电力系统自动化 第4章 同步发电机自动并列原理

1、电力系统自动化电力系统自动化 第第4章章 同步发电机自动并列原理同步发电机自动并列原理 4.1 概述概述 4.1.1 并列操作的意义并列操作的意义 4.1.2 对并列操作的基本要求对并列操作的基本要求 4.1.3 并列操作方式并列操作方式 4.2 自动准同期装置的组成自动准同期装置的组成 4.2.1 准同期并列的理想条件准同期并列的理想条件 4.2.2 并列误差对并列的影响并列误差对并列的影响 4.2.3 典型自动准同期装置的组成及并列原理典型自动准同期装置的组成及并列原理目录电力系统自动化电力系统自动化第4章 同步发电机自动并列原理 随着负荷的变化，同步发电机经常并列操作，电力系随着负荷的变

2、化，同步发电机经常并列操作，电力系统的并列每天都在进行统的并列每天都在进行 当系统发生某些事故时，往往要求将备用发电机组迅当系统发生某些事故时，往往要求将备用发电机组迅速投入电网运行速投入电网运行 在电力系统运行中并列操作是较为频繁的在电力系统运行中并列操作是较为频繁的 随着电力系统容量的增大，同步发电机的单机容量也随着电力系统容量的增大，同步发电机的单机容量也越来越大，不恰当的并列操作将会导致严重后果。越来越大，不恰当的并列操作将会导致严重后果。电力系统自动化电力系统自动化4.1.1 并列操作的意义 在电力系统运行中，任一母线电压均可表示为在电力系统运行中，任一母线电压均可表示为 式中式中

3、电压幅值电压幅值 电源的角频率电源的角频率 初相角初相角 反映了母线电压的反映了母线电压的幅值、频率幅值、频率和和相角相角，这三个重要参，这三个重要参数常被指定为运行母线的状态量数常被指定为运行母线的状态量)sin(tUummU电力系统自动化电力系统自动化 发电机组在未投入系统运行之前，它的电压与系统电发电机组在未投入系统运行之前，它的电压与系统电压二者的状态量往往不相等压二者的状态量往往不相等 将发电机投入系统并参加并列运行的操作称之为将发电机投入系统并参加并列运行的操作称之为并列并列操作操作 一般情况下，一个电力系统中并列运行的各发电机是一般情况下，一个电力系统中并列运行的各发电机是处于同

4、步的，同步发电机的并列操作称为处于同步的，同步发电机的并列操作称为同期同期。4.1.1 并列操作的意义电力系统自动化电力系统自动化 在电厂中，每一个有可能进行并列操作的在电厂中，每一个有可能进行并列操作的断路器断路器都是都是电厂的电厂的同期点同期点。4.1.1 并列操作的意义图图4.1 发电厂内的同期点发电厂内的同期点电力系统自动化电力系统自动化 发电机在并列操作时，要求：发电机在并列操作时，要求： （1）并列瞬间，发电机的）并列瞬间，发电机的冲击电流冲击电流不应超过规定的不应超过规定的允许值允许值 规定的允许值为非同步合闸时所允许冲击电流的一规定的允许值为非同步合闸时所允许冲击电流的一半，对

5、于汽轮发电机为半，对于汽轮发电机为 其中，其中， 为冲击电流周期分量有效值，为冲击电流周期分量有效值， 为发电机为发电机额定电流，额定电流， 为发电机的直轴次暂态电抗为发电机的直轴次暂态电抗 （2）并列后，发电机应能迅速进入同步运行状态，）并列后，发电机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进入同步运行的暂态过程要短4.1.2 对并列操作的基本要求 265. 0/dechxIIchIeI dx电力系统自动化电力系统自动化4.1.3 并列操作的方式 发电机的并列操作方式通常分为发电机的并列操作方式通常分为准同期并列准同期并列和和自同期自同期并列并列两种两种 准同期：准同期：发电机在

6、并列合闸前已励磁，发电机在并列合闸前已励磁，当发电机频率当发电机频率、相角、电压大小分别和并列点处系统侧接近相等时、相角、电压大小分别和并列点处系统侧接近相等时，将发电机断路器合闸，完成并列操作，将发电机断路器合闸，完成并列操作 自同期自同期：将未励磁、接近同步转速的发电机投入系统：将未励磁、接近同步转速的发电机投入系统，并同时给发电机加上励磁，并同时给发电机加上励磁，在原动机力矩、同步力在原动机力矩、同步力矩等作用下把发电机拖入同步矩等作用下把发电机拖入同步，完成并列，完成并列 手动准同期手动准同期 手动自同期手动自同期 自动准同期自动准同期 自动自同期自动自同期电力系统自动化电力系统自动化

