强迫发电机转子轴系( 发电机转子、原动机转子、励磁机转 9 重庆大学硕士学位论文 2 同期原理概述及装置总体设计 子等的合成体) 的磁轴与其取向一致，这一拉入同步的过程是一个数百吨质量的转子 轴系于极短时间内在定予电磁转矩作用下旋转一个角度就加于定子的过程。因此， 同步时角度较大时对转子轴系绕组及机械体系的损伤是巨大的。 因此，准同步操作时，严格控制相角差是同步条件中最重要的一环。 2 2 2 准同期并列原理 准同步方式的主要优点是操作时冲击电流可以很小，对电网不会产生大的扰动， 对发电机组不会损伤，是发电厂和变电所最广泛使用的同步方式。 准同期并列点一待并断路器，其主触头闭合瞬间产生的冲击电流和扰动主要决 定于该瞬间的脉振电压玑( f ) 和相角差，所以准同步方式要对u d ( f ) 和妒进行监视， 根据断路器的合闸时间选择最理想的合闸脉冲发出时间，使断路器的主触头闭合时， 两端电压的等于或接近于零。脉振电压的表达式见式( 2 9 ) ，波形如图2 4 所示。 + 乜产 图2 4 脉振电压o ) 的波形 f i 驴4w a v e f o r mo f p u l s a t i o nv o p , a g e ( r ) 装置采用恒导前时间并列原理，实现时利用高性能的1 6 位单片机实时采集发电 机和电网并列的电压信息，并对待并发电机的电压和频率进行自动调节，使得发电 机与电网的电压幅值差、频率差能同时满足并列条件，然后快速捕捉合闸时机，在 脉动电势到达两电压向量重合之前一定时问匕发出合闸指令，实现相角差为零时发 电机并入系统。 常用准同步装置的同期原理采用恒定导前角和恒定导前时间两种。 ( 1 ) 恒定导前相角并列 装置取一个恒定相角占耐，即在脉动电压到达j 之前的相角差吒i 时发出合闸信 号。要在并列断路器主触头接通以前，按这个恒定导前相角屯，发出合闸信号，则 由万= f 可知，在同期合闸之前，一方面由于并列点两侧频率的波动，另一方面由 于在系统中的岔。值由不同时刻离散值计算得来，因此国。值不断变化与之相对应， 导前时间也将随着口而变，而断路器的合闸时间近乎恒定，因此，合闸时刻可能存 在较大相角差。为了使合闸时冲击电流值不超过允许值，必须将滑差角频率的允许 l o 重庆大学硕士学位论文 2 同期原理撅述及装置总体设计 值限定在一定范围内。 ( 2 ) 恒定导前时间并列 装置取一个恒定时间信号，即在脉动电压相量重合之前的时间发出合闸信号， 一般取断路器的合闸时问作为恒定导前时间k 。理论上这种方法可以实现合闸时刻 相角差为零。但是因为装置的导前时间、出口继电器的动作时间以及断路器的合闸 时间存在分散性，合闸时刻仍会存在一定相角误差。为了克服这种问题，要求装置 具有同期合闸记录功能。每次并网后，自动检测开关动作时间，进行导前时间修正。 前者只有在一个恒定频差时才能实现零相角差并网，而后者却可保证在任何频 差时都可在零相角差实现并网。 2 3 微机型自动准同期装置的功能 能适应t v 的不同相别和电压值 并列点断路器两侧的t v 次级电压是同步装置的输入信号源，同步装置应能任 意取用1 v 不同的相别和不同的电压值。这也就是说同步装置可以不依赖外部转角 电路和相电压及线电压的转化电路。这将大大简化二次线的设计工作量及同步接线。 这一功能也使得人们能正确给定两w 次级电压的实际额定值，而可任意选择t v 次级电压额定值是i o o v 还是1 0 0 、3v 。 应有良好的均频与均压控制品质 这是保证发电机能尽快进入频差及压差合格区，快速完成并网的必要条件。在 发电机同步过程中同步装置应根据调速器、励磁调节器的特点对频率和电压进行有 针对性的控制，这就要求同步装置的均频均压控制应具有自适应的控制品质。