電力系統(tǒng)自動化 第三王葵孫瑩編發(fā)電機的自動并列

電力系統(tǒng)自動化第三王葵孫瑩編發(fā)電機的自動并列第1頁/共81頁電力系統(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+PloadV=I*R電磁相互轉(zhuǎn)換的交流系統(tǒng)2理解電力系統(tǒng)第2頁/共81頁正常運行時，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；在檢修完，要將機組重新投入；故障情況下，為了保護發(fā)電機，或為了保持主系統(tǒng)的穩(wěn)定，需要切除發(fā)電機，并在合適時候?qū)⑵渲匦峦度脒\行；有時需要將備用發(fā)電機迅速投入運行。針對上述情況，都需要在必要時將發(fā)電機重新投入電網(wǎng)。可見，在電力系統(tǒng)運行中，并列操作是較為頻繁的。3為什么需要并列第3頁/共81頁電氣量表示電力系統(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4第4頁/共81頁把一臺待投入系統(tǒng)的空載發(fā)電機經(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5第5頁/共81頁并列瞬間，發(fā)電機的沖擊電流不應(yīng)超過規(guī)定的允許值；并列后，發(fā)電機應(yīng)能迅速進入同步運行。并列不當(dāng)后果：產(chǎn)生極大沖擊電流，損壞發(fā)電機，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度，提高系統(tǒng)運行可靠性和穩(wěn)定性。并列基本要求6第6頁/共81頁在發(fā)電廠內(nèi)、凡可以進行并列操作的斷路器，都稱之為電廠的同步點。通常發(fā)電機的出口斷路器都是同步點，發(fā)電機-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7第7頁/共81頁同步點示意圖8第8頁/共81頁準(zhǔn)同期并列先給待并發(fā)電機加勵磁，使發(fā)電機建立起電壓，調(diào)整發(fā)電機的電壓和頻率，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)中廣泛使用。并列操作分類9第9頁/共81頁準(zhǔn)同期并列示意圖10第10頁/共81頁自同期并列待并發(fā)電機先不加勵磁，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。Con’t11第11頁/共81頁自同期并列示意圖12第12頁/共81頁并列斷路器主觸頭閉合瞬間，脈動電壓為零：(1)發(fā)電機電壓幅值與系統(tǒng)電壓幅值相等；(2)發(fā)電機頻率與系統(tǒng)頻率相等；(3)發(fā)電機電壓與系統(tǒng)電壓間相角差為零。準(zhǔn)同步并列理想條件13第13頁/共81頁14圖1-1（a）電路示意圖

圖1-1

（c）等值電路圖第14頁/共81頁并列時沖擊電流小，不會引起系統(tǒng)電壓降低；但并列操作過程中需要對發(fā)電機電壓、頻率進行調(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)電機的并列，是發(fā)電機的主要并列方式，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)電機并列。15準(zhǔn)同期并列特點及適用場合第15頁/共81頁

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。16準(zhǔn)同期并列分析計算圖1-1（a）電路示意圖

圖1-1

（c）等值電路圖第16頁/共81頁17戴維南等效變換第17頁/共81頁18發(fā)電機側(cè)電壓相關(guān)參量：——

發(fā)電機電壓相量；——

發(fā)電機電壓角頻率；——

發(fā)電機電壓初相角；——

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

相角差第18頁/共81頁19（一）電壓幅值差、——

發(fā)電機電壓、電網(wǎng)電壓有效值

設(shè)發(fā)電機并列時的電壓相量如圖1-2（a）所示，即并列時：①發(fā)電機頻率等于電網(wǎng)頻率；②相角差等于零；③電壓幅值不等，。則沖擊電流最大瞬時值為:圖準(zhǔn)同期條件分析式中(3-3)——

發(fā)電機直軸次暫態(tài)電抗=ih"max.第19頁/共81頁沖擊電流主要為無功電流分量。沖擊電流的電動力對發(fā)電機繞組產(chǎn)生影響，由于定子繞組端部的機械強度最弱，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操作，沖擊電流最大瞬時值限制在1～2倍額定電流以下為宜。為了保證機組的安全，我國曾規(guī)定壓差沖擊并列電流不允許超過機端短路電流的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5～10％。20幾點說明第20頁/共81頁（二）合閘相角差21設(shè)并列合閘時，斷路器兩側(cè)電壓相量滿足下列條件：圖準(zhǔn)同期條件分析第21頁/共81頁22

