开关变压器技术在水轮发电机自同期并列上网的运用

张庆春

摘  要：发电机在使用过程中存在准同期并列与同期并列两种形式，不同的形式存在不同的优缺点，在使用过程中自同期并列的优势较大，本文提出基于变压器技术的水轮发电机自同期并列上网的方法，可以减少并列同期产生的冲击电流，增加电网稳定性。

关键词：开关变压器;水轮发电机;同期并列上网

引言

在发电机的研究中，有两种并列方式：准同期并列以及自同期并列。

1）准同期并列

准同期并列指的是对待并入电网的发电机进行电压以及频率的调节，当调整后的电压以及频率与系统需求相等的时候，将其并入电网系统。准同期并列指的是一种理想情况下的并列方式，其中发电机的输出电流逐渐变为0，不会产生电流以及电磁力矩等冲击，是准同期并列运行过程中最大的优点。实际操作过程中，由于需要调节的参数比较多，很难达到各种参数满足条件的情况。在手动控制过程中更是难以达到这种情况，这就导致电流和电磁力矩冲击会对电流产生影响，当在一定范围内的冲击，能够通过自动准同期的方式达到较好的效果。在准备同期并列的时必须防止产生非同期并列的情况，否则会损坏发电机。在并列的时候，发电机和系统电压之间存在较大的差异，会对其产生较强的冲击，并会产生较大的电位差。在电位差中相位差冲击较多，会对发电机产生较大的影响。更严重的情况是发电机和系统电位差之间的相位差为180°， 在这种情况下，发电机的冲击电流将是出口电流的两倍，产生巨大的电转矩和电磁转矩，在发电机受到这些力的作用下，会导致发电机遭受严重破坏。结合非同期情况下的发电机定子破坏以及短路情况进行分析，得到准同期并列的要求测试量较多，测试过程复杂，在二次接线的时候要求较高，在不同时期的维修需要进行复检。准同期并列对于系统发生事故的时候紧急投入备用防止发生系统崩溃和事故扩大，快速恢复系统的正常工作。

2）自同期并列

自同期并列通过将未励磁情况下且转速接近同步的发电机投入系统，在这种情况下可以短时间内被自动拉入同步，自同期情况下对于发电机无励磁的情况下投入系统，在机械力矩以及异步力矩等共同作用下，从根本上大大降低了非同期并列的机率，但是在调试过程中，操作比较简单，对于准同期并列需要调节电压以及频率问题，自同期并列只需要调节发电机的转速问题。由于調节方法简单，通过采用自同期发电机的方法花费的时间在30s左右，这是现阶段使用自同期的一种常用方法。自同期并列的时候，发电机相当于异步电动机，伴随着短时间的电流冲击，使系统的电压下降，冲击电流引起的电动力对于定子组绝缘和定子绕组端产生不良的影响，冲击电磁力矩将使机组大轴等产生振动。这些影响对于发电机的出口影响较小，发电机能够承受其中不同方向的受力。但是长期操作，依然会对发电机造成隐含的损伤并且影响发电机的使用寿命。现阶段，通常将自同期并列作为事故状态下的应急启动并列，正常情况下则使用自动准同期并列。

1 发生非同期并列的可能性及其防止

在电机制造过程中，由于电机制造的年代不同，因此准同期并列的方法也分为自动、半自动以及手动三种方法。当自动装置在自动同期的时候安装正常，自动准同期不会产生非同期的事故。其他的方法则会难免发生并列事故。一般发生较大事故是由于维修后的二次结尾发生问题等，并且在连接后未发生测试。造成电机并网的时候发生180°的相位差，对电动机以及其他的原件造成重大损伤。当电机接反之后，通过会产生并列的电路造成短路情况，当电压较大的时候还会发生火灾情况。

2 开关变压器技术用于自同期并列技术方案

有上述可知，两种常用的并列方法存在各自的优缺点。同方便使用方面为主要选择方案，选择自同期并列的优点较多。其中电流冲击问题是两种方法都存在的共同问题，只是随着自动准同期技术的逐渐发展，使冲击的电流下降较小，导致多数情况下选择自动准同期操作。

通过对系统结构与控制原理进行设计，得到如下图1所示的开关变压式自同期并网连接示意图：

采用开关变压器（TK）技术的自动同步并联系统结构图如图1所示，控制装置收到启动指令后，调整汽轮机调速器，使电动发电机（DF）加速。当控制装置检测到某一速度时，发出K3、K2的合闸指令。此时，开关变压器式软启动器（TK）连接在电网和发电机（DF）之间（通过升压变压器）。由于此时可控硅尚未导通，开关变压器式软启动器（TK）连接在电网和发电机（DF）之间（通过升压变压器），因此TK只流过较少的电流比其空载电流小，不会对DF和电网产生影响。之后，控制装置逐渐调整可控硅的导通角，使电流逐渐增大，直至达到设定值。在该设定值下，进行恒流控制。当电动发电机DF转速达到同步转速的98%左右时，K1接通、励磁、断开K2 K3电动发电机DF继续加速直至同步。当TK在电力运行中也用作软启动应用时，只需在K2上并联一个断路器，并在接线中进行换向，以保证DF反向运行。当开关变压器接入电网和发电机，且晶闸管未导通时，晶闸管会导通几秒。控制装置会检测两端电压（发电机磁场的剩磁会产生一定的电压），看是否有错相。如果出现错相，晶闸管将停止导通并报警，以防止发生非同步并联事故。

3 结论

开关变压器技术可用于任何规模的发电机自同步并联，但考虑其组成成本较大，因此应在实际应用中权衡成本和运行效果。 但是如果将该技术同时应用于抽水蓄能电站发电机软启动和自同步并联运行，则具有最佳的性价比，事半功倍。

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