自动准同期并列装置的研究

韩素贤 王爱

【摘要】同步发电机的并列过程如操作不当或误操作，将产生极大的冲击电流，破坏发电机，引起系统电压波动，甚至导致系统振荡，破坏系统稳定运行。在功能比较完善的自动装置操作下，能够实现高度准确同期，对待并机组无冲击损伤，对运行系统无影响。自动准同期并列装置具备电压差及频率差等闭锁功能，这样能消除非同期并列的可能性，同时也能够减轻操作人员的劳动强度。

【关键词】同步发电机；准同期并列；并列操作

1、引言

并列操作是将同步发电机投入到电力系统运行的操作。在发电厂内，凡可以进行并列操作的断路器都称为同步点。通常每台发电机的断路器都是同步点，用以实现一台发电机的并列操作；母线联络断路器是同步点，作为同一母线上所有发电单元的后备同步点；三绕组变压器的三侧断路器都是同步点，在任一侧故障断开或检修后恢复时，可以减少并列过程中的倒闸操作，保证迅速可靠地恢复供电。母线分段断路器一般不作为同步点。并列操作的基本要求有两点，分别是（1）并列操作后，发电机应该能够迅速地被拉入同步运行；（2）并列操作的瞬间，发电机的冲击电流应满足要求，不能超过规定的允许值。并列操作可以手动执行也可以自动执行。手动准同期装置由运行操作人员手动调整发电机的电压和频率，并监视频率差、整步表及电压差，靠经验来判断合适的合闸时间，从而操作断路器进行合闸。手动准同期装置主要有以下三方面的问题：1）延误并网时间；2）一般都是多台机组共用一套手动准同期装置，各机组的控制电缆多，接线复杂；3）存在重大的安全隐患。故现在多采用自动同期装置来进行并列操作。

2、并列操作的方式

同步发电机并列操作的方式有自同期及准同期两种。按自动化程度等级的不同，准同期并列方式分为自动准同期、半自动准同期及手动准同期三种，本论文主要介绍自动准同期装置实现的自动准同步并列。

（1）准同期方式

准同期并列要求在合闸操作前通过调整待并发电机组的转速及电压，当满足电压频率、相位及幅值后，由操作人员手动或由准同期装置自动选择合适时间发出合闸命令，这种合闸操作的冲击电流一般非常小，并且机组投入电力系统后能够被迅速地拉人同步运行。

采用准同期并列方式时，并列断路器主触头闭合瞬间应满足一下三个条件：1）运行系统与待并系统的电压幅值应相等；2）运行系统与待并系统的频率应相等；3）运行系统与待并系统的相位应相同。

实际上要求满足上述三个条件既不可能也没有必要。因此，根据允许冲击电流的条件，规定了准同期并列允许的电压、频率和相角偏差范围。

准同期并列的实际条件是：1）在断路器合闸的瞬间，发电机的电压和系统电压的相位差应接近于零，误差不能超过5°；2）发电机的电压幅值和系统的电压幅值近似相等，电压幅值差应小于额定电压的5%～10%；3）发电机电压和系统电压的频率差应接近于零，频率差应小于额定频率的0.2%～0.5%。

准同期方式的优缺点

1）准同期的优点：合闸时发电机的冲击电流接近于零，对电力系统几乎没有影响；

2）准同期的缺点：如果由于某种原因造成非同期合闸时，则冲击电流非常大，甚至比机端三相短路电流还要大很多；并列的时间较长且操作复杂。

（2）自同期方式

自同期的操作过程：先启动同步发电机组，当转速接近于机组的额定转速的时候，闭合断路器，这时电力系统给同步发电机的定子绕组提供三相电流，从而形成旋转磁场，然后励磁系统再给发电机转子绕组提供直流励磁电流产生磁场，使同步发电机被拉入同步运行。在并列的过程中，同步发电机因有冲击电流而受到一定程度的损伤是其主要的缺点。优点是并列过程较迅速，特别是在电力系统中发生事故或系统频率、电压发生剧烈波动的时候，采用准同期装置并列时间太长而且很困难，甚至不可能实现并列，但采用自同期方式就有可能迅速地实现并列操作。

自同期方式的优缺点

1）自同期并列的优点：并列时间较短且并列操作的方法较简单，合闸过程的自动化也较简单；尤其在事故状态下，合闸迅速。2）自同期并列的缺点：在合闸瞬间系统的电压会降低；有冲击电流并且会对系统造成影响。

