小湾电厂机组同期失败原因分析及处理

纪正堂 王远洪

摘 要：同期装置是在电力系统运行过程中用来完成两个不同系统之间并列运行的装置。本文主要介绍小湾电厂同期装置的配置及原理，分析小湾电厂4号机组出现同期失败的原因，简述同期失败的解决方法，对水电厂出现类似问题有指导借鉴意义。

关键词：同期装置；同期失败；研究

1 同期装置原理及作用

1.1 同期装置定义

同期装置一种在电力系统运行过程中执行并网时使用的指示、监视、控制装置，它可以检测并网点两侧的电网频率、电压幅值、电压相位是否达到条件，以辅助手动并网或实现自动并网。

1.2 同期装置的说明

电力系统运行过程中常需要把系统的联络线或联络变压器与电力系统进行并列，这种将小系统通过断路器等开关设备并入大系统的操作称为同期操作。所谓同期即开关设备两侧电压大小相等、频率相等、相位相同，同期装置的作用是用来判断断路器两侧是否达到同期条件，从而决定能否执行合闸并网的专用装置；一般情况下，变电站对于需要经常并列或解列的断路器装设手动准同期装置，一般采用集中同期方式。

1.3 同期装置的分类

准同期并列操作就是将待并发电机升至额定转速和额定电压后，满足以下四项准同期条件时，操作同期点断路器合闸，使发电机并网。（1）发电机电压相序与系统电压相序相同；（2）发电机电压与并列点系统电压相等；（3）发电机的频率与系统的频率基本相等；（4）合闸瞬间发电机电压相位与系统电压相位相同。自同期并列操作，就是将发电机升速至额定转速后，在未加励磁的情况下合闸，将发电机并入系统，随即供给励磁电流，由系统将发电机拉入同步。

2 小湾电厂同期装置配置

小湾水电厂同期装置分为6套机组出口开关同期装置和3套500kV开关站同期装置，同期方式有手动准同期和自动准同期两种。

每台机组出口开关设有1套自动准同期/手动准同期装置，安装在机旁监控PLC控制A4柜上，装置同期对象为机组出口开关。

500kV开关站每一串设有1套自动准同期/手动准同期装置，分别安装在开关站监控远程同期操作柜A1、A2和A3柜上。远程同期操作柜A1同期对象为500kV第一串的4台开关，远程同期操作柜A2同期对象为500kV第二串的4台开关，远程同期操作柜A3同期对象为500kV第三串的4台开关，如表1。

表1 自动准同期整定参数

3 4号机同期失败现象

2011年7月、9月小湾电厂4号机组2次出现同期失败情况，导致机组开机流程退出，4号机组同期时曲线分别如图1、图2所示。

4 原因分析及处理

4.1 原因分析

电压、频率、相位角三个因素影响同期并网。从曲线图中可以看出机端电压曲线平稳，满足同期并网条件（±2%Un）。相位角为同期装置自动捕捉。从图中看到频率波动比较大，从49.70Hz到50.21Hz之间波动，不能满足同期并网条件（±0.1Hz），因此，频率不满足同期条件便是此次同期失败的主要因素。

根据曲线看出在第一次投入同期后的几秒内频率是依然升高的，最大接近50.2Hz，这是因为机组刚结束开机过程中的1.5倍空载开度向空载开度过度过程，机组的惯性机组频率继续升高，后上升到50.2Hz。此时4号机组开机流程到投同期投入过程，在同期控制的影响下此时的机组导叶除了受机组调速器频率的自身调节外，同期装置也参与了对机组频率的调节。由于机组频率上升较高高，机组自身的调节力度比较大，也就是Ypid值比较大（Gv_Give=Ynld+Ypid），同时同期装置对机组频率的调节力度也是大，机组自身频率调节和同期对机组调节叠加，于是机组频率产生了超调，这就是机组频率在调节过程中上下波动大的原因。相位捕捉周期、同期装置检测周期、调速器运行周期不同，加上频率波动大可能是造成机组在规定同期时间（180s）内没捕捉到同期信号点的原因。

综上所述，引起小湾电厂4号机组同期并网不成功的原因为调速器系统与监控系统配合不当，调速器开机过程中导叶开度过大使机组频率升高较高，导致调速器调节过程中超调量大，机组频率调节稳定时间长。在同期启动时调速器频率未调节稳定，不能满足同期对频率偏差的要求，同期装置与调速器系统同时作用對机组频率进行调节，导致超调量大，同期超时退出。

4.2 解决办法

4.2.1 优化调速器开机规律

小湾调速器开机过程是导叶三分阶段。当调速器接到监控或手动开机令后，从静止态先以空载开度（Gv_Start0）加上5%的导叶开度使机组转动起来，当机组频率达到15Hz之后，调速器开出1.5倍的空载开度使机组的转速加快增加，直到机组的频率到达47.5Hz之后，调速器电柜开出的当前水头下的空载开度Gv_Start0，使机组的转速加速度下降，直至机组频率维持到50Hz。

由于开机过程中导叶开度较大便会造成开机过程中频率冲的较高，随后机组在往50Hz频率调节时，导叶开度减小幅度较大，机组稳定时可能频率比较低，有时会接近49.9Hz，若机组稳定时频率较高，机频与网频频差在0.1Hz之内，同期装置便不会参与机组频率调节，为避免同期装置调节机组频率，可适当减小开机过程中导叶开限。

4.2.2 优化监控系统开机规律

在监控开机流程中同期投入点延后，在调速器频率稳定后再投同期装置。这样避免开机频率过高造成超调。根据调速器系统空载试验结果，监控开机流程中同期投入点延后120s。

4.2.3 优化调速器、监控系统参数

当机频与网频偏差超过同期要求的0.1Hz，同期装置通过计算下发不同长度的增减脉冲令对机组频率进行调节，调速器进行PID计算调节，若调节过程中频率给定调整步长设定大，则会引起机组频超调，会导致频率的往复调节。由于我厂水头变幅较大，在当前水头下该参数可能不是最优匹配参数，为减小同期过程中机组超调，可将该参数适当调小。

当机频和网频偏差在0.1Hz以内时，同期装置是不参与机组调节的，此时机组同期并网用时较短，在当前参数下，当同期装置参与调节时机组可能产生超调，合理的放宽同期装置的“转差率极限”值，可减少机组同期装置动作次数，便可有效避免同期并网失败的次数。将同期装置参与调节的门槛稍微降低，这样也有助于机组的同期并网，参数修改情况如表2所示。

表2

4.3 试验

各参数修改完成后，进行了4号机组同期并网试验，对4号机组导叶开度、机组频率及有功功率进行了录波，对4号机组共开机并网3次，同期情况如表3所示。

表3 4号机组同期情况表

图3 第一次开机试验情况

图4 第二次开机情况

图5 第三次开机情况

5 结束语

经过逻辑及参数优化之后，小湾电厂4号机组未再出现同期失败情况，机组运行情况良好。小湾电厂4号机组同期失败的分析与处理，为其他电厂类似的问题提供了参考，具有实际的指导借鉴意义。