电力系统自动化发电机的自动并列PPT课件

第1章发电机的自动并列 精品课件 2 第1章发电机的自动并列 并列操作何时进行 正常负荷发生变化时 当电力系统发生事故时 并列操作每天都在进行 并列不当还会产生严重的后果 精品课件 3 第1章发电机的自动并列 学习目的 通过本章的学习 理解并列操作的概念 对并列操作的基本要求和并列操作的两种方式 掌握准同期并列的理想条件 了解并列误差对并列的影响 掌握模拟式自动准同期装置的基本原理 了解微机准同步装置的基本构成及特点 重点 并列操作的概念 对并列操作的基本要求和并列操作的两种方式 准同期并列的理想条件 自动准同期装置的组成 自动准同期装置的基本原理 难点 模拟式自动准同期装置的基本原理 精品课件 4 第一节概述 一 并列操作的意义1 并列的概念 将一台发电机投入电力系统并列运行的操作 称并列操作 发电机的并列操作又称为 并车 并网 同期 精品课件 5 第一节概述 2 对并列操作的基本要求 1 并列断路器合闸时 冲击电流应尽可能的小 其瞬时最大值不宜超过1 2倍的额定电流 2 发电机组并入电网后 应能迅速进入同步运行状态 进入同步运行的暂态过程要短 以减少对电力系统的扰动 3 并列操作的两种方式 并列合闸时流过断路器主触头的电流 精品课件 6 3 并列操作的方式 1 准同期并列的概念 发电机在并列合闸前已励磁 当发电机频率 电压相角 电压大小分别和并列点处系统侧的频率 电压相角 电压大小接近相等时 将发电机断路器合闸 完成并列操作 这种方式称为准同期 精品课件 7 2 自同期并列的概念 将一台未加励磁的发电机组升速到接近于电网频率 在滑差角频率不超过允许值 机组的加速度小于某一给定值的条件下 先合并列断路器QF 接着合励磁开关 给转子加励磁电流 在发电机电势逐步增长的过程中 由电力系统将并列机组拉入同步运行 3 并列操作的方式 精品课件 8 第一节概述 二 准同期并列设待并发电机组G已经加上了励磁电流 其端电压为UG QF为并列断路器 系统的电压为UX 如图 a 所示 调节UG的状态参数使之符合并列条件 精品课件 9 准同期并列的理想条件 1 fG fX待并发电机频率与系统频率相等 即滑差 频差 为零 2 UG UX待并发电机电压与系统电压的幅值相等 即压差为零 3 e 0断路器主触头闭合瞬间 待并发电机电压与系统电压间的瞬时相角差为零 分析机组并列时偏离理想条件所引起的后果 精品课件 10 第一节概述 冲击电流 概念 在短路后约半个周波 0 01秒 时将出现短路电流的最大瞬时值 称为冲击电流 计算公式 KM 冲击系数 发电机端取1 8 冲击电流有效值 Ih max 冲击电流最大值 物理意义 它会产生很大的电动力 在电气设备中产生的电动力与其平方成正比 其大小可用来校验电工设备在发生短路时机械应力的动稳定性 精品课件 11 二 并列误差对并列的影响 1 电压幅值差对并列的影响 1 并列操作时条件 2 向量图 精品课件 12 1 电压幅值差对并列的影响 3 产生的冲击电流 UGUX 发电机 系统电压有效值 Xd 发电机的直轴次暂态电抗 XX 系统等值电抗 精品课件 13 冲击电流的电动力对发电机绕组产生影响 由于定子绕组端部的机械强度最弱 所以须特别注意对它所造成的危害 必须限制冲击电流 结论 我国规定 电压差US不能超过额定电压的5 10 现在一些巨型发电机组更规定在0 1 以下 即要求尽量避免无功冲击电流 1 电压幅值差对并列的影响 精品课件 14 2 合闸相角差对并列的影响 2 产生的冲击电流为 1 并列操作时条件 当相角差较小时 冲击电流主要为有功电流分量 说明合闸后发电机立刻向电网输出有功功率 使机组联轴受到突然冲击 这对机组和电网运行都是不利的 此时发电机为空载情况 精品课件 15 3 合闸频率差对并列的影响 频差fS fS fG fX滑差 s 电角速度之差称为滑差角速度 简称滑差 滑差周期 1 有关的几个概念 它们都是描述两电压矢量相对运动快慢的一组数据 精品课件 16 3 合闸频率差对并列的影响 在有滑差的情况下 将机组投入电网 需经过一段加速或减速的过程 才能使机组与系统在频率上 同步 加速或减速力矩会对机组造成冲击 2 