新聞主題	發電機準同期并列理想和實際條件分析

 

并列操作是發電的一項主要的操作內容。因為斷路器的兩端均有電源，電壓一般并不相等，因此必須進行某些調整，使其符合同期的條件，以便順利地把發電機并入電網同步運行。通過安裝于母線上的電壓互感器和發電機機端的電壓互感器，可以得到電網電壓和發電機機端電壓，即同期斷路器兩側的電壓。通過比較，判斷是否符合并列條件，若符合條件，則進行發電機并入電網的斷路器合閘操作，即進行同期并列；若條件不滿足，則需要進行調整。

 

一、準同期并列理想條件

 

準同期并列等值電路見圖1。并列前，QF斷路器兩側電壓分別為

 

 

式中 u_s、U_ms、w_s、4_s——系統電壓、幅值、角頻率、相角；

u_G、U_mG、ω_G、4_G——發電機電壓、幅值、角頻率、相角。

 

圖1 準同期并列等值電路圖

圖2 準同期并列電路及相量圖

 

在發電機一變壓器組接線方式中，變壓器接線方式一般采用Y/Δ接線，發電機機端電壓量測量可經相位校正，使其可與系統電壓量測量進行對比。

一個正弦交流量可由三個參數表達，即電壓幅值U_m、角頻率ω和初相角φ。若系統電壓和發電機機端電壓各自的三個狀態參數對應符合下列條件：

U_mS＝U_mG（即電壓幅值相等）..............................................(5-2)

ω_S＝ω_G或f_S＝f_G（即頻率相等）..............................................(5-2)

φ_S＝φ_G或δ＝φ_G-φ_G＝0（即相角差為零）..............................................(5-2)

則稱之為兩側電壓處于同步狀態，若并列斷路器QF動靜觸頭此時閉合，由于是等電位狀態，斷路器中將沒有沖擊電流，對系統和發電機不產生任何擾動，發電機平穩并入系統。上述斷路器兩側電壓相量完全相等的條件稱為準同期并列的理想條件。

由于調節誤差、器件慣性等因素的存在，并列裝置不可能把兩側電壓調整為三個條件同時滿足。實際上，QF動靜觸頭閉合時兩側電壓由于幅值不等或有相位差，電壓差不為0，會有沖擊電流。

 

二、并列斷路器兩側電壓的分析

 

同步發電機組并列時遵循如下的原則。

（1）并列斷路器合閘時，發電機的沖擊電流應盡可能小，瞬時最大值一般不超過1～2倍的額定電流。

（2）發電機組并入電網后，應能迅速進入同步運行狀態，暫態過程要短，減小對電力系統的擾動。

假設兩側電壓的三個參數均不相等，電壓差瞬時值u_d為

u_d=u_G-u_S=U_mGsin(ω_Gt+φ_G)-U_mSsin(ω_St+φs) ..............................................(5-3)

U_d=U_G-U_S..............................................(5-4)

式中 U_d——脈動電壓；其他參數同式（5-1）。

脈動電壓相量圖和波形圖見圖3。

 

圖3 脈動電壓相量圖

圖4 脈動電壓波形圖

 

應用三角公式可求得U_d的值為

 

 

式中 ω_d——滑差角頻率。

取u_d的波形包絡線見圖5。當ω_dt＝0時，U_d＝｜U_mG-U_mS｜為兩側電壓幅值之差；當ω_dt＝π時，u_d＝｜U_mG＋U_mS｜為兩側電壓幅值之和，見圖5（b）。

 

圖5 脈動電壓波形圖

 

從圖3、圖4、圖5中可以看出，u_d 仍然為正弦波，但其幅值U_d是脈動的，故稱為脈動電壓。U_d呈周期性變化，變化周期T_d稱為脈動周期，T_d與滑差角頻率ω_d。有關，即

 

  

滑差角頻率ω_d與滑差頻率f_d＝f_G-f_S關系  

ω_d =  2πf_d ..............................................（5-7）

在脈動電壓U_d波形中載有實現準同期并列所需的信息，包括電壓幅值差、角頻率差及相位差隨時間周期變化的規律，因此對兩側電壓量的測量可為自動準同期并列裝置提供并列條件的信息和合適的合閘控制信號發出時機。

 

三、準同期并列的實際允許條件分析

 

由于發電機和系統均有一定的抗沖擊能力，允許有一定的偏差范圍存在，因此，稍偏離理想條件的并列在工程實用上是合理的。下面分析偏離理想條件并列時引起的后果。

待并入電網的發電機已啟動，轉速升至接近電網同步速，轉子已加入勵磁，并且發電機機端電壓為U_G，電壓幅值接近電網電壓。并列斷路器合閘之前，兩側電壓一般不相等，需要對發電機的勵磁和轉速進行調整，使其符合準同期并列條件，然后在合適的時候發出斷路器合閘命令。準同期并列等值電路參見圖5-2。

