大角度非准同期并网试验在水轮发电机电磁模型性能试验系统中的实现

胡丽杰，刘 莹，李金香，梁 彬，王洪泉，高 尚，韩 波

(水力发电设备国家重点实验室，哈尔滨 150040)

大角度非准同期并网试验在水轮发电机电磁模型性能试验系统中的实现

胡丽杰，刘 莹，李金香，梁 彬，王洪泉，高 尚，韩 波

(水力发电设备国家重点实验室，哈尔滨 150040)

本文论述了在水轮发电机电磁模型性能试验系统中进行非准同期并网实验的实现过程，并得出水轮发电机侧与网侧 0°～180°不同电压相角差并网时对水轮发电机电压、电流的冲击数据，此数据对水轮发电机设计及解决现场故障有一定的指导作用。

同期并网装置；水轮发电机；非准同期并网

0 前言

在水电站发电机并网操作是一项较频繁而且十分重要的操作。如果并网操作不正确，发电机将承受很大的冲击电流，使发电机和发电机串联中的断路器、主变等设备受损，甚至影响到系统的安全运行。非准同期并网对水轮发电机组及电网的危害是不可估量的，所以，我们需要正确认识非准同期并网对水轮发电机组及电网的危害并掌握危害的程度。由于电站真机系统不允许做这样的试验，因此重点实验室自主开发研制了水轮发电机电磁模型性能试验系统，通过试验获得了非准同期并网对水轮发电机组及电网危害的数据。此数据对水轮发电机设计及解决现场故障有一定的指导作用。

1 水轮发电机电磁模型性能试验系统

为了深入地研究大型水轮发电机电磁性能、机网特性而建立水轮发电机电磁模型性能试验系统，它主要是完成真实模拟大型水轮发电机各种正常运行工况及各种故障性工况的任务。水轮发电机电磁模型性能试验系统由主回路部分、测控系统部分组成。水轮发电机电磁模型性能试验系统如图 1所示，主要由100kW水轮发电机、110kW异步电动机、160kW变频器、西门子的6RA70系列全数字直流调速装置、PLC采集控制部分、同期并网装置、主回路各种电气开关、测量仪器等组成。其中，110kW异步电动机模拟水轮发电机；160kW变频器实现调速器的功能，对异步电动机转速进行调节；西门子的6RA70系列全数字直流调速装置实现发电机励磁调节系统功能，用来调节100kW水轮发电机输出的端电压大小。

水轮发电机电磁模型性能实验台系统由6kV供电，由于引入两种阻抗，模拟电站现场线路阻抗Z2和防止短路试验时短路电流对变压器冲击的阻抗 Z1、Z3，所以选用降压变压器1（600kVA，6000/690，58A/502A）将6kV降为690V。又因为调节异步电动机转速的变频器需380V供电电源，所以再经降压变压器2（250kVA，690/380，209A/380A）将690V降为380V，异步电动机带动同轴水轮发电机旋转，在发电机励磁系统的共同作用下建立旋转磁场，水轮发电机的定子上发出380V交流电压，当水轮发电机发出电压波形与网上电压波形满足并网三要素（电压幅值、频率、相位）时在同期并网装置作用下进行自动同期并网操作，将同步发电机并到电网上，向电网输送电能。

图1 水轮发电机电磁模型性能试验系统

2 同期并网在试验系统中的实现

同期并网包括准同期并网和非准同期并网。同期并网是发电机并网前先将转速调到额定转速，加励磁调节发电机端电压，当发电机输出电压的相位、频率、幅值与网侧电压的相位、频率、幅值符合并网三要素时，发电机断路器合闸，完成发电机并网操作。

准同期并网又分为手动准同期并网与自动准同期并网两种方式，本试验系统采用自动准同期并网。准同期并网应具备的理想条件和实际条件[1]。

（1）发电机电压与网侧电压有效值相等，其误差允许范围5%～10%。

（2）发电机频率与网侧频率相等，其误差允许范围 0.2Hz～0.5Hz。

（3）发电机电压与网侧电压相角相同，其误差允许范围小于10°。

水轮发电机并入电网时可能发生非准同期并网情况，只要没有满足并网条件中的一项或多项都属于非同期并网。由于发电机侧与网侧对压差和频差导致并网瞬间并列点两侧出现一定的无功功率和有功功率的交换都有相当的承受力，而发电机并网时相角差的存在会导致机组损伤，所以不满足并网条件（3）是非同期并网中最为严重的[2]。本文中发电机电磁模型性能试验系统对发电机系统危害最严重的情况进行试验，即满足并网条件（1）、（2），不满足并网条件（3），使发电机与网侧并网瞬间电压相角差为 0°～180°准同期与非准同期并网的试验。

2.1 同期并网装置及调试试验

同期并网装置是水轮发电机电磁模型性能试验系统中同期并网试验的核心装置。同期并网装置在差频并网过程中出现同频时，装置将自动给出加速控制命令，消除同频状态，并且同期并网装置应用自身精确的控制数学模型确保装置能绝不遗漏地捕捉到第一次出现的并网时机，并精确地在用户所要求的相角差时完成并网。

