微机自动准同期装置.doc

摘 要随着电力系统网络的不断扩大，发动机安全、可靠的并网操作就愈来愈显重要。同步发电机单机运行时，随着负载的变化，发电机的频率和端电压将发生相应的变化，供电的质量及可靠性变差。为了克服这一缺点，现代电力系统多采用多台发电机并联运行，同时许多发电厂也并联运行形成较大的电力联合系统。目前，电力系统规模日益扩大，发电设备容量也相应增大，系统运行方式的变化也愈加频繁。因此，要求备用发电机迅速投入系统，以满足用户电量增长的要求，同时系统发生故障会失去部分电源是也要求备用机组快速的投入电力系统，防止系统事故的进一步扩大，这些情况均要求将发电机组安全、可靠、准确的并入电网。为了解决传统模拟式并网装置的缺陷，本文介绍了一种以 MCS-51 系列单片机为核心实现同步发电机准同步自动并列装的原理。同步发电机与电网大系统进行并联是一项非常复杂关键的任务，阐述了同步发电机并列的条件及传统手动并列验证装置及方法。 该装置以三相电动机发动机组为研究对象， 实现了发电机安全、 可靠的并网。通过对该装置并网过程的测试， 其并网过程具有快速准确等特点。目 录摘要一、我国微机自动准同期装置发展的现状 综观大江南北，无论是单机容量30万KW、60万KW及以上的大型发电厂，还是单机容量几万KW、几千KW的小型电厂，无论是水电厂还是火电厂，不管是新机投产还是旧机改造，都不遗余力地选用微机型自动准同期装置，由于它们的先进性、高可靠性、高精度、高速度、智能化且维护使用方便，深受电力行业的广大用户欢迎。微机型自动准同期装置普遍采用的今天，如何设计、运用微机型自动准同期装置以达到提高整套机组自动化运行水平的目的是我们研究的一个重要问题。在电力系统中发电机并入系统，两个不同系统并列，或一个系统分解为两部分，通过输电线路再连接等，所实施的操作称之为同步并列操作。众所周知，电力系统中任一点的电压瞬时值可以表示为u=Umsin(t )。可以看出，同期点断路器并列的理想条件就是断路器两侧电压的三个状态量全部相等，即待并系统电压UG和大系统电压UX两个相量完全重合并且同步旋转。用公式表示则为：（1）GX或fGfX（即频率相等）（2）UGUX（即电压幅值相等）（3）e0（即相角差为0）此时，并列合闸的冲击电流等于零，并且并列后两个系统立即进入同步运行，不会产生任何扰动现象。为了使并列操作满足条件，尽量使合闸时达到理想条件。自动准同期装置必须设置三个控制单元（1）频差控制单元。它的任务是检测待并系统（发电机）电压UG与大系统电压UX之间的滑差角频率S，且调节发电机转速，使发电机电压的频率接近系统频率。（2）电压差控制单元。它的功能是检测UG和UX之间的电压差，且调节发电机电压UG，使之与UX之间的的差值小于规定允许值，促使并列条件的形成。（3）合闸信号控制单元。检查并列条件，当待并机组的频率、电压都满足并联条件时，合闸控制单元就选择合适的时间发出合闸信号，使并列断路器的主触头接通时，相角差接近0或控制在允许范围之内。 随着电力系统容量及发电机单机容量的不断增大，不符合同步并列条件的同步操作会带来极其严重的后果，可能引起发电机组损伤甚至系统的瓦解。 在发电厂，发电机在并入系统前与其他发电机组和电力系统是不同步的，存在着频率差、电压差和相角差。通过同步操作，将发电机组安全、可靠、准确快速地投入，从而确保系统的可靠、经济运行和发电机组的安全。 在变电站或发电厂网控中，同步操作主要解决系统中分开运行的线路断路器正确投入的问题，实现系统并列运行，以提高系统的稳定、可靠运行及线路负荷的合理、经济分配。 目前，电力系统的并网方式按两并列系统之间的关系可分为两种情况：差频并网方式和同频并网方式。 差频并网是指在发电厂中，发电机与系统并网或已解列两系统间联络线的同步并网，它们是两个电气上没有联系的电力系统并网。其特征是在同步并列点处两侧电源的电压、频率均可能不同，且由于频率不相同，使得两电源之间的功角（电压相位差）在不断变化。进行差频并网是要按准同期条件实现并列点两侧的电压相近、频率相近时，捕获两侧电压相位差为零的时机来完成的平滑并网操作。同期并列是电力系统中经常进行的一项重大操作。随着发电机单机容量的增加，并列操作所担负的责任更加重大，对自动准同期装置也提出了更高的准确性要求。运行经验表明，由于事故情况下自同期并列方式不能用于大机组并列，希望自动准同期装置在电网有波动的情况下也能快速、准确地捕捉同期条件，以解决大机组在事故情况下的并列问题。