自動裝置及同步發(fā)電機的自動并列

第一講自動裝置及同步發(fā)電機的自動并列,主講人：李巖松liyansong811,NorthChinaElectricPowerUniversity,page2,2020/5/12,第一章自動裝置,本課程使同學們對電力系統(tǒng)自動化及其基本問題有一個基礎性的了解。,NorthChinaElectricPowerUniversity,page3,2020/5/12,中國電力系統(tǒng)及其互聯(lián)運行（現(xiàn)狀）,世界最大的同步互聯(lián)電網(wǎng)西電東送、三峽核心南直北交、鏈式同步,NorthChinaElectricPowerUniversity,page4,2020/5/12,電力系統(tǒng)：可怕的超級大系統(tǒng),一個脆弱的龐然大物!,1882年到現(xiàn)在，120多年過去了。作用越來越重要了系統(tǒng)規(guī)模越來越大了新裝備和新技術的使用越來越多了壟斷下的機制和規(guī)范逐步不存在了但是,大停電故障越來越多了,NorthChinaElectricPowerUniversity,page5,2020/5/12,保守如此，脆弱依然,上個世紀60年代進入大電網(wǎng)互聯(lián)時代后，大停電事故頻繁發(fā)生。,NorthChinaElectricPowerUniversity,page6,2020/5/12,美加大停電，就發(fā)生在昨天,NorthChinaElectricPowerUniversity,page7,2020/5/12,電力系統(tǒng)的能力,NorthChinaElectricPowerUniversity,page8,2020/5/12,電力系統(tǒng)的過程+能力,局部功能,系統(tǒng)功能,協(xié)調(diào),NorthChinaElectricPowerUniversity,page9,2020/5/12,復雜自動化系統(tǒng)分層控制,2自動電壓調(diào)節(jié),1自動并列,4調(diào)度自動化5狀態(tài)估計6安全調(diào)度7自動調(diào)頻,8低頻減載,NorthChinaElectricPowerUniversity,page10,2020/5/12,發(fā)電自動控制,控制對象,自動控制裝置,控制信息,測量信息,NorthChinaElectricPowerUniversity,page11,2020/5/12,自動裝置硬件組成形式,1、微型計算機系統(tǒng),2、工業(yè)控制計算機系統(tǒng),3、集散控制系統(tǒng)(DistributedControlSystem-DCS)現(xiàn)場總線系統(tǒng)(FieldbusControlSystem-FCS),對于控制功能單一的自動裝置,其輸入輸出的電氣量較少,適于采用微型計算機系統(tǒng),如同步發(fā)電機自動并列裝置.,對于控制功能要求較高,軟件開發(fā)任務繁重的系統(tǒng),適于采用工控機系統(tǒng),如發(fā)電機勵磁自動調(diào)節(jié)系統(tǒng).,對于分散的多對象的成套監(jiān)測控制裝置適于采用DCS或FCS,如發(fā)電廠、變電站遠動裝置和電廠機爐集控系統(tǒng)。,NorthChinaElectricPowerUniversity,page12,2020/5/12,1微型計算機系統(tǒng),定義（本課程）：把較簡單的、借助于特定開發(fā)平臺才能編程的系統(tǒng)稱為微型計算機系統(tǒng)。,微型計算機系統(tǒng),1傳感器,2采樣保持器,3模擬多路開關,4A/D轉(zhuǎn)換器,5存儲器,6通信單元,7中央處理單元CPU,8外部設備,NorthChinaElectricPowerUniversity,page13,2020/5/12,微型計算機系統(tǒng)邏輯結構,NorthChinaElectricPowerUniversity,page14,2020/5/12,微型計算機系統(tǒng)組成單元,1、傳感器：將非電量（壓力、溫度、轉(zhuǎn)速）和電量（電壓、電流、功率）轉(zhuǎn)換為對應的計算機可以接受的弱電壓信號,2、模擬多路開關：在采樣速度要求不高的場合，一般采用公用A/D轉(zhuǎn)換器。