7、4.2.1 准同期并列的理想条件 设待并发电机组设待并发电机组G已经加上了励磁电流，其端电压为已经加上了励磁电流，其端电压为 ，QF为并列断路器，系统的电压为为并列断路器，系统的电压为 。 合闸前，由于合闸前，由于QF两侧的电压两侧的电压状态量不相等状态量不相等，QF主触头主触头之间有之间有电压差电压差 ，当系统参数一定时，发电机并列时，当系统参数一定时，发电机并列时的的冲击电流冲击电流决定于合闸瞬间的决定于合闸瞬间的 值。值。图图4.2 准同期并列电路准同期并列电路gUsUUU电力系统自动化电力系统自动化 准同期并列的最理想情况为准同期并列的最理想情况为 的值为零，合闸冲击的值为零，合闸冲击

8、电流为零，电流为零，即两侧的电源电压三个状态量全部相等即两侧的电源电压三个状态量全部相等： (1)待并发电机待并发电机频率频率与系统相等，即与系统相等，即滑差（频差）为零滑差（频差）为零 (2)待并发电机待并发电机电压电压与系统幅值相等，即与系统幅值相等，即压差为零压差为零 (3)断路器主触头闭合瞬间，待并发电机电压与系统电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压间的瞬时相角差为零相角差为零 实际运行中，实际运行中，很难满足理想条件很难满足理想条件，只要满足合闸冲击，只要满足合闸冲击电流较小，暂态过程短，对电机和系统影响小即可电流较小，暂态过程短，对电机和系统影响小即可4.2.

9、1 准同期并列的理想条件Usgff sgUU 0电力系统自动化电力系统自动化4.2.2 并列误差对并列的影响 1.电压幅值差电压幅值差 2.合闸相角差合闸相角差 3.滑差（频差）滑差（频差）电力系统自动化电力系统自动化1.电压幅值差 并列时，并列时，只有发电机电压幅值与系统不相等只有发电机电压幅值与系统不相等 此时产生的此时产生的冲击电流冲击电流最大值最大值 此电压差产生的是无功冲击电流，此电压差产生的是无功冲击电流，冲击电流的电动力冲击电流的电动力对发电机绕组产生影响对发电机绕组产生影响，会对脆弱的定子绕组端部造，会对脆弱的定子绕组端部造成机械危害成机械危害sdsdsgchXXUXXUUi

10、max.55. 2)(28 . 1发电机的直轴次暂态电抗；发电机的直轴次暂态电抗；系统等值电抗系统等值电抗 dXsX电力系统自动化电力系统自动化2.合闸相角差 断路器闭合时间存在机械误差，自动准同期装置也可断路器闭合时间存在机械误差，自动准同期装置也可能出现时间上的误差能出现时间上的误差，所以发电机每次并列瞬间无法，所以发电机每次并列瞬间无法保证相角差为零。保证相角差为零。 当压差和频差为零时，闭合瞬间当压差和频差为零时，闭合瞬间相角差的电压相角差的电压矢量图矢量图 此时产生此时产生冲击电流冲击电流最大值最大值 max.sin55. 2)2sin2(28 . 1qsqschXUXUi qX发电

11、机的交轴次暂态电抗发电机的交轴次暂态电抗电力系统自动化电力系统自动化 当当 很小时，有很小时，有 此时冲击电流为此时冲击电流为有功冲击电流有功冲击电流，对汽轮机组的安全与，对汽轮机组的安全与寿命影响较大寿命影响较大 当角差与压差同时存在，分析它对发电机组产生的冲当角差与压差同时存在，分析它对发电机组产生的冲击效果时，应将它分为击效果时，应将它分为有功冲击电流有功冲击电流和和无功冲击电流无功冲击电流两部分两部分2.合闸相角差sin2sin2压差、相角差均不为零时的电压矢量图压差、相角差均不为零时的电压矢量图电力系统自动化电力系统自动化3.滑差（频差） 在并列时，待并发电机的频率与系统在并列时，待

12、并发电机的频率与系统频率差频率差表示为：表示为： 当两交流电压的频率不相等且有公共接地点时，一般当两交流电压的频率不相等且有公共接地点时，一般用用两个有相对旋转速度的矢量两个有相对旋转速度的矢量来表示它们来表示它们 两交流电压间的瞬时相角差两交流电压间的瞬时相角差 就是图中两矢量间的夹就是图中两矢量间的夹角，角，两电压矢量间的相对电角速度称为两电压矢量间的相对电角速度称为滑差角速度（滑差角速度（简称滑差）简称滑差）sgffffffsgs2)(2电力系统自动化电力系统自动化 滑差滑差 有有正负值正负值，其方向与所规定的参考矢量有关，其方向与所规定的参考矢量有关 以系统电压以系统电压 为参考矢量为