因此，高性能微机自动准同期装置的研究具有重大的实际意义。多年来，我国也开发了多种微机自动准同期装置。但是，目前应用的微机自动准同期装置在并列条件判断、电压差和频率差控制等方面，都仍然采用模拟式自动准同期装置的方法，没有充分发挥微处理器的数值运算和逻辑判断能力，从而限制了微机自动准同期装置性能的进一步提高。如果采用频率差和电压差的自适应控制方法以及单向频率差、单向相角差并列原则，以提高微机准同期装置的性能，并实现了一套微机自动准同期装置，实验结果表明所提出的方法非常有效。现有微机自动准同期装置在电压差和频率差的控制方面存在以下两方面不足：一方面其调节量固定 ，不能与调速器和励磁调节器很好配合，在需要细调时容易出现过调现象；另一方面是通常把频率差和电压差的控制在时间上分为2个阶段进行，容易出现当前一条件满足，而后一条件不满足，或者当后一条件满足而前一条件又不满足的“捉迷藏”现象。这两个问题都会延长并列操作过程，当系统有波动的情况下甚至可能使并列任务无法完成。那么频率差和电压差的自适应控制方法有以下几个特点：自动适应具体调速器和励磁调节器给定值的调节速率；根据频率差和电压差的大小自动调整调节脉宽和调节频率；频率差和电压差交错调节。发电机并网无疑是发电厂的一项事关重大的操作，它直接涉及到系统运行的稳定及发电机的安全。对这一操作的要求归纳起来是四个字快速准确。手动并网尽管存在着重大的安全隐患，但目前我国还有为数可观的发电厂在使用这一方式。究其原因，主要是目前在我国广为流传的模拟式自动准同期装置不仅原理粗糙，而且经常发生误并列。所以，尽管大部分电厂都有自动准同期装置，但大多数在停用状态。毕竟不能让发电厂的这样一个主设备天天去铤而走险。这对那些担当调峰、调频任务的发电厂更是一个应予高度重视的问题。何况自动化水平的提高，当今已不是锦上添花的摆设，而是电力生产的需要。对于水电厂要实现“无人值班”，更是要废除手动并网的落后方式。因此，从实际需要出发，细致分析发电机并网过程的实质性问题，进而找到理想的自动准同期装置所应具备的条件。以此来彻底扭转当前在设计及运行中的落后局面，并彻底清除发电机的“隐形杀手”不良同期装置。二、同步发电机并联合闸条件同步发电机投入电网并联是，必须避免在发电机和电网组成的回路中产生冲击电流以及由此在发电机转轴上产生的冲击转矩。为此，待投入并联的发电机应当满足一下三个条件。1. 发电机的相序与电网相序一致发电机投入并联运行的示意图如图1所示。如果发电机的相序与电网的相序不同，如图2所示，即使电网的U相电压与发电机的U相电压相等，V相和W相电压也不同等。此时相当于在电网端点上加上一组负序电压，这是一种严重的故障情况，电流和转矩的冲击都很大，必须避免。图1 发电机投入并联示意图图2 相序不同的示意图 图3 频率不同的示意图2.发电机的频率与电网频率相同如果发电机的频率与电网的频率不同，则会出现如图3所示的情况。除了图3a所示个别瞬间电网的三相电压与发电机的三相电压相等外，其他任何时刻，三相对应电压均不相等，两边对应相量之间的相位差将在0360之间变化，其差值不断在02U之间变化。频率相差越大，这个变化的速度就越快，若Q合闸，必定要产生冲击电流和冲击转矩。3.发电机的端电压与电网电压相等电压电压相等包括相位相等和有效值相等，即相量相等。如果 ，在开关Q的两端有电压，若合闸，必定要产生冲击电流和冲击转矩。严重时，冲击电流可达额定电流的58倍。4.发电机的电压幅值等于电网电压的幅值，且波形一致。满足上述四个条件后，发电机端电压的瞬时值与电网电压的瞬时值就完全一样，这样就可保证在并网瞬间不会引起较大的电流冲击，其等值电路如图1所示。在上述四个条件中，条件3可在并网前通过相序鉴别测定，条件1中发电机端电压大小主要由发电机励磁控制，条件2和条件4主要由原动机转速控制。因此，对一个完整的并列装置而言，必须有励磁调节和转速调节两大控制系统。三、并联运行的方法如果不满足上述三个条件，必须进行相应的调节。为了将发电机投入电网并联所进行的调节和操作过程，称为整步过程。过于相序，一般大型同步发电机的转向和相序在出厂以前都已标定。对于没有标明转向和相序的发电机，可以利用相序指示器来确定。而调节原动机的转速和发电机的励磁电流就可以调节频率的高低和电压的大小。再通过调节发电机的瞬时速度可以调整电压的相位。根据上述的调节，投入并联运行的方法有下述几种方法。1. 暗灯法从上述分析知道，要使并联合闸没有冲击电流 ，在并联开关两侧就不能有电压差 。