在每一個時刻中只將一路模擬信號輸入到A/D.目的簡化電路，降低成本。,3、采樣/保持器：A/D轉(zhuǎn)換器完成信號轉(zhuǎn)換需要一段時間，在這段時間內(nèi),輸入到A/D的模擬信號需保持不變，由S/H完成。,NorthChinaElectricPowerUniversity,page15,2020/5/12,微型計算機系統(tǒng)組成單元,5、存儲器：用于計算機數(shù)據(jù)緩存，提供進一步的數(shù)據(jù)處理。,6、通信單元：包括通信控制器和通信收發(fā)器。通信控制器用于控制通信過程，確定通信的數(shù)據(jù)、地址以及建立/拆除通信的數(shù)據(jù)鏈路。通信收發(fā)器用于處理通信的物理層功能，包括物理引線的排列、機械特性和物理電平等。,7、CPU及外設：自動裝置的核心部件，對系統(tǒng)的工作進行控制和管理，對采集的數(shù)據(jù)作處理，根據(jù)要求做出判斷和發(fā)出指令等。,4、A/D轉(zhuǎn)換器：將模擬信號轉(zhuǎn)換為計算機可以處理的數(shù)字信號，它是影響數(shù)據(jù)采集速率和精度的主要因素之一。,NorthChinaElectricPowerUniversity,page16,2020/5/12,2工業(yè)控制計算機系統(tǒng),工業(yè)控制計算機由穩(wěn)壓電源、機箱和不同功能的總線模板，以及鍵盤（顯示器）等外設接口組成。,工業(yè)控制計算機系統(tǒng)中的內(nèi)部總線種類繁多，比較常用的主要有：STD、PC104總線等。,STD總線共有56根總線，信號之間的隔離消除了大部分總線上的干擾，單元為小模板結構，每塊模板具有獨立性，實現(xiàn)了板級功能分散。,NorthChinaElectricPowerUniversity,page17,2020/5/12,2工業(yè)控制計算機系統(tǒng),STD總線的功能單元,1CPU單元STD總線的主處理單元，處理數(shù)據(jù)、地址和控制功能。一般含有高速CPU和協(xié)處理器。,2A/D單元提供模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換接口，模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)讀取由CPU單元控制，也可以由外部觸發(fā)。,3存儲器單元作為通用存儲器的擴展卡，含有譯碼、存儲器、后備電池等，防止失電后數(shù)據(jù)丟失。,4存儲器單元作為通用存儲器的擴展卡，含有譯碼、存儲器、后備電池等，防止失電后數(shù)據(jù)丟失。,5系統(tǒng)支持單元包括設置開關、后備電池、實時時鐘、看門狗watchdog、上電復位、總線終端網(wǎng)絡和通信口等。,6外設單元包括定時器單元、I/O單元、鍵盤顯示板電源板等，用于與外部信號和設備接口和操作。,NorthChinaElectricPowerUniversity,page18,2020/5/12,3集散控制系統(tǒng)DCS,集散控制系統(tǒng)計算機網(wǎng)絡技術與工業(yè)控制計算機系統(tǒng)相結合，由若干數(shù)據(jù)采集測控站和上位機及通信線路組成。,數(shù)據(jù)采集測控站由單片機數(shù)據(jù)采集控制裝置組成，位于設備附近，上傳數(shù)據(jù)執(zhí)行控制命令。,上位機采用工業(yè)控制機或工作站，配置打印機和其他外設。采用雙機熱備用方式。分析處理上傳數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)存儲、系統(tǒng)協(xié)調(diào)、集中顯示、打印報表。最重要的是根據(jù)數(shù)據(jù)處理結果確定控制參數(shù)和方法，將結果下達給數(shù)據(jù)采集測控站。,通信接口數(shù)據(jù)結構采用串行方式，訪問方式為令牌形式。