并列操作时条件 相角差 e 0 幅值UG UX 频率fG fX 精品课件 17 发电机准同步并列的实际条件 1 待并发电机与系统电压幅值接近相等 电压差不应超过额定电压的5 10 2 在断路器合闸瞬间 待并发电机电压与系统电压的相位差应接近零 误差不应大于5 3 待并发电机电压与系统电压的频率应接近相等 频率差不应超过额定频率的0 2 0 5 第一节概述 精品课件 18 三 自同期并列 1 概念 将一台未加励磁的发电机组升速到接近于电网频率 在滑差角频率不超过允许值 机组的加速度小于某一给定值的条件下 先合并列断路器QF 接着合励磁开关 给转子加励磁电流 在发电机电势逐步增长的过程中 由电力系统将并列机组拉入同步运行 由于自同期并列合闸时发电机尚无励磁 所以在断路器闭合的瞬间相当于电力系统通过发电机定子绕阻金属性三相短路 冲击电流较大 精品课件 19 三 自同期并列 2 优点 操作简单 并列迅速 易于实现自动化 3 缺点 冲击电流大 对电力系统扰动大 不仅会引起电力系统频率振荡 而且会在自同期并列的机组附近造成电压瞬时下降 4 适用 规程规定 对于一切水轮发电机 同步调相机 发变组方式连接的汽轮发电机及小容量的汽轮发电机只要其端部固定良好 可采用自同期 对于3000KW以上与母线直接连接的汽轮发电机 需要验算 要求 自同期合闸冲击电流产生的电动力不超过发电机出口三相短路时所产生电动力的一半 精品课件 20 第二节准同期并列的基本原理 基本知识点 脉动电压自动准同期装置组成准同期并列合闸信号的控制 精品课件 21 第二节准同期并列的基本原理 一 脉动电压 一 G与 X不等 us可看成是幅值为Usm 频率接近工频的交流电压波形 1 目标 找一电量 包含同步三条件信息 精品课件 22 第二节准同期并列的基本原理 2 由于 G与 X不等 两电压相量间的相角差 由此可见 Us为正弦脉动波 又称脉动电压 最大幅值为2UG或2UX 精品课件 23 第二节准同期并列的基本原理 Us波形图如下 相量图如下 精品课件 24 第二节准同期并列的基本原理 二 此时可求得US的值为 us波形图如下 精品课件 25 第二节准同期并列的基本原理 三 利用脉动电压us检测准同期并列的条件1 电压幅值差 2 频率差 要求 s小于某一允许值 就相当于要求脉动电压周期TS大于某一个给定值 精品课件 26 第二节准同期并列的基本原理 三 利用脉动电压us检测准同期并列的条件3 合闸相角差 e的控制 1 越前时间考虑到断路器操动机构和合闸控制回路的固有动作时间 必须在两电压相量重和之前发出合闸信号 即取一提前量 这一段时间一般称为 越前时间 2 恒定越前时间由于越前时间只需按断路器的合闸时间 准同期装置的动作时间可忽略 进行整定 整定值和滑差及压差无关 故称其为 恒定越前时间 精品课件 27 第二节准同期并列的基本原理 二 自动准同期装置1 自动准同期装置的组成 频差控制单元电压差控制单元 3 合闸信号控制单元 检测UG与UX间的滑差角频率 且调节发电机转速 使发电机电压的频率接近于系统频率 检测UG与UX间的电压差 且调节发电机电压UG 使它与UX间的电压差小于规定值 检测并列条件 当待并机组的频率和电压都满足并列条件时 控制单元就选择合适的时间 恒定越前时间 发出合闸信号 使并列断路器的主触头接通时 相角差为零 精品课件 28 第二节准同期并列的基本原理 2 自动准同期装置的类型 按自动化程度分类 半自动准同期并列自动准同期并列 半自动准同期并列调压 手动调频 手动合闸 自动 全自动准同期并列调压 自动调频 自动合闸 自动 精品课件 29 第二节准同期并列的基本原理 三 准同期并列合闸信号的控制 1 越前时间 精品课件 30 第二节准同期并列的基本原理 三 准同期并列合闸信号的控制 2 允许滑差角速度 当tYJ为定值时 发出合闸脉冲时的越前相角与 s成正比 在 e等于零之前的恒定时间tYJ发出合闸信号 它对应的越前相角 YJ的值是随 s而变化的 1 理想情况 合闸时 e应为零 精品课件 31 第二节准同期并列的基本原理 三 准同期并列合闸信号的控制 2 允许滑差角速度 1 实际上 合闸时很难做到 e为零允许 e存在误差 