第三章 同步发电机自动并列装置

第三章同步发电机自动并列装置

教学目的：掌握关于并列的一些基本概念，并列操作的基本要求、方法及特点，掌握准同期并列条件分析，了解自动准同期装置的构成、作用及原理，了解微机型自动准同期并列装置的特点，掌握其构成原理。重点：准同期并列条件分析；压差、频差及相角差鉴别原理。

第一节概述一、电力系统并列操作的意义

并列操作：将同步发电机投入电力系统并列运行的操作。

同期点：在发电厂内，凡可以进行并列操作的断路器。如：发电机出口断路器，发电机双绕组变压器组的高压侧断路器，发电机三绕组变压器组的各侧断路器都是同期点；母线联络断路器、旁路母线断路器都可以作为同期点。但母线分段断路器一般不作为同期点。①发电厂：经常进行的操作，②系统：正常运行时，负荷增加，备用机组迅速投入系统，③系统：事故时，会失去部分电源，也要求将备用机组快速投入电力系统以制止系统的频率崩溃，均要对发电机进行同步操作，将发电机组安全可靠、准确快速地投入系统参加并列运行。①单台发电机与电力系统并列运行，②系统中分开运行的线路断路器正确投入，提高电力系统的稳定性及线路负荷的合理经济分配。电力系统运行中任意母线电压的瞬时值：u=Umsin(ωt+φ)，

δ0=ωt+φ上式反映了电网运行中该母线电压的幅值、频率、相角。这三个状态量常被指定为运行母线电压的三个状态量。什么是并列？同步发电机投入电力系统并列运行的操作，或者电力系统解列的两部分进行并列运行的操作称为并列操作或同期操作。并列分为①发电机并列和②系统并列两种。①发电机并列是将发电机与系统连接的断路器闭合使发电机投入电力系统运行的操作。②系统并列是将连接两个系统联络线上的断路器闭合使两个分开的系统并联运行的操作。对并列的基本要求是：(1)冲击电流不超过允许值，应尽可能小，不超过(1～2)IN;(2)并列后应能迅速进入同步运行。①所谓冲击电流是指并列断路器合闸时通过断路器主触头的电流。一般冲击电流幅值较高而持续时间较短。发电机并列时冲击电流会在定子绕组中产生电动力,其值与冲击电流的平方成正比。冲击电流太大时，过大的电动力可能造成定子绕组损坏，如造成定子绕组端部开断等。还可能造成电力系统中其它设备损坏或电力系统振荡。②这里所谓“进入同步运行”是指刚并入电力系统的发电机组与系统内的发电机组以相同的电气角速度旋转，或两个刚并列的系统内的发电机组以相同的电气角速度旋转。如果并列时冲击电流超过允许值或不能被拉入同步，就会对机组的安全造成危害。当机组容量与系统容量相比足够大时还会对系统产生扰动，造成系统振荡。出现上述情况时,必须立即将刚刚并列的两部分解列.由于并列操作不当可能造成设备损坏或系统振荡,只有有丰富经验的运行人员才允许进行手动并列操作.二、并列的方法准同期并列和自同期并列1.准同期并列准同期并列是待并机组并列前，转子先加励磁电流，并调整到使发电机电压与系统电压相等；同时调整发电机转速使发电机的频率与系统频率相等。当上述两个条件满足时，在相位重合前一定时刻发出合闸脉冲，合上发电机与系统之间的断路器，这种并列称为准同期并列。～G～QF准同期并列的优点：在正常情况下，并列时产生的冲击电流比较小，对系统和待并发电机均不会产生什么危害。准同期并列的缺点：因同期时需调整待并发电机的电压和频率，使之与系统电压，频率接近，这就要花费一定时间，使并列时间加长，不利于系统发生事故出现频率缺额时及时投入备用容量。2.自同期并列