,NorthChinaElectricPowerUniversity,page19,2020/5/12,4現(xiàn)場總線系統(tǒng)FCS,現(xiàn)場總線系統(tǒng)將分散在現(xiàn)場的測控設備轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)絡節(jié)點，以現(xiàn)場總線為紐帶，連接成為可以相互溝通信息共同完成自控任務的網(wǎng)絡型控制系統(tǒng)。,現(xiàn)場總線主節(jié)點：整個系統(tǒng)協(xié)調(diào)者，完成信息的發(fā)起功能，完成顯示、輸出、打印和數(shù)據(jù)存儲等功能。,現(xiàn)場總線從節(jié)點：系統(tǒng)終端設備的執(zhí)行者，不能發(fā)起信息，可以完成接收、查詢等。,路由器主要完成路由、中繼、數(shù)據(jù)交換等功能。,NorthChinaElectricPowerUniversity,page20,2020/5/12,5典型測量控制系統(tǒng)Rockwell測控系統(tǒng),NorthChinaElectricPowerUniversity,page21,2020/5/12,5典型測量控制系統(tǒng)AOCT與保護一體化系統(tǒng),NorthChinaElectricPowerUniversity,page22,2020/5/12,5典型測量控制系統(tǒng)研華工控機系統(tǒng),NorthChinaElectricPowerUniversity,page23,2020/5/12,5典型測量控制系統(tǒng)研翔PC104系統(tǒng),NorthChinaElectricPowerUniversity,page24,2020/5/12,第二章同步發(fā)電機的自動并列,重點講解發(fā)電機同步準同期并列的自動化原理.這是將同步發(fā)電機投入電網(wǎng)進行并列運行以組成電力系統(tǒng)的基本步驟.,NorthChinaElectricPowerUniversity,page25,2020/5/12,一、同步并列與準同期,發(fā)電機投入電力系統(tǒng)參加并列運行的操作稱為“并列操作”。,同步發(fā)電機的并列操作稱為“同期”。以近于同步運行條件進行的并列操作稱為“準同期”。,發(fā)電廠將一臺發(fā)電機組用準同期方式并入電廠母線。,將電力系統(tǒng)的兩部分用準同期的方式進行并列。,并列操作,NorthChinaElectricPowerUniversity,page26,2020/5/12,同步發(fā)電機并列需遵循的基本原則,1、并列斷路器合閘時，沖擊電流應盡可能小，其瞬時最大值一般不超過1-2倍的額定電流。,2、發(fā)電機并入電網(wǎng)后，應能迅速進入同步運行狀態(tài)，其暫態(tài)過程要短，以減少對電力系統(tǒng)的擾動。,NorthChinaElectricPowerUniversity,page27,2020/5/12,同步發(fā)電機的并列方法,同步發(fā)電機的并列方法,準同期并列,自同期并列,在電力系統(tǒng)正常運行的情況下，一般采用準同期并列方法將發(fā)電機組投入運行。,只有當電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，為了迅速投入水輪發(fā)電機組，過去曾采用自同期并列方法。,由于微機型數(shù)字式自動并列方法已經(jīng)趨于成熟，現(xiàn)在也用準同期并列方法投運水輪發(fā)電機組。,NorthChinaElectricPowerUniversity,page28,2020/5/12,同步發(fā)電機并列的理想情況,發(fā)電機端電壓為,電網(wǎng)電壓為,兩者之間的相量差為,當電網(wǎng)參數(shù)一定時，沖擊電流就取決于合閘瞬間的值,最理想的情況就是的值為零，此時，QF合閘沖擊電流為零。,NorthChinaElectricPowerUniversity,page29,2020/5/12,同步發(fā)電機并列的理想條件,發(fā)電機并列的理想條件并列斷路器兩側電源電壓的三個狀態(tài)量全部相等。