设其最大允许合闸相角为 ey此时 最大允许滑差为 sy 精品课件 32 三 准同期并列合闸信号的控制 2 允许滑差角速度 第二节准同期并列的基本原理 考虑到并列前发电机空载运行 定子电压Eq与 电势相等 因为 ey决定于发电机的允许最大冲击电流 精品课件 33 考虑并列时电压可能超过额定电压的5 精品课件 34 第三节恒定越前时间装置 基本知识点 线性整步电压信号的实时检测频率差和电压差的调整合闸信号控制逻辑最佳恒定越前时间 精品课件 35 第三节恒定越前时间并列装置 脉动电压含有同期合闸所需要的所有信息 电压幅值差 频率差和合闸相角差 但是 在实际装置中 却不能利用它检测并列条件 因为它的幅值与发电机电压及系统电压有关 这就使得利用脉动电压检测并列条件的越前时间信号和频率检测引入了受电压影响的因素 造成越前时间信号时间误差不准 从而成为引起合闸误差的原因之一 精品课件 36 1 脉动电压 第三节恒定越前时间并列装置 特点 脉动电压不仅是相角差的函数 还与电压差有关 此并列条件检测引入误差成为合闸误差的原因之一 应用 早期曾采用 现已被 线性整步电压 替代 精品课件 37 第三节恒定越前时间并列装置 一 线性整步电压 1 线性整步电压定义 线性整步电压 指其幅值在一周期内与相角差 e分段按比例变化的电压 注意 线性整步电压只与发电机电压和系统电压的相角差 e有关 而与它们的幅值无关 精品课件 38 2 线性整步电压的表达式 Usl的上升段 Uslm Usl的最大值 Usl的周期TS表征发电机电压和系统电压频率差 f的大小 Usl的下降段 精品课件 39 第三节恒定越前时间并列装置 3 线性整步电压的形成电路形成电路由整形电路 相敏电路及滤波电路三部分组成 1 整形电路 精品课件 40 发电机电压UG整形原理 UG正半周时 V101导通 集电极电位U101c约为0V UG负半周时 V101截止 集电极电位U101c约为12V 精品课件 41 由V102和二级管VD104 VD106组成的整形电路对系统电压UX整形 工作原理与由V101和二级管VD101 VD103组成的整形电路相同 精品课件 42 2 相敏电路 当U101C和U102C同时为高电位或同时为低电位时 V103因不能获得基极电流而截止 集电极电位U103C为高电位 约为40V 当U101C和U102C一个为高电位 一个为低电位时 V103因导通 集电极电位U103C为低电位 精品课件 43 3 滤波和射级跟随器 滤波电路作用 将U103C中的高次谐波滤掉 形成幅值为三角形的整步电压 射级跟随器作用 提高整步电压形成电路的负载能力 使三角形整步电压的波形不受它后边电路工作的影响 V105的发射极电位U105e就是ZZQ 5型自动准同期装置中的线性整步电压Usl 精品课件 44 整步电压形成电路的波形图 精品课件 45 二 恒定越前时间形成的原理 线性整步电压Usl经过R114 R1 R115 R2 和C组成的比例 微分电路之后 送入三极管V106和V107组成的电平检测器与电平检测器的翻转电平Udt V107的基极电位 由R120整定 进行比较 由V108集电极输出恒定越前时间信号 精品课件 46 对应于UsL上升段 注意 求iR时认为电容c开路 通过电阻R114的电流为 求电阻R114上的电流iR 精品课件 47 由于电容C的容抗较大 电容C两端的电压UC可以看成C开路时在R114上产生的电压 求通过电容C的电流ic USL 精品课件 48 设电平检测器的翻转电平为 则电平检测器动作的临界条件为 求电阻R115上的电压 求越前时间tYJ USL 精品课件 49 恒定越前时间形成电路的波形图 从图中可以看出 对于不同的线性整步电压产生的越前时间相同 精品课件 50 恒定越前时间的特点 tYJ仅与R1及C的数值有关 与滑差角频率 s无关 是常量 右端的负号表示 在 e 0之前动作 即为 越前 tYJ的大小可以整定 当断路器的合闸时间不同时 可以分别调整电阻R1 细调 和电容C 粗调 的数值 以获取相应的越前时间 使并列瞬间相角差为零 精品课件 51 三 滑差检测 1 滑差检测原理首先选定一个角度 sy 允许滑差角频率 