電力系統(tǒng)自動化第三版(王葵、孫瑩編)第一章發(fā)電機(jī)的自動并列

1、1,第一章 發(fā)電機(jī)的自動并列,概述,2,電力系統(tǒng)是一個物理系統(tǒng)，遵循各種基本的物理定律。 功率平衡 Pgen = Ploss + Pload V = I*R 電磁相互轉(zhuǎn)換的交流系統(tǒng),理解電力系統(tǒng),3,正常運行時，為了維持電力系統(tǒng)頻率、電壓在允許的范圍內(nèi)，運行中要根據(jù)負(fù)荷波動必要時投入或切除發(fā)電機(jī)； 在檢修完，要將機(jī)組重新投入； 故障情況下，為了保護(hù)發(fā)電機(jī)，或為了保持主系統(tǒng)的穩(wěn)定，需要切除發(fā)電機(jī)，并在合適時候?qū)⑵渲匦峦度脒\行；有時需要將備用發(fā)電機(jī)迅速投入運行。 針對上述情況，都需要在必要時將發(fā)電機(jī)重新投入電網(wǎng)?？梢姡陔娏ο到y(tǒng)運行中，并列操作是較為頻繁的。,為什么需要并列,4,電氣量表示 電力系

2、統(tǒng)運行中，理想情況下，任一母線電壓瞬時值可表示為： 發(fā)電機(jī)同步運行,同步運行基本原理,式中電壓幅值 電壓的角頻率 初相角,5,把一臺待投入系統(tǒng)的空載發(fā)電機(jī)經(jīng)過必要的調(diào)節(jié)，在滿足并列運行的條件下經(jīng)開關(guān)操作與系統(tǒng)并列，這樣的操作過程稱為并列操作。,并列的概念,6,并列瞬間，發(fā)電機(jī)的沖擊電流不應(yīng)超過規(guī)定的允許值； 并列后，發(fā)電機(jī)應(yīng)能迅速進(jìn)入同步運行。 并列不當(dāng)后果： 產(chǎn)生極大沖擊電流，損壞發(fā)電機(jī)，引起系統(tǒng)電壓波動,甚至導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩，破壞系統(tǒng)穩(wěn)定運行。 自動并列控制作用 減輕運行人員的勞動強(qiáng)度，提高系統(tǒng)運行可靠性和穩(wěn)定性。,并列基本要求,7,在發(fā)電廠內(nèi)、凡可以進(jìn)行并列操作的斷路器，都稱之為電廠的同步點

3、。通常發(fā)電機(jī)的出口斷路器都是同步點，發(fā)電機(jī)-變壓器組用高壓側(cè)斷路器作為同步點，雙繞組變壓器用低壓側(cè)斷路器作為同步點、母聯(lián)斷路器、旁路斷路器都應(yīng)設(shè)為同步點。 同步點的設(shè)置要考慮系統(tǒng)、發(fā)電廠、變電所在各種運行方式下操作的靈活方便，也應(yīng)具體考慮并列操作過程中調(diào)節(jié)的可行性。,同步點,8,同步點示意圖,9,準(zhǔn)同期并列 先給待并發(fā)電機(jī)加勵磁，使發(fā)電機(jī)建立起電壓，調(diào)整發(fā)電機(jī)的電壓和頻率，在接近同步條件時，合上并列斷路器，將發(fā)電機(jī)并人電網(wǎng)。若整個過程是人工完成的稱手動準(zhǔn)同步并列；若是自動進(jìn)行的稱自動準(zhǔn)同步并列。 準(zhǔn)同步并列的優(yōu)點是并列時產(chǎn)生的沖擊電流較小，不會使系統(tǒng)電壓降低，并列后容易拉入同步，因而在系統(tǒng)中廣