它们 应根据频差和压差的绝对偏差及其变化率随时调整控制力度，以期快速且平滑地使 偏差达到整定范围。 注意同步时产生逆功率的问题也是很重要的，所谓逆功率是指在断路器合闸瞬 间，由于存在着频差和压差，必然会出现在发电机和系统间有功功率和无功功率的 交换，功率的流向是由频率和电压高的那一侧流入频率和电压低的那一侧。当发电 机作为被输入功率对象时，这个功率就称为逆功率。 应确保在相角差为零度时同步 在准同步的三个条件中压差及频差的存在虽然会产生同步时的短暂功率交换 ( 即一般讲的冲击) ，所以较小的同期参数差值对发电机而言并不可怕，由于发电机 在设计其结构时就能够适应在运行分中经受负荷突减或突增的冲击。然而对于同步 时的相角差却应加倍注意，相角差的存在，意味着在同步瞬间，发电机定子所产生 的电磁转矩在极短时间内要强追转子纵向磁轴与其取向一致。不难想象一个数百吨 重的转子轴系( 包括原动机转子、发电机转子、励磁机转子) 在很短时间内立即旋转 重庆大学硕士学位论文 2 同期原理概述及装置总体设计 一个相当于相差的角度，会产生巨大的机械转矩冲击，这会导致发电机转子绕组及 轴系的机械损伤。这种冲击有时甚至会引起电气系统和转子轴系机械系统出现扭振， 扭振所产生的破坏有时是惊人的。 应不失时机的捕获第一次出现的同步时机 发电机的同步操作在两种情况下发生，一是正常开机，一是紧急开机，后者常 常发生在系统事故时，需要迅速填补系统的功率缺额，以维持系统不致崩溃。因此， 作为同步装置必须在算法上确保能捕获第一次出现的同步时机，而不能像那些模拟 式同步装置靠碰运气。同步快速性的重要意义不仅在事故情况显得很重要，同时也 能获锝良好的经济性。 应具备低压和高压闭锁功能 系统事故会引发电压下降和升高，t v 断线或熔丝熔断会导致同步装置误判， 此时都应使同步装置进入闭锁状态，以避免产生误同步。 应能及时消除同步过程中的同频状态 同步装置和调速器不同，调速器的作用是跟踪系统频率。始终维持发电机频率 与系统频率相等( 或相近) 。而同步装置在差频并网时如发电机与系统频率相等或很 相近时是不能并网的，即使此时相角差保持在零度也不能同步。原因很简单，一旦 同步装置发出合闸脉冲后相角差又变大了，就会造成大的冲击。因此，同步装置在 检测并列点两侧电压同频时必须控制发电机调速器，破坏当前的同频状态。一般应 进行加速控制，以避免同步时出现逆功率。 应具备与各接入发电厂分布式控制系统( d c s ) 和变电所微机监控系统( s n c s ) 的通信功能。 d c s ，s n c s 系统已成为发电厂和变电所实现自动化的重要方式，所有被控设 备都配各有与之相应的控制器，这些控制器在物理上分散到各个被控设备旁，各控 制器独立完成对生产过程的特定控制功能并与上位机保持上传下达的通信任务。自 动准同步装置就应是这种控制器的角色，它通过现场总线与上位机相连。上位机可 根据工艺流程启动或推出同步装置，并在同步过程中获取必要的信息构成生动的画 而，使远在集控室的值班员能监视到同步的全过程。 应能自动在线测量并列点断路器合闸回路动作时间 恒定导前时间是自动准同步装置的重要整定值，它关系到同步时冲击的大小。 仅靠电厂在断路器检修时所测得的数据是不准确的，因为随着断路器运行时间的加 长，其数值会发生变化。而且导前时间还应包括合闸回路中其他环节( 如中间继电器， 接触器等) 的动作时间。因此同步装置具有在线测量合闸回路动作时间就尤为重要。 应赋予更多便于设计和使用的功能 以微处理器为核心的自动准同步装置要实现更多的功能不是一件很难的事，但 1 2 重庆大学硕士学位论文 2 同期原理概述及装置总体设计 同步装置不论是同步接线设计还是调试校验都较复杂。因此，同步装置增加以下功 能是必须的。 1 ) 自动转角功能。