是自动准同期装置的整定值 th 断路器合闸时间 对于选定的断路器及其合闸回路 是已知的 tYJ 自动准同期装置恒定越前时间 tYJ th对于确定的发电机及其断路器 是一个确定的已知值 滑差检测单元的作用 检测发电机电压与系统电压的频率之差 滑差 若滑差不超过规定的允许值 则发闭锁合闸信号 精品课件 52 1 滑差检测原理 s 实际滑差角频率 t 以速度 s走过角度 所用的时间 然后 检测发电机电压UG以滑差角频率 s相对系统电压UX转动时走过角度 所用的时间 走过 所用的时间长 则 s小 时间短 则 s大 t tYJ s sy 说明频差不满足条件 精品课件 53 1 滑差检测原理 电路实现 利用比较恒定越前时间电路和恒定越前相角电路的动作次序来实现滑差检测 产生角度 的电路为恒定越前相角电路 精品课件 54 2 滑差检测电路的组成 1 恒定越前相角电平检测器 BG113 BG114和BG115组成差分式施密特触发器 接线与恒定越前时间电平检测器相同 此电平检测器的翻转电平由R142整定 并由BG113基极输入线性整步电压UZb 当BG113输入电平 线形整步电压UsL 低于整定电平时 BG113导通 BG114截止 因而BG115截止 输出高电平 当BG113输入电平 线形整步电压USL 高于整定电平时 BG113截止 BG114导通 因而BG115导通 输出低电平 表示电平检测器因整定的恒定越前相角到达而动作 USL 精品课件 55 频差检测的时间关系图 由图可以看出 左半部分t tYJ s sy 右半部分t tYJ s sy USL USL 精品课件 56 四 电压差检测原理 任务 检查发电机电压和系统电压的幅值之差是否超过允许值 当不超过允许值时发出闭锁合闸的信号 检测电路原理 电压差检测可直接用UG和Ux的幅值进行比较 两电压分别经变压器 整流桥和一个电压平衡电路检测电压差的绝对值 当此电压差小于允许值时发出 电压差合格允许合闸 的信号 电路如下 精品课件 57 UGZ UXZ UXZ UGZ 调零电位器 保证UG UX时 UGZ UXZ 0 UXZ UGZ 0 精品课件 58 五 合闸逻辑回路 合闸逻辑回路框架图 当与门2的输入全部满足 则发出合闸命令 反之 不发合闸命令 与门 精品课件 59 六 频差控制单元 频差控制单元的作用 检测频差方向 即判断发电机电压频率高于还是低于系统电压的频率 发出增速或减速信号给机组调速器 调节机组转速 使发电机电压频率和系统电压频率之差减小 当发电机电压频率和系统电压频率之差fs很小 fs 0 05HZ Ts 20s 时并列速度会很慢 此时由均频控制单元发出一个增速信号给机组调速器以加速并列 精品课件 60 频差控制单元检测控制框图 精品课件 61 当fG fx时 s 0 在 e的值为0至 时 UG超前UX 在 e的值为 至0时 UG滞后Us 当fGfx时 的值为0至 时 UG超前UX 的值为 至0时 UG滞后UX 当fG fx时 的值为0至 时 UG滞后UX 的值为 至0时 UG超前UX 结论 的值为0至 时 如果UG超前UX 则fG fx如果UG滞后UX 则fG fx 一 频差方向检测原理 逻辑判别法 精品课件 62 1 滑差 频差 方向的检测 原理 e的值为0至时 如果UG超前Ux 则fG fx如果UG滞后Ux 则fG fx准同期装置应用该原理时 通过区间鉴别与越前鉴别两种措施来实现 1 区间鉴别区间鉴别的任务 从线形整步电压的下降段中取出一个信号表征在0 之间 二 频差方向检测电路 精品课件 63 BG203和BG204组成一个施密特触发器 输入电压Uzb U203e时 BG203截止 BG204和BG205导通 C203的左电极电位为高电平 约为12V BG206导通 U206C约为高电平 C203的右电极电位为高电平 约为12V 电容C没有充电 区间鉴别电路 0V 精品课件 64 输入电压Uzb U203e时 BG203导通 BG204和BG205截止 C203由 12V充电 充电开始时 C203右电极电位UC203瞬时下降为零 之后逐渐上升为 12V 同时BG206继续导通 U206C约为高电平 0V 区间鉴别电路 精品课件 