4、泛使用。,并列操作分類,10,準(zhǔn)同期并列示意圖,11,自同期并列 待并發(fā)電機(jī)先不加勵磁，當(dāng)其轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時，投入電力系統(tǒng)，在并列斷路器合閘后，立即給轉(zhuǎn)子加勵磁，由系統(tǒng)將發(fā)電機(jī)拉入同步。 自同步的優(yōu)點是并列速度快，但這種并列方法并列時產(chǎn)生的沖擊電流較大;同時發(fā)電機(jī)要從系統(tǒng)中吸收無功，會引起系統(tǒng)電壓短時下降，目前已較少采用。下面著重討論準(zhǔn)同步并列。,Cont,12,自同期并列示意圖,13,并列斷路器主觸頭閉合瞬間，脈動電壓為零： (1)發(fā)電機(jī)電壓幅值與系統(tǒng)電壓幅值相等； (2)發(fā)電機(jī)頻率與系統(tǒng)頻率相等； (3)發(fā)電機(jī)電壓與系統(tǒng)電壓間相角差為零。,準(zhǔn)同步并列理想條件,14,圖1-1（a）電路示意

5、圖,圖1-1 （c）等值電路圖,15,并列時沖擊電流小，不會引起系統(tǒng)電壓降低；但并列操作過程中需要對發(fā)電機(jī)電壓、頻率進(jìn)行調(diào)整，并列時間較長且操作復(fù)雜。 由于準(zhǔn)同期并列沖擊電流小，不會引起系統(tǒng)電壓降低，所以適用于正常情況下發(fā)電機(jī)的并列，是發(fā)電機(jī)的主要并列方式，但因為并列時間較長且操作復(fù)雜，故不適于緊急情況的發(fā)電機(jī)并列。,準(zhǔn)同期并列特點及適用場合,16,由于DL兩側(cè)電壓的狀態(tài)量不等，DL主觸頭間具有電壓差 ，其值可由圖（c）的電壓相量求得。,準(zhǔn)同期并列分析計算,圖1-1（a）電路示意圖,圖1-1 （c）等值電路圖,17,戴維南等效變換,18,發(fā)電機(jī)側(cè)電壓相關(guān)參量：, 發(fā)電機(jī)電壓相量；, 發(fā)電機(jī)電壓

6、角頻率；, 發(fā)電機(jī)電壓初相角；, 電網(wǎng)電壓相量；, 電網(wǎng)電壓角頻率；, 電網(wǎng)電壓初相角；, 發(fā)電機(jī)電壓幅值；, 電網(wǎng)電壓幅值；,電網(wǎng)側(cè)電壓相關(guān)參量：,相量差，又稱脈動電壓,幅值差,頻率差,相角差,19,（一）電壓幅值差,、 發(fā)電機(jī)電壓、電網(wǎng)電壓有效值,設(shè)發(fā)電機(jī)并列時的電壓相量如圖1-2（a）所示，即并列時：發(fā)電機(jī)頻率 等于電網(wǎng)頻率 ；相角差 等于零；電壓幅值不等， 。則沖擊電流最大瞬時值為:,式中,(3-3), 發(fā)電機(jī)直軸次暫態(tài)電抗,20,沖擊電流主要為無功電流分量。 沖擊電流的電動力對發(fā)電機(jī)繞組產(chǎn)生影響，由于定子繞組端部的機(jī)械強(qiáng)度最弱，所以須特別注意對它所造成的危害。 由于并列操作為正常運行

7、操作，沖擊電流最大瞬時值限制在12倍額定電流以下為宜。為了保證機(jī)組的安全，我國曾規(guī)定壓差沖擊并列電流不允許超過機(jī)端短路電流的1/20到1/10。 準(zhǔn)同期并列的一個實際條件為：壓差不能超過額定電壓的510。,幾點說明,21,（二）合閘相角差,設(shè)并列合閘時，斷路器兩側(cè)電壓相量滿足下列條件：,22,這時發(fā)電機(jī)為空載情況，電動勢即為端電壓，并且與電網(wǎng)電壓相等，沖擊電流的最大瞬時值為：,（3-5）,式中 系統(tǒng)電壓有效值； 發(fā)電機(jī)交軸次暫態(tài)電抗。,23,當(dāng)相角差較小時，這種沖擊電流主要為有功電流分量； 合閘后發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)間立刻交換有功功率，使機(jī)組聯(lián)軸受到突然沖擊，這對機(jī)組和電網(wǎng)運行都是不利的； 為了保證機(jī)