是将一台未加励磁电流、接近同步转速的发电机直接投入系统，随后再给发电机加上励磁电流，在原动机转矩、同步力矩的作用下将发电机拖入同步，完成并列操作。①自同期并列的优点操作简单、并列迅速、易于实现自动化。②自同期并列的缺点是冲击电流大、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（因为并列发电机未经励磁，并列时会从系统中吸收无功功率）。自同期并列只能在电力系统事故、频率降低时使用。因结构简单在中小型水轮机组中有使用。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，其最大冲击电流的周期分量：US—归算到发电机端的系统电压；XS—归算后的系统等值电抗；Xd″—发电机纵轴次暂态电抗。

这时的发电机端电压

(3-5)(3-4)（一）准同期并列的理想条件设并列前发电机电压瞬时值为

uG=UGsin(ωGt+φG)式中UG—发电机电压的幅值;

ωG—发电机电压的角频率;

φG—发电机电压的初相角.系统电压的瞬时值

uS=USsin(ωSt+φS)式中US—系统电压的幅值；

ωS—系统电压的角频率;

φS—系统电压的初相角。ωGt+φGωGωSt+φSωSΔδ+j～G～QF+10理想条件：如果调节断路器两侧电压的幅值相等、频率相同、相角一致,断路器两端的电压差ΔU就会等于零。此时，闭合断路器主触头时冲击电流为零,且并列之后双方会立即同步运行。这就是同期并列的理想条件。用数学式表达，即①fG=fS

,或ωG=ωS

,fD=fG-fS＝0②UG=US,ΔU=UG-US=0;③δG=δS

,δ=δG-δS=0.δG和δS是发电机电压和系统电压的相角。ωGt+φGωGωSt+φSωSδ+1+j～G～QF0为何满足理想条件？ωSωGωS～～GGsQFωGδXL准同期并列偏差对并列的影响实际很难使三个条件同时成立,存在误差，也没有必要这么苛求，只要合闸时冲击电流较小，不危及电气设备，合闸后发电机能很快拉入同步运行即可。下面分析电压幅值差、频率差和相角差对并列产生的影响。分析时为了突出主要矛盾和便于分析，假设三个条件中两个条件同时满足，只有一个条件不满足。

1．合闸电压幅值差对并列的影响分析条件是：fG=fS

,δG=δS,,UG≠US并列时产生的冲击电流的有效值Xd″－发电机直轴次暂态电抗；XS－电力系统等值电抗。图3-5(a)准同期并列条件分析的向量图

fD=0，δ=0，UG>US；在忽略待并发电机定子电阻和系统等值电阻的情况下,Ìh″滞后电压差ΔÚ90˚。Ìh″也滞后ÚG90˚.所以，在只存在电压差的情况下并列机组会产生无功冲击电流。后果:冲击电流过大会引起发电机定子绕组发热而产生电动力使端部受到损坏.所以冲击电流最大瞬时值应限制在1～2倍IN以下.冲击电流的最大瞬时值返回2．合闸相角差对并列的影响分析条件是：fG=fS，UG=US,δ≠0。由于并列时δ一般都很小,Ìh″与ÚG基本上同相位,所以在只有相角差情况下并列时的冲击电流主要是有功分量。图3-5(b)准同期并列条件分析向量图

ΔU=0，fD=0，δ≠0.Δδ有功分量电流在发电机轴上产生冲击力矩，严重时损坏发电机。冲击电流主要是有功分量，意味着合闸后发电机与系统立刻进行有功功率交换。图3-5准同期并列条件分析向量图