13、参考矢量 ，而，而 如果用如果用 表示表示滑差周期滑差周期，则，则 滑差或者滑差周期滑差或者滑差周期都可以表示待并发电机与系统之间都可以表示待并发电机与系统之间频率差的大小。频率差的大小。 在有滑差情况下机组并列，需要经过加速或减速时机在有滑差情况下机组并列，需要经过加速或减速时机组与系统频率上同步，组与系统频率上同步，力矩会对机组造成冲击力矩会对机组造成冲击。3.滑差（频差）ssU0ssgff时，0ssgff时，fTss12sT电力系统自动化电力系统自动化4.2.3 典型自动准同期装置的组成及并列原理 1.自动准同期装置的组成自动准同期装置的组成 2.准同期并列装置原理准同期并列装置原理 1

14、）线性整步电压的产生）线性整步电压的产生 2）滑差检测）滑差检测 3）压差检测）压差检测电力系统自动化电力系统自动化1.自动准同期装置的组成 (1)频差控制单元频差控制单元：检测：检测滑差角频率滑差角频率并调节发动机转速并调节发动机转速 (2)电压差控制单元电压差控制单元：检测：检测电压差电压差并调节发电机电压并调节发电机电压 (3)合闸信号控制单元合闸信号控制单元：检查并列条件，当频率和电压：检查并列条件，当频率和电压均满足条件时，均满足条件时，在合适的时间发出合闸信号在合适的时间发出合闸信号，保证接，保证接通时相角差通时相角差 接近于零或控制在允许范围内。接近于零或控制在允许范围内。自动准

15、同期装置组成自动准同期装置组成电力系统自动化电力系统自动化2.准同期并列装置原理 合闸信号控制单元合闸信号控制单元是准同期并列装置的是准同期并列装置的核心部件核心部件 控制原则控制原则是：当频率和电压都满足并列条件时，在是：当频率和电压都满足并列条件时，在 与与 重合前发出合闸信号，使断路器合闸瞬间重合前发出合闸信号，使断路器合闸瞬间 刚刚好等于零好等于零 准同期并列装置按提前量的不同可分为：准同期并列装置按提前量的不同可分为： 恒定越前相角恒定越前相角：采用的提前量为某一恒定相角：采用的提前量为某一恒定相角 恒定越前时间恒定越前时间：采用的提前量为某一恒定时间信号：采用的提前量为某一恒定时间

16、信号 线性整步电压线性整步电压：指其幅值在一周期内与相角差：指其幅值在一周期内与相角差 分段分段按比例变化的电压按比例变化的电压gUsU电力系统自动化电力系统自动化1）线性整步电压的产生 电路由电路由整形电路、相敏电路整形电路、相敏电路及及滤波电路滤波电路三部分组成。三部分组成。 VD101、VD102、VD103组成相敏电路，组成相敏电路，特性特性：当：当VD105的基极电压为零，其集电极输出电压最大；反的基极电压为零，其集电极输出电压最大；反之为零。之为零。图图4.8 ZZQ-5的线性整步电压的工作原理图的线性整步电压的工作原理图电力系统自动化电力系统自动化1）线性整步电压的产生图图4.9

17、 线性整步电压发生图线性整步电压发生图电力系统自动化电力系统自动化1）线性整步电压的产生图图4.10 越前时间的比例微分原理电路图越前时间的比例微分原理电路图电力系统自动化电力系统自动化1）线性整步电压的产生)(1151141153tARRRussACRRRRu115114115114 3电力系统自动化电力系统自动化 说明电平检测器翻转瞬间的说明电平检测器翻转瞬间的 值与值与 无关，是仅与无关，是仅与 R及及C的数值有关的常量。即为的数值有关的常量。即为“越前时间越前时间”。1）线性整步电压的产生ARRRuu115114115 3311114CRtsds0114CRtsdsCRtd114翻转电

18、平翻转电平dts越前时间恒定原理示意图越前时间恒定原理示意图电力系统自动化电力系统自动化2）滑差检测图图4.9 线性整步电压发生图线性整步电压发生图电力系统自动化电力系统自动化 由由 ，越前相角恒定时，越前时间与，越前相角恒定时，越前时间与 成反比成反比 当当 对应对应 临界滑差临界滑差 当当 对应对应 滑差过大滑差过大 当当 对应对应 滑差合格滑差合格2）滑差检测图图4.13 滑差检测原理示意图滑差检测原理示意图isitsdmdstt 2.,时2 . sTdmdstt 1.,时1 . sTdmdstt 3.,时3 . sT电力系统自动化电力系统自动化 电压差检测由电压差检测由电压测量回路电压测量回路和和电压比较器电压比较器组成组成 电压测量回路电压测量回路由两组相同电路构成，分别输入发电机由