8、組安全運行，一般將有功沖擊電流限制在較小數(shù)值。,幾點說明,24,（三）頻率不相等,兩者間的電角頻率之差稱為滑差角頻率，簡稱滑差，用 表示：,兩者頻率之差稱為頻差，用 表示:,滑差周期定義為：,25,滑差、滑差頻率、滑差周期的簡單歸納,(1)滑差頻率 就是頻率差；,(2)滑差 可以反映頻率差，兩者是2倍數(shù)關(guān)系；,(3)滑差周期 為滑差頻率的倒數(shù)；因此滑差周期可以反映頻率差，即滑差周期大則頻率差小、滑差周期小則頻率差大。,26,（1）滑差 或滑差周期 都可以表示待并發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)之間頻率差的大小。,（2）在有滑差的情況下，將機(jī)組投入電網(wǎng)，需要經(jīng)過一段加速的過程，才能使機(jī)組與系統(tǒng)在頻率上“同步”。加速

9、或減速力矩會對機(jī)組造成沖擊。顯然，滑差越大，并列時的沖擊就越大，因而應(yīng)該嚴(yán)格限制并列時的允許滑差。,（3）我國在發(fā)電廠進(jìn)行正常人工手動并列操作時，一般取滑差周期在1016s之間。,27,（1）發(fā)電機(jī)的電壓超前電網(wǎng)電壓，發(fā)電機(jī)發(fā)出有功功率，則發(fā)電機(jī)將制動而減速； （2）發(fā)電機(jī)的電壓落后電網(wǎng)電壓，發(fā)電機(jī)吸收有功功率，則發(fā)電機(jī)將加速； （3）所以交換功率的方向與相角差的正負(fù)有關(guān),發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的功率交換對機(jī)組運動趨勢的影響,28,并列的同步過程分析,為發(fā)電機(jī)電勢和系統(tǒng)母線的電壓相角差,第一章 發(fā)電機(jī)的自動并列,準(zhǔn)同期并列,29,第一章 發(fā)電機(jī)的自動并列,準(zhǔn)同期并列,30,31,Review,Cont,

10、32,電壓差的幅值和相角影響沖擊電流； 頻差影響同步的動態(tài)過程。,一、脈動電壓,33,兩電壓幅值相等,34,當(dāng)兩側(cè)電壓幅值相等而頻率不等時，脈動電壓瞬時值為：,設(shè)初始角 ，則,（1-5）,令 為脈動電壓的幅值，則,（1-6）,35,由（1-9）式可知 波形可以看成是幅值為 、頻率接近于工頻的交流電壓波形。,又 ，為滑差角頻率。兩電壓相量間的相角,（1-7）,于是,（1-8）,36,37,兩電壓幅值不相等,（1-9）,當(dāng) 時， 為兩電壓幅值差；,當(dāng) 時， 為兩電壓幅值和。,兩電壓幅值不等時電壓波形如圖1-7所示。,當(dāng)兩側(cè)電壓幅值不等時，脈動電壓瞬時值為：,38,幅值差 頻率差 相角差控制,39,