同期并网装置工作是否正常决定发电机组是否能够顺利和安全并入电网，所以发电机组并网试验前对并网装置的动、静态调试显得尤为重要。由于某些试验人员往往忽略同期装置一些重要的真并网前调试试验的细节，导致在有些试验发生假并网或真并网试验中出现故障停机的现象，从而延误整个试验进程。所以同期并网装置应用到水轮发电机电磁模型性能试验系统的并网系统中，首先进行真并网前的各项试验，如自测试试验、导前时间测试试验、调速脉冲检查试验、调压脉冲检查试验、外回路检查试验、核相试验、假同期试验[3]等。这样不仅能够检验同期并网装置的工作是否正常，还可以检验整个并网系统的回路是否存在故障。

2.2 同期并网实现过程

水轮发电机电磁模型性能试验系统在发电机进行同期并网过程中由上位计算机对同期并网装置进行设置，同期并网装置与上位机的信息传输是通过以太网UDP协议进行传输的。对同期并网装置进行设置的上位机同期并网监控界面如图 2所示，包括装置参数初始化、同期参数初始化、运行监视、录波事件。点击进入装置参数初始化或同期参数初始化界面，按试验要求对装置参数、同期参数进行初始化设置；点击进入运行界面，可以监测到发电机侧与网侧并网的全过程，当运行界面的“就绪”指示灯变绿，启动同期并网[4]。此时由同期并网装置对机组频率及电压进行控制发出调节的信号。调节信号以干接点方式输出，送给PLC作为数字输入。PLC接收到装置发出的信号后，对其脉冲信号进行计数，并在PLC系统中分别生成电压和频率两种升降微调脉冲计数值。上位机通过OPC将脉冲数读到上位机监控系统中，并根据试验工况，确定合适的微调步长，生成微调指令，从而修正原转速和电压给定指令，确保最快最平稳地使频差及压差进入整定范围以满足并网三要素中的两要素。当电压与转速符合并网条件后，并网装置等待符合试验要求的相角差出现，自动捕捉发出合闸脉冲，闭合断路器，发电机并入电网，同期并网装置闭锁退出系统。

图2 上位机同期并网监控界面

3 试验结果

水轮发电机电磁模型系统成功实现了相角差 0°～180°同期并网实验，本文着重介绍对发电机影响较严重的120°和180°相角差非准同期并网工况的实验数据。图3～6中上边框T即下边框0us时刻为发生并网的时刻。图3为相角差120o电机端电压波形，在并网点时刻对发电机端电压的最大峰值冲击达到880V；图5为相角差180o电机端电压波形，在并网点时刻对发电机端电压的最大峰值冲击达到730V。对比图3和图5得出相角差120o对发电机端电压冲击比较大。图4所示相角差120o电机电流波形，在并网点时刻对发电机电流最大峰值的冲击达到1900A；图6为相角差180o电机峰值电流波形，在并网点时刻对发电机电流最大峰值的冲击达到2700A。对比图4和图6得出相角差180o对发电机电流冲击比较大。不同系统相同相角差工况下电流具体数值通常是不同的，与系统线路及主变压器的参数大小有直接关系。

4 结束语

本文论述了水轮发电机电磁模型电机相角差 0°～180°同期并网试验，实现了水电站现场不能进行的非准同期并网试验，特别是较为严重的120°和180°相角差对电机危害比较大的同期并网实验工况。120°相角差并网瞬时最大电压可达880V，是水轮发电机额定电压最大值537V的1.64倍；180°相角差并网瞬时最大电流可达2700A，是水轮发电机额定电流最大值267A的10倍。水轮发电机电磁模型性能试验数据的获得对电机设计及现场故障的处理有一定的指导作用。

图3 相角差120o电机端电压波形

图4 相角差120o电机电流波形

图5 相角差180o电机端电压波形

图6 相角差180o电机电流波形

[1] 王莹. 电力系统及其自动化[M]. 中国电力出版社，2007.

[2] 龚炳林. 发电机非同期并列的危害与对策[J].电气时代, 2005, (3).

[3] 胡征东, 刘宇, 钟磊. 发电机同期系统试验及并网过程分析[J]. 湖南电力, 2008, (6).

[4] 胡丽杰, 等. 水轮发电机并网装置通讯与测控软件的开发[J]. 大电机技术, 2012, (5).

审稿人：毕纯辉

Application Performance of Synchronous Device for the Hydro-generators Electromagnetic Model Test Bed

HU Lijie, LIU Ying, LI Jinxiang, LIANG Bin, WANG Hongquan, GAO Shang, HAN Bo
(State Key Laboratory of Hydro-power Equipment, Harbin 150040, China)

Based on the synchronous device in synchronous system really before commissioning test in this paper, the synchronization process description and the application in the system of electromagnetic model performance test-bed of hydro- generator. The generator side and grid side 0 °～180° different voltage phase angle difference grid of water wheel generator voltage, current impact data, this data has the certain instruction function to the hydro-generator design and on-site to solve fault.

synchronous device; hydro-generator; non synchronization

TM312

A

1000-3983(2014)03-0013-03 基金项目：国家重点基础研究发展计划项目（973项目）（2012CB724402）

2013-07-16

胡丽杰（1977-），2006年毕业于哈尔滨工业大学电机与电器专业，硕士研究生，现从事电机测试与控制工作，工程师。