电力系统自动化 樊丛博 073736227.doc

新疆农业大学
课 程 论 文

题 目:
同步发电机同期系统与并列操作

课 程:
电力系统自动化
姓 名:
樊 丛 博
专 业:
电气工程及其自动化
班 级:
电 气 072
学 号:
073736227
指导教师:
石 砦 职称: 讲 师
2010 年 11 月 18 日

同步发电机的同期系统与并列操作
作者：樊丛博 指导老师：石砦
摘要：为提高供电的可靠性和电能质量,电力系统中的发电机通常都采用并联运行。根据系统运行的需要,同步发电机经常要投入或退出电网,有时会将一台或多台退出或投入运行。在某些情况下,甚至需要将已被解列为两部分的电力系统重新恢复并列运行
关键词：同步发电机、同期系统、并列操作
Synchronous generator in the corresponding period system and tied for operation
The author：Fancongbo Guiding teacher：Shizhai
Astract：In order to improve the reliability and electrical energy quality of providing electricity, the generator of power system is usually operated in parallel connection. According to the system operation circumstances, synchronous generators are usually put into or withdrawn from transmission-line system of electric power. One or more synchronous generators are sometimes withdrawn or put into operation. In some cases, it is even necessary to restore arrangement in parallel operation from two parts of power system.
Key words: Synchronous generator、Same system、Tied for operation

前言：现代发电厂通常都装有多台发电机，这些发电机一般都是并联运行的，不同发电机之间也是并联运行的，从而形成了大型电力系统。所谓发电机的并联运行，就是将两台或两台以上的发电机分别接入电力系统的对应母线上，或通过变压器、输电线路接在电力系统的公共母线上，共同向用户供电。同步发电机的同期并联操作是将同步发电机投入电力系统参与同期并联运行的操作过程。同期操作是通过检测同期电压并列和用同期装置来实现的，通常把反应同期装置和同期电压连接关系的电气回路称为同期系统。
1.同步发电机的准同期并列
同期并列操作在发电厂中是一项经常性的重要操作，如果出现误操作将会造成非同期并列，可能产生巨大的电流，导致电力系统产生强大的电动力，可能对电气设备产生严重损坏，从而给电力系统带来及其严重的后果。因此，要求同期并列时冲击电流和冲击力矩不能超过允许值，而且并列后发电机能被迅速拖入同步[1]。
1.1同期并列的方法
发电机同期并列的方法有自同期和准同期两种。
自同期并列是将待并发电机由原动机托至接近同步转速时，把待并发电机投入系统，然后再给发电机加上励磁，使发电机自行转入同步。由于发电机再未加励磁的情况下就投入系统，相当于系统经过很小的电抗而短路，所以并列断路器合闸时冲击电流较大。这种同期并列方式的特点是并列迅速，操作简单，但是由于冲击电流较大，会引起电力系统电压暂时降低。
准同期并列时将待并发电机转速什至接近同步转速后就是励磁，当发动机的频率、电压幅值和电压相角分别与运行系统的频率、电压幅值和电压相角接近相同时，合上并列断路器，将待并发电机投入系统并列运行。这种并列方法冲击电流较小，不会引起系统电压降低，不仅适用于而且也适用于两个系统之间的并列，因而获得广泛应用。
1.2准同期并列的条件
发电机的同期并列操作最终事通过并列断路器的合闸来完成的。再并列前，同期并列断路器两次的电压分别是系统电压和待并发电机（或待并系统电压,将它们表示为瞬时值形式[2]，则
=sin ()=sin （1）
式中 ——系统电压幅值；
——系统角频率；
——系统电压初相角；
——系统电压t时刻的相角, =
=sin()=sin （2）
式中 ——待并发电机电压幅值；
——待并发电机角频率；
——待并发电机电压初相角；
——待并发电机电压t时刻的相角，=。
式（1）和式（2）反映了系统电压和待并发电机电压的幅值、角频率和相角等三个状态量的关系。
在进行并列操作前，同期并列断路器两侧电压的状态量一般是不相等的。并列断路器两侧电压的幅值差、频率差（或相角频率之差）和相角差之间的关系为
=-
（或=）
=（或=-=2）
=（）-（）
在并列断路器合闸时，最理想的情况是断路器两侧电压完全相同。这时断路器合闸所造成的冲击电流为零，并且并列后能顺利的进入同步运行状态，对电网无任何扰动。因此，发电机同期并列的理想条件是并列断路器两侧电压的三个状态量全部相等，即
=
或 =
0
或表示为
=0
=0 或
0
一般来说机组容量越大，允许偏差越小。准同期并列条件通常可表示为
|
||
(合闸相角允许值)
2.自动准同期并列装置的基本原理
自动准同期装置通过比较并列断路器两侧的电压，检测并列条件是否满足。不满足时则进行相应调整，并选出合适的时间发出合闸信号，使并列断路器合闸，将发电机投入系统并列运行。由并列条件可知[3]，最理想的合闸时机是和两向量重合瞬间。准同期并列装置采用的提前量有越前相角和越前时间两种。在和两向量重合之前恒定角度发出合闸信号的，称为恒定越前相角；在和两向量重合之前恒定时间发出合闸信号的，称为恒定越前时间。采用恒定越前时间的准同期并列装置从理论上讲可以使合闸相角等差等于零。