3、自动准同期并列装置的研究

自动准同期装置主要由频率差控制单元、电压压差控制单元、合闸信号控制单元和电源部分组成。

3.1频率差的检测与控制

频差控制单元的任务是自动检测发电机电压与系统电压间的滑差角频率，且自动调节发电机转速，使发电机的频率接近于系统频率。

（1）频率差的检测与控制

调频部分的主要功能是判断频差方向，判断发电机电压的频率是低于还是高于系统侧电压的频率，从而发出增速或减速的调速脉冲，调整发电机电压的频率，使频差满足要求。

其次，当发电机电压和系统电压间频率差很小的时候（小于0.05赫兹），将会出现同步不同相的情况，延长并列合闸的过程。此时，调频部分应能够自动发增速脉冲，来加速合闸。

为实现上述要求，调频部分有以下两个组成部分：

A、频率差方问鉴别部分。判断发电机电压频率与系统电压频率差值的方向，从而控制发出增速还是减速脉冲；

B、调频脉冲的形成部分。在0°-180°的调速脉冲命令.当频率差在0.05赫兹以下时，发出增速脉冲命令。

1）频率差的检测

频率差检测是在越前时间信号发出之前应完成的任务，用于作出频率是否符合并列条件的判断。

由于线性整步电压反映了发电机电压与系统电压间相角差的关系，它的微分正好代表了相角差的变化率，也就是滑差角频率。

在待并发电机的频率和电网频率都稳定的条件下，频率差为某一定律，对应的滑差角频率也为一定值，它的微分波形为矩形波，其幅值正比于滑差角频率，将它与设定的允许频差下某电压值进行比较，如果幅值小于设定电压，表示滑差角频率小于设定的允许值。反之，如果幅值大于设定值，则表示滑差角频率大于允许值。

2）频率差控制

频率差制单元的功能是调整待并发电机的频率，使得其与电网频率相接近，将频率差控制在允许的范围之内，以促成并列的实现。当待并发电机的频率高于电网频率的时候，要求发电机减速，发减速脉冲。反之，应该发增速脉冲。根据上述要求，频率差控制单元可由频率差方向测量环节和频率调制执行环节两部分组成。前者判别发电机电压与系统电压间频率的高低，作为发升速脉冲或减速冲或减速冲的依据。后者按照比例调节的要求，调整发电机组的转速。

3.2电压差的检测与控制

电压差控制单元的任务是自动检测发电机电压与系统电压间的差值，能够自动地来调节发电机电压，使它和系统电压间的差值满足要求，促使并列条件的形成。其原理与频率差的检测与控制类似。

3.3合闸信号控制单元

合闸信号控制单元的功能是检查并列的条件，当待并机组的电压及频率均符合并列条件的时候，选择适当的时间发合闸信号，使并列断路器的主触头接通的时候，相位差等于零或在允许的范围之内。在准同期并列的过程中，合闸信号控制单元的控制原则是当电压及频率均符合并列条件的时候，在发电机电压和系统电压要重合前发合闸信号。两电压相量重合之前的信号叫做提前量信号。按提前量的不同，准同期并列装置分为恒定越前相角并列和恒定越前时间并列两种。（1）恒定越前相角并列。恒定越前相角并列是指发电机电压矢量和系统电压矢量重合之前的某一恒定相角发出合闸脉冲并列方式。（2）恒定越前时间准同期并列。恒定越前相角并列是指发电机电压矢量和系统电压矢量重合之前的某一恒定时间发出合闸脉冲并列方式。这一恒定时间用来表示，在不同频差情况下，只要保证这一恒定时间和断路器的动作时间相等，在发出合闸脉冲均可合闸于零点，可见恒定越前时间并列与频差无关，显而易见这种并列方式要比恒定前相角并列优越。因此实际装置均采用恒定越前时间并列装置。

3.4电源部分

装置直流电源有三种+55v、+40、+12V。

4 结束语

同步发电机的并列过程如操作不当或误操作，将产生极大的冲击电流，破坏发电机，引起系统电压波动，甚至导致系统振荡，破坏系统稳定运行。采用自动并列装置进行并列操作，不仅能减轻运行人员的劳动强度，也能提高系统运行的可靠性和稳定性。具体意义如下所述：

1）加快并列的过程，在事故后或者系统负荷增长后急需投入备用机组时，意义更为明显；2）在功能比较完善的自动装置操作下，能够实现高度准确同期，对待并机组没有冲击损伤，对运行系统没有影响；3）自动准同期装置具有电压差及频率差等闭锁功能，消除了非同期并列的可能性。4）减轻了操作人员的劳动强度。

参考文献

[1]钱武，李生明.电力系统自动装置[M].北京：中国水利水电出版社，2004，8.

[2]许正亚.电力系统自动装置[M].北京：中国水利出版社，1997.

[3]刘锡蓝.水电站自动装置[M].北京：中国水利水电出版社，1998.

作者简介

韩素贤（1982—），女，内蒙古化德人，研究生，毕业于内蒙古科技大学，讲师，主要从事风能发电设备制造与维修专业和电力系统自动化专业的教学与研究工作。