我们在开关两端接上灯泡，称为相灯，如图4a所示。如果这三个相的相灯都熄灭了，那就表示电压差 。这时，我们就可以进行并联合闸了，这样的方法就称为暗灯法。1） 频率相等这时图4b所示相量图中，电网电压相量的角频率 与发电机电压相量的角频率 不相同，它们之间的相位差 就会不断地从 到 周而复始地变化。电压差 也从0至2U（或2U）的范围内不断变化。三个相灯将呈现着同时暗、同时亮的交替变化现象。这时，只要调节原动机的转速，即可使相灯一明一暗的变化频率减小下来，一直到变化极其缓慢，灯暗后，要隔较长时间再亮起来，就达到了频率差不多相等的要求。图4 暗灯法的接线2） 电压不等从图4b的相量图上看到，如果发电机的端电压 不等于电网端电压 ，即使相位差 时，也还存在着电压差 。这种情况，使得相灯没有绝对熄灭的时候。而是在最亮和最暗范围闪烁。这时，只要调节发电机的励磁电流，使它们的电压相等了，就会出现相灯完全熄灭的情况。不过，实际上，如用白炽灯作相灯的话，白炽灯在低电压下，也和无电压时一样，呈现熄灭状态。这就容易发生判断错误。所以，一般用电压表先把发电机端电压调到与电网电压相等。3） 相序不等如果发电机的相序定错了，就会发生把发电机的C相接到电网的B相，发电机的B相接到电网的C相的错误。这时，图5的相灯实际联成了如图5a的情况。跨过相灯的电压变成图5b的相量图所示的 ，它们的大小不相等，因而，相灯亮度也不相等。当 =0时，只有相灯1熄灭，另外两个相灯都亮着。 =120时，只有相灯3熄灭，另外两个相灯亮。 =240时，相灯2熄灭，另外两个灯亮。如果发电机频率低于电网频率时， ， 由0到 再到 ，再回到0，相灯则从1灯灭到3灯再到2灯灭，再回到1灯灭。如果相灯布置在配电板上，如图5c，相灯暗亮呈旋转状态。当 时，灯光为顺时针旋转。图5 相序不同时的并联线路因此，遇到相灯不一样明暗，并出现旋转现象时，说明相序接错了。这时，只要把发电机接到并联开关的任两根互相对调一下接头，就可以了。4） 相角不等这时 =0，相灯不会熄灭，不能并联合闸。只要把发电机和原动机转速稍微调节一点， 角就要起变化，直到 =0，三个灯都熄灭，即可合闸。2. 灯光旋转法在暗灯法中，如果相序接错，相灯的灯光就会旋转起来。我们索性把并联合闸的相灯故意接在不同相的电压之间，使它们在正确的相序下，出现旋转的灯光，这种并联合闸的方法，就叫做灯光旋转法。图6是灯光旋转法的相灯布置。它实际和图5相灯的接法完全一样，所以，分析结果也完全一样。当发电机频率高于或低于电网频率时，灯光就会出现旋转现象。如果灯光同时出现亮或同时暗的情况，就说明相序接错了。实际操作中，可以调节发电机转速大小，使灯光旋转极其缓慢，说明 已接近 ；等到相灯1熄灭时，说明 =0，即可合闸。这时，相灯2和3都亮着，而且亮度一样，为了合闸瞬间更准确，可在并联刀闸两头接上电压表，如图6所示。当电压表指针为零时，就合闸。图6 灯光旋转法的接线利用灯光旋转法判断比暗灯法要准确些。因为相灯1熄灭时，相灯2和3亮度一样；而暗灯法，仅靠三个相灯同时熄灭来判断，而白炽灯在低于1/3额定电压时，灯就不亮，不好判断。另外根据灯光旋转的方向，还可以知道发电机频率是高于还是低于电网频率，便于调节原动机转速。3. 准确整步法准确整步法就是把发电机调整到完全符合投入并联的条件时才投入电网的方法。一般采用同步指示器来判断并联的条件是否达到。这种方法的优点是，投入瞬间电网和发电机几乎没有冲击，但手续繁琐，费时较多，若电网出现故障，急需紧急投入新的发电机组时，采用此法就很难达到要求。为了把发电机迅速投入电网，可以采用自整步法。4. 自整步法自整步法的投入步骤是：首先检查好发电机的相序，将励磁绕组接一个限流电阻，再由原动机按照规定的转向把发电机拖动到接近于同步转速，然后把发电机投入电网，并立即切除限流电阻、加上直流励磁电流。此时，依靠电磁转矩就会把转自自动牵入同步。这种方法的优点是，手续简单，投入迅速，不需增添复杂的装置，缺点是投入时会产生一定的冲击电流和冲击转矩。三、微机准同步自动并列装置设计3.1单向频率差和单向相角差的并列原则一般的微机准同步并列装置对频率差和相角差条件的判别采用下式：0.1Hz （1） （2）式中： 为频率差整定值， 为发合闸命令时实测相角差， 为越前合闸相角， 是实际应用中为便于确定合闸脉冲而设定的偏角差。式（1）、（2）中的绝对值符号，表明发电机频率既可能高于系统频率，也可能低于系统频率；合闸瞬