ΔU=0，fD=0，δ≠0.δ后果:说明并列后发电机与系统之间立刻交换有功功率,意味着发电机突然得到制动或加速转矩,将使机组联轴受到突然的应力冲击,使发电机大轴产生抖动或机械损伤.只存在相角差时,并列时产生的冲击电流的有效值并列前发电机空载运行,定子电压和电势相等,冲击电流有效值也可用下式表示：式中Eq″—发电机交轴次暂态电势。δ3．合闸频率差对并列的影响分析条件是：UG=US，δ=0，fG≠fS。设待并发电机组并网之前机械角速度为ΩG，系统等值机组的机械角速度为ΩS，且待并发电机和系统等值发电机的极对数相等。这样，机组并网之前转子(包括发电机转子和原动机转子)中储存的动能式中J—发电机组的转动惯量。机组并网之后，如果被拉入同步运行，机组转子中储存的动能由于ΩG≠ΩS，所以机组并网前后，转子中储存的动能不相等，两者之差即，在机组并入电网被拉入同步的过程中，将把转子中储存的动能的一部分(ΔW)送到电力系统中。由于机组有转动惯量，上述能量交换过程将伴随着机组转速摇摆(振荡)进行。第二节整步点压目标：找一电量，包含同步三条件信息。发电机电压瞬时值为uG=UGmsin(ωGt+φG)系统电压的瞬时值为uS=USmsin(ωSt+φS)(设φG

=φS=0)我们将uD=uG-uS=UGmsinωGt-USmsinωSt

称为滑差电压该电压是脉动的，又称为脉动电压。uD=UGmsinωGt-USmsinωSt

（设

UGm=USm=Um）①并列时ωD很小,上式中正弦项变化很缓慢,它是频率为的波形振幅包络线,即滑差电压的幅值，用uDm表示：②而余弦项说明了uD

变化的频率，其频为,因为ωG与ωS相接近,ωG≈ωS因此uD变化的频率ωD与ωG或ωS很接近。即ωD≈ωG≈ωSωSt+φ0SωGωGt+φ0GωSδ+j+100t脉动电压uD的幅值包络线含有准同期并列三条件的信息：电压差、频率差、相位差。为此将uD

整流滤波后得到的uzb

δ=ωDt=2πfDt

=(2π/TD

)tωD=ωG-ωSωD1>ωD2TD1<TD2TD1TD2ωD1ωD2uzb><t如何检测三个条件？1.电压差条件①当UGm=USm时,在δ=0(或2π时),UD=0(即ΔU=0);②当UGm≠USm时,在δ=0(或2π时),UD≠0,但值最小,因此最小值就是两电压的差值,即UD·min=|UGm-USm|检测:在δ=0时,通过对UD•min的测量,就可以判别电压幅值差是否超出允许值。TD1TD2ωD1ωD2UDTD1TD2ωD1ωD2UDUGm+USm|UGm-USm|tt2.频率差条件就是对ωD=ωG-ωS进行检测：即要求ωD≤ωDy而δ=ωDt=2πfDt=(2π/TD

)t，即TD与ωD成反比，可见,若要求ωD小于某一允许值,则要求TD大于某一给定值。例如：ωD允许值ωDy规定为0.2%，即ωD

≤

ωDy=0.2%•2πfN=

0.2π则TD≥2π/0.2π=10s因此通过检测TD的大小,就可判别频率差条件是否满足要求。3.相位条件δ=ωDt=(ωG-ωS)t=ωGt-ωSt=φG-φS若并列断路器主触头能于两电压相位差δ=0的时刻闭合，则说明满足相位条件。合闸接触器动作及断路器操动机构动作完成合闸需一定时间，约0.2～0.6s，因此合闸脉冲应在δ=0之前发出：①若在δ=0之前某一恒定角度δYJ发出合闸信号,则该同期装置称为恒定越前相角型同期装置,δYJ称为恒定越前相角。②若在δ=0之前某一恒定时间tYJ发出合闸信号,则该同期装置称为恒定越前时间型同期装置,tYJ称为恒定越前时间。ωD1ωD2=ωDy0UDtωD1ωD2UDttYJUA,UA↔δYJ(δYJ=ωDtD)↔tDωD3ωD3tYJtYJδYJtD1tD2tD3δ=0δ=0δ=0整步电压：包含同步条件信息量的电压。