11、并列條件的檢測,40,設(shè)滑差角頻率 的允許值規(guī)定為0.2，即,（rad/s）,對應(yīng)的脈動電壓周期 值為:,所以 的脈動周期 大于10s才滿足 小于0.2的要求。這就是說測量 的值可以檢測待并發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)間的滑差角頻率 的大小，即頻率差的大小。,Example：,41,二、自動準(zhǔn)同期裝置,圖1-8 自動準(zhǔn)同期并列裝置組成,頻差控制單元 檢測頻差方向，完成發(fā)電機(jī)頻率趨于系統(tǒng)頻率的調(diào)整。 電壓控制單元 檢測壓差方向，完成發(fā)電機(jī)電壓趨于系統(tǒng)電壓的調(diào)整。 合閘信號控制單元 進(jìn)行頻差檢查、壓差檢查、形成導(dǎo)前時間脈沖，當(dāng)待并機(jī)組的頻率和電壓都滿足并列條件時，通過合閘邏輯發(fā)出合閘脈沖。 電源單元 為裝置提供

12、工作電源。,42,自動準(zhǔn)同期裝置組成單元,自動準(zhǔn)同期并列裝置 設(shè)置了頻率控制單元、電壓控制單元和合閘信號控制單元。 半自動準(zhǔn)同期并列裝置 沒有頻差調(diào)節(jié)和電壓調(diào)節(jié)功能，只有合閘信號控制單元。,43,同步發(fā)電機(jī)準(zhǔn)同期并列裝置分類,44,半自動準(zhǔn)同期并列裝置示意圖,45,三、準(zhǔn)同期并列合閘信號控制,46,越前時間, 自動準(zhǔn)同期裝置動作時間；, 并列斷路器合閘時間；,47,恒定越前時間的理解,（1）含義,越前時間 相對于 提前的時間。,（2）為什么需要恒定越前時間,同期裝置有動作時間，即程序發(fā)出命令到繼電器動作完成的時間；斷路器有合閘時間，即斷路器接收到合閘命令到接通一次系統(tǒng)（理想應(yīng)對應(yīng) ）的時間。因

13、此，合閘命令的發(fā)出應(yīng)有提前量，即越前時間?？紤]到兩者的時間是確定的，所以越前時間也應(yīng)是恒定的，即恒定越前時間。,恒定越前時間 相對于 提前的時間，此時間一經(jīng)整定則不隨壓差和頻差變化。,越前 相對于發(fā)電機(jī)電壓與系統(tǒng)電壓之間相角差 提前。,（3）恒定越前時間的決定因素,允許滑差角頻率,48,合閘命令發(fā)出時的越前相角為 。,越前相角和滑差的關(guān)系,49,最大允許滑差可由下式求得,（1-11）,自動并列裝置、斷路器的動作時間都有一個小的波動范圍，實際動作時間與額定動作時間的差稱作動作時間誤差。,自動并列裝置動作時間誤差；,斷路器動作時間誤差。,50,決定于發(fā)電機(jī)的最大沖擊電流值 :,將取得的 值代入（1

14、-11）式，即可求得允許滑差 。,（1-12）,（1-5）,某發(fā)電機(jī)采用自動準(zhǔn)同期并列方式與系統(tǒng)進(jìn)行并列，系統(tǒng)的參數(shù)已歸算到以發(fā)電機(jī)額定容量的標(biāo)么值。一次系統(tǒng)的參數(shù)為：發(fā)電機(jī)交軸次暫態(tài)電抗 X”q為0.125；斷路器合閘時間 tDL0.5s，它的最大可能誤差時間為20；自動并列裝置最大誤差時間為0.05s；待并發(fā)電機(jī)允許的沖擊電流值為: 試計算允許合閘誤差角 、允許滑差角頻率 ，與相應(yīng)的脈動電壓周期。,51,Question,允許合閘相角差（直接套用公式1-12） 3.78,52,Answer,允許滑差角頻率 斷路器合閘動作誤差時間 自動并列裝置的誤差時間 所以， 如果滑差角頻率采用標(biāo)么值表示