這時發(fā)電機為空載情況，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)電機交軸次暫態(tài)電抗。第22頁/共81頁當(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)電機與電網(wǎng)間立刻交換有功功率，使機組聯(lián)軸受到突然沖擊，這對機組和電網(wǎng)運行都是不利的；為了保證機組安全運行，一般將有功沖擊電流限制在較小數(shù)值。幾點說明23第23頁/共81頁（三）頻率不相等24圖3-3滑差電壓原理圖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：第24頁/共81頁滑差、滑差頻率、滑差周期的簡單歸納25(1)滑差頻率就是頻率差；(2)滑差可以反映頻率差，兩者是2π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。第25頁/共81頁26（1）滑差或滑差周期都可以表示待并發(fā)電機與系統(tǒng)之間頻率差的大小。（2）在有滑差的情況下，將機組投入電網(wǎng)，需要經(jīng)過一段加速的過程，才能使機組與系統(tǒng)在頻率上“同步”。加速或減速力矩會對機組造成沖擊。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)電廠進行正常人工手動并列操作時，一般取滑差周期在10～16s之間。第26頁/共81頁（1）發(fā)電機的電壓超前電網(wǎng)電壓，發(fā)電機發(fā)出有功功率，則發(fā)電機將制動而減速；（2）發(fā)電機的電壓落后電網(wǎng)電壓，發(fā)電機吸收有功功率，則發(fā)電機將加速；（3）所以交換功率的方向與相角差的正負(fù)有關(guān)發(fā)電機與電網(wǎng)的功率交換對機組運動趨勢的影響27第27頁/共81頁28并列的同步過程分析加速過程減速過程

為發(fā)電機電勢和系統(tǒng)母線的電壓相角差第28頁/共81頁第一章發(fā)電機的自動并列準(zhǔn)同期并列29第29頁/共81頁第一章發(fā)電機的自動并列準(zhǔn)同期并列30第30頁/共81頁31Review第31頁/共81頁Con’t32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。第32頁/共81頁一、脈動電壓33第33頁/共81頁兩電壓幅值相等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）第34頁/共81頁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）第35頁/共81頁36圖1-5脈動電壓（b）波形圖第36頁/共81頁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：第37頁/共81頁38第38頁/共81頁幅值差頻率差相角差控制39并列條件的檢測第39頁/共81頁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)電機組與電網(wǎng)間的滑差角頻率的大小，即頻率差的大小。Example：第40頁/共81頁41二、自動準(zhǔn)同期裝置圖1-8自動準(zhǔn)同期并列裝置組成第41頁/共81頁頻差控制單元檢測頻差方向，完成發(fā)電機頻率趨于系統(tǒng)頻率的調(diào)整。電壓控制單元檢測壓差方向，完成發(fā)電機電壓趨于系統(tǒng)電壓的調(diào)整。合閘信號控制單元進行頻差檢查、壓差檢查、形成導(dǎo)前時間脈沖，當(dāng)待并機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工作電源。42自動準(zhǔn)同期裝置組成單元第42頁/共81頁自動準(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)電機準(zhǔn)同期并列裝置分類第43頁/共81頁44半自動準(zhǔn)同期并列裝置示意圖第44頁/共81頁45三、準(zhǔn)同期并列合閘信號控制圖1-9準(zhǔn)同期并列合閘信號控制邏輯結(jié)構(gòu)圖第45頁/共81頁46越前時間o——自動準(zhǔn)同期裝置動作時間；——并列斷路器合閘時間；第46頁/共81頁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。因此，合閘命令的發(fā)出應(yīng)有提前量，即越前時間。考慮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第47頁/共81頁允許滑差角頻率48圖1-10恒定越前時間示意圖

合閘命令發(fā)出時的越前相角為。

越前相角和滑差的關(guān)系第48頁/共81頁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?！詣硬⒘醒b置動作時間誤差；——斷路器動作時間誤差。第49頁/共81頁50

決定于發(fā)電機的最大沖擊電流值:將取得的值代入（1-11）式，即可求得允許滑差。（1-12）（1-5）第50頁/共81頁某發(fā)電機采用自動準(zhǔn)同期并列方式與系統(tǒng)進行并列，系統(tǒng)的參數(shù)已歸算到以發(fā)電機額定容量的標(biāo)么值。一次系統(tǒng)的參數(shù)為：發(fā)電機交軸次暫態(tài)電抗X”q為0.125；斷路器合閘時間tDL＝0.5s，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。51Question第51頁/共81頁允許合閘相角差（直接套用公式1-12）3.78°52Answer第52頁/共81頁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，則53第53頁/共81頁脈動電壓周期Ts54第54頁/共81頁第一章發(fā)電機的自動并列恒定越前時間并列裝置55第55頁/共81頁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第56頁/共81頁一、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。第57頁/共81頁整步電壓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)電機并列時是否滿足同步條件。線性整步電壓：整步電壓幅值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第58頁/共81頁59表達式第59頁/共81頁60整步電壓的產(chǎn)生圖1-12全波線性整步電壓第60頁/共81頁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??；由于線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特點第61頁/共81頁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恒定越前時間部分第62頁/共81頁63圖1-14利用疊加原理求UR2示意圖第63頁/共81頁64第64頁/共81頁65第65頁/共81頁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滑差檢測第66頁/共81頁67第67頁/共81頁68如果將圖中按允許滑差下恒定越前時間的相應(yīng)角差值進行整定，則有如下關(guān)系，為當(dāng)時當(dāng)時當(dāng)時即：(1-16)第68頁/共81頁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。第69頁/共81頁（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第70頁/共81頁71第71頁/共81頁由于線性整步電壓不載有并列點兩側(cè)電壓幅值的信息，所以它就無法作為電壓差的檢測。電壓差檢測可直接用機組電壓和系統(tǒng)電壓的幅值進行比較。72電壓