图1 自动准同期装置组成示意图
2.1自动准同期装置的基本结构
自动准同期装置的基本结构如图1所示[4]。装置包括三个控制单元：频率差控制单元，电压差控制单元和合闸信号控制单元。其中，频率差控制单元的任务使检测发电机电压和系统电压间的角频率差（又称为滑差角频率或滑差），同时通过调整发电机的转速，使得发电机电压频率接近于系统频率。电压差控制单元则用于检测发电机电压和系统电压间的幅值差，并通过调整发电机的励磁，改变发电机电压，使得发电机电压和系统电压间的幅值差小于规定允许值。合闸信号控制单元的功能是检测并列条件，当待并机组的频率和电压都满足并列条件时，选择适当的时机发出合闸脉冲信号。使并列断路器的主触头接通瞬间，发电机电压和系统电压间的相角差接近于零或控制在允许范围之内。
按照自动化程度的不同，准同期并列装置又分为半自动准同期并列装置和自动准同期并列装置。半自动准同期并列装置没有频率调节和电压调节功能，只有合闸控制单元，待并发电机的频率和电压调整由人工完成，当频率和电压满足并列条件时，并列装置选择恰当时机发出合闸信号。自动准同期并列装置则设置频率差控制、电压差控制和合闸信号控制等三个单元。
2.2微机准同期并列装置
微机准同期并列装置硬件结构简单，编程方便灵活，运行可靠，成为目前自动并列装置发展的主流。由于微处理器具有告诉运算和逻辑判断能力，可以对发电机电压和系统电压间的相角差和滑差角频率进行近乎瞬时值的计算，并按照频率差与电压差的大小和方向，确定合适的调节量，实现对发电机的频率调节和电压调节，以达到较满意的并列控制效果。同时，微处理器能精确计算相角差，并根据相角差的实时变化规律，选择最佳的越前时间发出合闸信号，从而可以缩短同期并列操作的过程，提高自动并列装置的技术性能和运行可靠性[5]。
图2示出了微机准同期装置的系统结构[6]。计算机通过同期模件采集发电机电压和系统电压信息，不断地计算和校核同期并列的三个条件。当条件不满足时计算机发出相应的调速和调励磁命令，通过发电机的调速器调整发电机的转速和电压，使同期并列条件得到满足。条件一旦满足后装置选择最佳的越前时间发出断路器关合命令，实现机组的同期并列。