,2、電壓幅值相等,3、相角差為零,此時，合閘沖擊電流為零，并列后發(fā)電機可以立即與電網(wǎng)同步運行，不會出現(xiàn)擾動現(xiàn)象。,實際上，待并發(fā)電機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)很難實現(xiàn)理想條件；在實際的操作中也沒有這樣的苛求。只要合閘沖擊電流小，不危及電氣設備，合閘后機組迅速進入同步運行，對電網(wǎng)影響小，不致于引起任何不良后果即可。,NorthChinaElectricPowerUniversity,page30,2020/5/12,實際并列條件之一電壓幅值差,并列時的電氣狀態(tài)：,可以計算得到?jīng)_擊電流最大瞬時值：,沖擊電流主要為無功電流分量。,發(fā)電機電壓、電網(wǎng)電壓的有效值,發(fā)電機直軸次暫態(tài)電抗,NorthChinaElectricPowerUniversity,page31,2020/5/12,實際并列條件之一電壓幅值差,沖擊電流的電動力對發(fā)電機組的繞組產(chǎn)生影響，而定子繞組端部機械強度最弱，需特別注意對其造成的危害。,并列操作是正常操作，沖擊電流最大瞬時值限制在1-2倍的額定電流以下。,為了保證機組的安全，我國規(guī)定電壓差并列沖擊電流不允許超過機端短路電流的1/201/10。據(jù)此，得到同期并列的一個條件：電壓差不能超過額定電壓的5%10%.,現(xiàn)在的一些大型發(fā)電機組規(guī)定電壓差不超過0.1%,以盡量避免無功沖擊電流,NorthChinaElectricPowerUniversity,page32,2020/5/12,實際并列條件之二合閘相角差,并列時的電氣狀態(tài)：,計算得到?jīng)_擊電流最大瞬時值：,電網(wǎng)電壓的有效值,發(fā)電機交軸次暫態(tài)電抗,沖擊電流主要為有功電流分量。,NorthChinaElectricPowerUniversity,page33,2020/5/12,實際并列條件之二合閘相角差,在有相角差的情況下合閘后，發(fā)電機與電網(wǎng)間立刻進行有功功率的交換，使得發(fā)電機組的聯(lián)軸受到?jīng)_擊，這對于發(fā)電機組和電網(wǎng)均產(chǎn)生不利影響，為了保證機組安全，一般將有功沖擊電流限制在較小的范圍內(nèi)。,例如：一般規(guī)定，汽輪發(fā)電機組不允許因相角差產(chǎn)生的沖擊電流值為發(fā)電機空載時突然發(fā)生機端短路的沖擊電流值的1/10,可以得到最大允許并列誤差角：,NorthChinaElectricPowerUniversity,page34,2020/5/12,實際并列條件之三頻率差,并列時的電氣狀態(tài)：,斷路器QF兩側的電壓差為脈動電壓：,脈動電壓的幅值,NorthChinaElectricPowerUniversity,page35,2020/5/12,實際并列條件之三頻率差,是幅值為,頻率接近工頻的交流電壓波形。,脈動電壓周期、滑差頻率、滑差角頻率都可以用于表示待并發(fā)電機的頻率與電網(wǎng)之間或兩并列電網(wǎng)頻率之間的相差程度。,NorthChinaElectricPowerUniversity,page36,2020/5/12,實際并列條件之三頻率差,此時的合閘相角差是時間的函數(shù)，與發(fā)出合閘時間有關。若發(fā)出合閘信號的時刻不恰當，就會產(chǎn)生較大的沖擊電流，若發(fā)出合閘信號的時刻恰當，就會在QF兩側電壓相量重合時合閘，沖擊電流為零。,若并列時頻率差較大，即使合閘相角差很小，滿足要求，也需要發(fā)電機經(jīng)歷一段時間的加速或者減速過程，才能實現(xiàn)同步。加速或減速力矩會對機組造成沖擊，嚴重時甚至會導致失步。,我國在發(fā)電廠進行人工手動并列操作時，一般限制滑差周期在10S16S之間。,NorthChinaElectricPowerUniversity,page37,2020/5/12,同步發(fā)電機并列的同步過程分析,發(fā)電機發(fā)出功率,發(fā)電機吸收功率,NorthChinaElectricPowerUniversity,page38