65 输入电压Uzb下降到Uzb U203e时 BG203截止 BG204和BG205导通 C203左电极电位突然升高到近 12V C203右电极电位UC203突然升高到近24V 使BG206截止 U206C降到零电位 但是C203右电极的高电位是维持不住的 将放电至C203的右电极电位U203C 12V时 BG206重新导通 U206C重新回到高电平 图中U206C的两个短时间的零电位表示 在0 之间 精品课件 66 2 超前鉴别 超前鉴别的任务是判别两个电压相量UG和UX哪一个超前 原理 UG和UX由负到正 或由正到负 相继过零时哪个在前哪个就是超前 将UG和UX经过整形后变成方波UGF和UXF 然后通过微分电路将UGF的下降沿取出来与UXF进行 与 运算 得出电压U201C 在U201C出现尖峰脉冲的时刻即表征UG超前UX 精品课件 67 3 比例调节 在每一个滑差周期内发一次宽度恒定的增速或减速脉冲 均频脉冲时间的占用率与频差成正比 称为比例脉冲调节制 它能在频差大时 使均频脉冲的次数较为频繁 进入汽轮机的动力元素在单位时间内的改变量较大 以迅速弥补频率的差别 而在频差小时 使均频脉冲的次数较少 进人汽轮机的动力元素在单位时间内的改变量也较小 从而避免过调 所以 比例调节脉冲可以使均频过程迅速而平稳地进行 精品课件 68 七 压差控制 作用 判断发电机电压幅值高于还是低于系统电压的幅值 发出降压或升压信号给机组励磁控制系统 调节发电机出口电压 使发电机电压幅值和系统电压幅值之差减小 精品课件 69 1 电压差方向判别电路2 脉冲展宽回路脉冲展宽的作用是为了使自动准同期装置适用于各种具有不同动态特性的励磁系统的机组 防止均压过程中出现发电机电压过调节和欠调节 3 脉冲间隔调节 均压控制单元电路组成 精品课件 70 精品课件 71 第四节数字式并列装置 一 概述用大规模集成电路微处理器 CPU 等器件构成的数字式并列装置 由于硬件简单 编程方便灵活 运行可靠 且技术上已日趋成熟 成为当前自动并列装置发展的主流 模拟式并列装置为简化电路 在一个滑差周期Ts时间内 把 s假设为恒定 数字式并列装置可以克服这一假设的局限性 采用较为精确的公式 按照 e当时的变化规律 选择最佳的越前时间发出合闸信号 可以缩短并列操作的过程 提高了自动并列装置的技术性能和运行可靠性 数字式并列装置由硬件和软件组成 精品课件 72 二 数字式并列装置的硬件电路 精品课件 73 一 主机 微处理器 CPU 是控制装置的核心 二 输入 输出接口电路 在计算机控制系统中 输入 输出过程通道的信息不能直接与主机的总线相接 它必须由接口电路来完成信息传递的任务 三 输入 输出过程通道 为了实现发电机自动并列操作 须将电网和待并发电机的电压 频率等状态量按要求送到接口电路进入主机 二 数字式并列装置的硬件电路 精品课件 74 三 输入输出过程通道 1 输入通道 1 交流电压幅值测量 2 频率测量 二 数字式并列装置的硬件电路 测量交流信号波形的周期T 把交流电压正弦信号转化为方波 经二分频后 它的半波时间即为交流电压的周期T 精品课件 75 3 相角差 e测量 把电压互感器二次侧的交流电压信号转换成同频 同相的方波 UG UX的两个方波信号接到异或门 当两个方波输入电平不同时 异或门输出为高电平 用于控制可编程定时计数器的计数时间 其计数值N即与两波形间的相角差 e相对应 精品课件 76 2 输出通道自动并列装置的输出控制信号有 发电机转速调节的增速 减速信号 调节发电机电压的升压 降压信号 并列断路器合闸脉冲控制信号 这些控制信号可由并行接口电路输出 经放大后驱动继电器用触点控制相应的电路 二 数字式并列装置的硬件电路 精品课件 77 四 人一机联系 主要用于程序调试 设置或修改参数 常用的设备有 1 键盘 用于输入程序和数据 2 按钮 供运行人员操作 3 CRT显示器 生产厂调试程序时需要 4 数码和发光二极管显示指示 为操作人员提供直观的显示方式 以利于过程的监控 二 数字式并列装置的硬件电路 精品课件 78 三 数字式并列装置的软件 一 电压检测 精品课件 79 二 频率检测 发电机电压和系统电压分别由可编程