同步接线设计的一个重要问题就是同步点选择，选择的原则 是并列点断路器两侧t v 的次级电压应能正确反映一次电压的相位关系。如果找不 到合适的电压( 相序和电压相同) ，则需要增设转角变压器。微机同步装置完成转角 功能并不困难，而且很有必要。 复合同步表功能。同步装置应能提供同步过程中压差、频差及相角差的明确 显示，使运行人员能清晰监视同步操作的进程。这种显示便于了解装置的工作状态， 甚至在特殊情况下要起到同步表的作用。 3 ) 调试校验功能。同步装置的调试和校验是电站维修人员最关心的一项工作， 以往需要配各工频信号发生器、频率表、相位表等仪器设备才能调试，而微机同步 装置可以内置精确的信号源和提供电量的测试读数，这一功能把装置的智能化程度 提高到一个更高的水平。 钔检查外接电路的功能。同步装置在现场接线正确与否关系到装置能否投入正 常运行，为了方便对外电路的检验，同步装置应具备通过外接端子排( 如调速、调压、 合f 回等进行检查外部接线的功能。 5 ) 提供录波的相关电量。同步装置并网质量的鉴别方法一般是从录波器的录波 进行分析，因此同步装置应能提供相关电量供录波之用。主要电量是脉振电压和装 置合闸出口继电器的空接点。 2 4 本装置的功能设计概述 通过前两节对准同期理论的分析，考虑到实际工程的需要，明确了所要开发 的微机自动准同期所需要具有的主要功能要求。根据三个同期条件的要求，同期 装置应能根据同步点两侧电压互感器获得的交流电压进行转换获得同步点两侧的 电压、频率及相角信息，进入c p u 运用微机算法进行高速运算以及对合闸时机的 判断，发出调频、调压脉冲及最后的合闸脉冲；根据运行及控制需要，同期装置 应具有良好的人机接口，能对运行状态、参数的监视和参数的在线修改，并能和 上位机实时进行信息交换：根据同期装置运行的工业控制过程及运行环境，同期 装置要求控制实时性强，装置系统可靠性高，调节过程稳定性好。 本装置具有的主要功能特点设置如下： 本装置适用于大、中型水电站中发电机的同期并网。适用于多个同期对象 合闸操作。 具有交流电压信号和水位信号的采集及处理、t v 断线判别功能；同期对象 运行参数调节及同期合闸( 允许无压合闸) 功能；同频纠差功能。运用模糊控制理论 重庆大学硕士学位论文 2 同期原理概述及装置总体设计 对发电机电压和频率的调节控制，更快更稳达到合闸条件。 采用预测合闸时机方法和恒定导前时间合闸原理，在不同的滑差下，均可 使合闸角差几乎为零，如断路器操作机构性能稳定、合闸电源电压符合要求、整定 合闸时问准确，可使合闸角差 1 。，合闸冲击电流很小。 运用模糊逻辑控制实现了合闸过程中的均频均压控制，促使合闸时机到来， 实现快速合闸，提出了模糊一积分控制算法，在对频差和压差调节时，采用同时兼 顾调节，避免压差满足时频差又不满足条件的“捉迷藏”现象，确保调节的快速和 平稳。 采用嵌入式单片机m 3 0 6 为核心元件，构成总线不出芯片的主板系统，外围 元件少，使整个装置电气结构设计简洁、简单、成本低。两套处理系统之间的工作 模式及相互切换运行能提高装置的可靠性。 强抗干扰设计。结构简单，元件较少，布线均匀，自身的交叉干扰小，加 之采用总线不出芯片的方式，印制板上仅有工频交流及直流电平信号，便于采取较 强的滤波措施，滤除干扰。这样装置具有很强的抗干扰能力。 设计有硬件非同期合闸闭锁电路，其目的是保证在外部强干扰或处理器故 障等情况下不会造成非同期合闸，使装置工作更可靠。 具有c a n 总线通信接口和以太网通讯接口，便于与上位机及监控设备之间 进行信息交换，与发电厂分布式控制系统( d c s ) 和变电所微机监控系统( s n c s ) 通信， 提高智能化程度。 具有参数记录及录波功能。 2 5 本章小结 本章主要对同期原理进行了概述，包括同期方式的分类，准同期