15、，則,53,脈動電壓周期 Ts,54,第一章 發(fā)電機(jī)的自動并列,恒定越前時間并列裝置,55,56,自動準(zhǔn)同期并列裝置三大模塊基本工作原理和硬件概況,1. 合閘控制單元；,2. 頻差控制單元；,3. 壓差控制單元；,整步電壓,合閘脈沖產(chǎn)生,頻差檢查,壓差檢查,頻差方向鑒別,壓差方向鑒別,頻差控制脈沖,壓差控制脈沖,一、合閘控制單元,57,主要完成同步條件的檢查，在合適時刻發(fā)出合閘脈沖。 脈動電壓含有同期合閘所需要的所有信息，但不易于直接用于同步信號的測量。,整步電壓,58,含有同步條件信息的電壓。整步電壓與同步條件具有某種關(guān)系，可用來檢查發(fā)電機(jī)并列時是否滿足同步條件。 線性整步電壓：整步電壓幅值

16、與相角差之間是分段線性關(guān)系；,正弦整步電壓,線性整步電壓,59,表達(dá)式,60,整步電壓的產(chǎn)生,整步電壓含有頻差信息。 整步電壓的周期就是滑差周期，可用于檢測頻差的大?。挥捎诰€性整步電壓的最大值一定，所以其斜率與頻差成正比。 整步電壓含有相位差信息。 整步電壓與隨時間變化的任一時刻相位差有對應(yīng)關(guān)系。,61,特點,恒定越前時間生成電路由比例微分和電平檢測電路構(gòu)成。,62,合閘脈沖產(chǎn)生（恒定越前時間的獲得）,圖1-13 恒定越前時間部分,63,圖1-14 利用疊加原理求UR2示意圖,64,65,利用線性整步電壓檢查滑差的方法有兩種。 （1）利用比較恒定越前時間電平檢測器和恒定越前相角電平檢測器的動作

17、順序來實現(xiàn)滑差檢測。 恒定越前相角：繼電器動作的時刻對應(yīng)的相角差為定值。,66,滑差檢測,67,68,如果將圖中 按允許滑差下恒定越前時間 的相應(yīng)角差值 進(jìn)行整定，則有如下關(guān)系，為,當(dāng) 時,當(dāng) 時,當(dāng) 時,即：,(1-16),69,只有當(dāng) ，即恒定越前相角電平檢測器先于恒定越前時間電平檢測器動作時，才說明這里的滑差小于允許滑差，從而作出頻率差符合并列條件的判斷。,（2）利用線性整步電壓的導(dǎo)數(shù)與另一電壓比較來實現(xiàn)。 原理：由于線性整步電壓的導(dǎo)數(shù)的波形為矩形波，其幅值大小正比于 ，因此，可以用它與一個整定電壓相比較來鑒別 的大小。,70,71,由于線性整步電壓不載有并列點兩側(cè)電壓幅值的信息，所以它

18、就無法作為電壓差的檢測。電壓差檢測可直接用機(jī)組電壓和系統(tǒng)電壓的幅值進(jìn)行比較。,72,電壓差檢測,73,合閘信號控制邏輯,74,二、頻差控制單元,頻差控制單元的任務(wù)：將待并發(fā)電機(jī)的頻率調(diào)整到接近于電網(wǎng)頻率，使頻率差趨向并列條件允許的范圍，以促成并列的實現(xiàn)。,頻差方向檢測,頻差調(diào)整執(zhí)行,機(jī)組領(lǐng)先，滑差為正，則減速；,機(jī)組電壓矩形波下降沿先到；,機(jī)組落后，滑差為負(fù)，則加速。,系統(tǒng)電壓矩形波下降沿先到；,發(fā)減速脈沖；,發(fā)增速脈沖；,根據(jù)UG和UX高電平變低電平的關(guān)系來判斷。,75,越前鑒別,區(qū)間鑒別只在 時發(fā)一個寬度恒定的脈沖使與門開放一段時間.,76,區(qū)間鑒別,比例調(diào)節(jié) 在每一個滑差周期內(nèi)發(fā)一次寬度恒定的增速或減速脈沖。 特點