图2 微机准同期装置组成示意图
3.同期点的设置和同期电压的引入
3.1同期点的设置
当断路器处于断开状态，断路器两侧有可能出现非同一电源时，此断路器的合闸实现同期合并。发电厂中每个有可能进行同期操作的断路器称为同期点。同期点的设置主要与发电厂的主结线形式方式以及厂用备用电源引接方式有关[7]。
（1）发电机出口断路器和发电机-双绕组变压器组出口断路器都是同期点。因为各发电机的并列操作，一般都是利用各自回路中的断路器进行的。
（2）母线联络断路器都是同期点。因为母线上接有若干各电源原件，因此母线断路器可以作为这些电源原件的后备同期点。
（3）自偶变压器或三绕组变压器三侧的断路器都是同期点。将这些断路器设置为同期点是为了减少并列时可能出现的倒闸操作，以保证事故情况下能尽快可靠的恢复供电。
（4）对侧有电源的系统联络方线的断路器都是同期点。
（5）旁路断路器是同期点，可以代替联络线断路器与系统并列。
（6）当厂用工作电源和厂用备用电源不是引自同一系统，又有可能出现并列运动的情况时，将可能并列的断路器设置为同期点。
3.2同期电压的引入
准同期并列操作必须通过同期装置检测待并断路器两侧电压，判断是否满足并列条件。并列断路器两侧的发电机电压和系统电压经电压互感器（TV）转换为二次电压，再经过相应的隔离开关的辅助点和同期开关触电切换后，接入同期电压小母线上，同期并列装置从同期电压小母线上引接同期电压进行检测。同期电压小母线上没有电压，只有在并列操作时才带有待并断路器两侧二次电压[8]。同期电压的引入方式取决于同期装置的结线方式。
1） 三相结线方式
当同期系统采用三相结线方式时，设有四条同期电压小母线：系统U相电压小母线，待并机组U相和W相电压小母线。这样可以将系统电压（U相和V相）和待并系统的三相电压（U相、V相和W相）引入到同期装置。
2）单相结线方式
当同期系统采用单相结线方式时，通常设置三条同期电压小母线：系统W相电压小母线,待并机组W相电压小母线，公共接地小母线。对110kV以上中性点直接接地系统，电压互感器二次绕组采用中性点（N）接地方式时，同期电压取自电压互感器辅助二次绕组的W相电压；对35kV及以下中性点不直接接地系统，电压互感器二次绕组采用V相接地时，同步电压取自压互感器二次绕组的线电压；对（Y，d1l）结线的双绕组变压器，待并系统同期电压取自电压互感器二次绕组的线电压，系统同期电压取自电压互感器辅助二次绕组的W相电压。因此，单相结线方式的同期系统的同期电压引入方式与电力系统接地方式、发电厂主结线方式以及电压互感器的接地方式有关。
4.结论
同步发电机投入电力系统并列运行的操作,或者,电力系统解列的两部分进行并列运行的操作,被称为并列或同期操作[1]。随着负荷的波动,电力系统中发电机运行的台数也经常要变化。因此,同步发电机的并列操作是电厂的一项重要操作,另外,当系统发生事故时,也常要求将备用发电[9]。

参考文献：
[1] 杨冠城. 电力系统自动装置原理[M].北京：水利电力出版社，1995
[2] 范锡普. 发电厂电器部分[M]. 北京：水利电力出版社，1995
[3] 何永华.发电厂及变电站的二次回路[M].北京：水利电力出版社，1995
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[5] 电力工业部西北电力设计院.电力工程电气设备手册[M].北京：中国电力出版社，1998
[6] 王定一 .水电厂计算机监视与控制[M]. 北京：中国电力出版社，2001
[7] 邹为民 .新型的转差率频率励磁发电机[M] .北京： 电工技术学报，2009
[8] 俞国泰.电力热力设备及运行[M]. 北京：中国电力出版社，1997
[9] Prabir Basu,Cen Kefa,Louis Jestin. Boilers:Design and Theory. Springe-Verlag New York Inc.,2000