1.正弦整步电压正弦整步电压不仅是发电机电压和系统电压的相角差的函数，而且与它们的电压差值有关，引入了受电压影响的因素，成为合闸误差的原因之一。

2.线性整步电压线性整步电压只与发电机电压和系统电压的相角差有关,而与它们的幅值无关。半波线性整步电压形成电路0tt,

δt2πTD三角形脉动电压形成电路的波形图002πt,

δ0降压变压器整形电路相敏电路射极跟随器全波线性整步电压的形成滤波电路全波线性整步电压的形成电路0(0)000tt,δttt(-π)(+π)TS全波线性整步电压形成电路的波形图(1)Uzb∆不能表征发电机电压和系统电压的幅值之差ΔU。(2)Uzb∆表征发电机电压和系统电压的相角差δ。(3)可以利用线性整步电压Uzb∆①获得越前时间信号tYJ和②检查频率差。线性整步电压的特点(t≤0,-π≤δ≤0)

(0)t,δ(-π)(+π)TSA①UZbΔ的上升段为②UZbΔ的下降段为(t≥0，0≤δ≤π)式中t—时间，其零点在UZbΔ的最大点；

A—UZbΔ的最大值。③UZbΔ的周期TS表征发电机电压和系统电压频率差fs的大小。Ts与fs的关系为式中fs—滑差频率，fs=fG–fS。(0)t,δ

(-π)(+π)TSA第三节

自动准同期装置半自动准同期装置：电压及频率的调整手动完成，检查频差、压差和送出合闸脉冲由装置自动完成。全自动准同期装置：电压及频率的调整、检查频差、压差和发出合闸脉冲均由装置自动完成。优点：①准同期条件能被装置自动监视、限制在允许偏差范围内，最大限度地杜绝了发生误并列的可能性；②无需操作人员有丰富的经验；③可大大加快并列的过程，事故时能快速投入备用机组。一、自动准同期装置的组成自动准同期装置由频率差控制单元、电压差控制单元和合闸信号控制单元三部分组成。频率差控制单元:自动检测发电机电压与系统电压频率差的方向,发出增速或减速信号送到机组调速器的“频率给定”环节,自动调节发电机电压的频率,使频差减小。电压差控制单元:自动检测发电机电压与系统电压的幅值差的方向，发出升压或降压信号送到发电机励磁调节器的“电压给定”环节，自动地调节发电机电压的幅值，使幅值差减小。合闸信号控制单元:自动检测发电机电压与系统电压之间的频率差和幅值差,在频率差和幅值差均小于整定值时,在相角差δ=0前发出合闸信号送到发电机断路器的控制回路,使断路器合闸。二、准同期并列装置的原理按照提前量的不同，准同期并列装置分为恒定越前时间式和恒定越前相角式。ωD1ωD2=ωDy0UDtωD1ωD2UDttYJUAωD3ωD3tYJtYJδYJtD1tD2tD3δ=0δ=0δ=0UA↔δYJ(δYJ=ωDtD)↔tD这个越前时间等于发电机断路器的标称合闸时间。对于一个确定的断路器，它的标称合闸时间是恒定不变的。所以称上述这种同期并列方式叫做恒定越前时间准同期并列。“恒定越前时间”的目的是使断路器主触头闭合时δ＝0→ihm″

=0三、恒定越前时间准同期并列装置的整定计算理想:tYJ

=tc

＋tQF可保证主触头在δ=0时闭合。实际上,每次并列时tYJ

、tQF、tc可能出现一个不大的变化,出现了时间误差。当ωD较大时,时间偏差引起的δ也较大。为了在准同期并列时,保证冲击电流不超过允许值,应以允许的冲击电流值为依据,计算出允许的合闸误差角及允许的滑差角频率。

1.越前时间tYJ

tYJ

=tc

＋tQF2.确定允许滑差角频率ωDy根据δey和Δt，确定允许的滑差角频率ωDy

Δt=ΔtQF+Δtc由时间偏差造成的误差角为：

δe

=ωDΔt

=ωD（ΔtQF+Δtc）合闸瞬间ωD变化很小，认为是常数，最大误差角不能超过允许的合闸误差δey

，以δe=δey考虑临界状态,可得ωD最大允许值ωDy3.计算允许的电压差ΔUDy