當在滿足準同期并列條件情況下，斷路器動靜觸頭閉合時，沖擊電流的大小和性質取決于合閘瞬間的 U_d 值、發電機參數和電網參數。要求斷路器合閘瞬間的 U_d值盡量小，以減小對發電機的電動力沖擊。應該使沖擊電流小于發電機允許的最大電流，并且ω_d也應得到控制，希望能夠在斷路器合閘后，發電機在盡量短的時間內進入與電網同步運行狀態。若能做到 U_d＝0，則沖擊電流將為零，而ω_d很小時，發電機能夠以短時過渡過程平穩實現同步運行，基本不產生對電網的任何擾動。

 

根據發電機所能承受的最大電流4” imp.m，并且考慮斷路器合閘后發電機能迅速拉入同步運行，從工程角度上忽略次要因素，分析準同期并列的實際允許條件。

 

1．電壓幅值差允許值（ΔU）e

 

設并列時ω_G＝ω_S，δ＝δ_G-δ_S＝0，ΔU＝U_G-U_S≠0，設4” imp.m為發電機允許沖擊電流，則由 U_d 產生的沖擊電流有效值為

 

 

式中X”_d ——發電機次暫態電抗；

Xs——系統等值電抗。

則合閘沖擊電流為

 

 

要求該沖擊電流小于發電機允許沖擊電流值，可導出電壓差允許值為

 

 

由圖6（a）可見，由電壓幅值差引起的沖擊電流主要為無功分量，發電機電壓高于系統電壓，則發電機輸出無功功率；反之，發電機從系統吸取無功功率。沖擊電流一般限制為1～2倍的額定電流，相應電壓差不超過5％～10％U_N。

 

2．合閘相角差允許值δe

 

設并列時ω_G＝ω_x，ΔU＝U_G-Us＝0,δ＝δ_G-δs≠0，δ＝δ_G-δs為相位差角。

發電機為空載，U_G＝E” q，由圖6（b）可見合閘時的沖擊電流有效值為

 

 

最大瞬時值（沖擊值）為

 

 

要求其小于發電機允許沖擊電流，可導出δ的允許值δ為

 

 

δ控制為較小，合閘相角差沖擊電流主要為有功電流分量，見圖5-5（b），并列后發電機與電網即有有功功率的交換，若δ_G＞δs，發電機超前電網，機組立即帶有功負荷，反之則電網帶大電動機，對機組和電網均產生沖擊。從發電機并列時系統對有功功率和無功功率的需求看，選擇發電機電壓稍高于系統電壓和相位稍超前于系統電壓是合適的。

 

圖6 準同期條件相量圖

 

3．滑差角頻率允許值ω_d.set

 

討論滑差角頻率ω_d允許值的主要目的是分析并列后的過渡過程。設并列時ω_G≠ωs（f_G≠fs），U_G＝Us＝U；根據圖5-3（a）所示相量圖及式（5-3）可得斷路器兩側電壓差為

 

 

其中脈動電壓為

 

 

其中                                    

ω_d=ω_G-ωs

δ=ω_dt

式中ω_d——滑差角頻率；

δ——相角差。

電壓差u_d仍為頻率近于工頻的交流電壓，其幅值即脈動電壓U_d隨時間變化而周期變化，參見圖3。當ω_G＞ω_S時，ω_d＞0；δ從0→π/2→π→3π/2→2π，U_d值從0變到最大值又變為0。

發電機并列要求電壓差小，以使沖擊電流盡可能小。此外，若滑差角頻率ω_d較大將經歷較長的過渡過程，嚴重時甚至失步，造成并列失敗。

下面分析當ω_G不等于ω_S時，發電機并入電網拉入同步運行的過渡過程。

 

根據《電機學》知識可知，當發電機電壓U_G超前于電網電壓Us時，δ＞0，發電機發出有功功率，電磁功率形成制動轉矩；當發電機電壓U_G滯后于電網電壓Us時，δ＜0，發電機吸收有功功率，電磁功率形成加速轉矩。

發電機并列前處于空載狀態，原動機輸入僅為克服發電機組摩擦阻力的機械功率，量很小。設斷路器合閘后，在發電機并列過渡過程中，原動機的輸入功率恒定不變，合閘時的相角差為δ，并且為超前情況，即δ＞0（圖7中a點），發電機角頻率高于電網角頻率，ω_G＞ω_S，ω_d＞0。可見合閘后發電機處于“發電機狀態”，由于輸出電磁功率大于輸入機械功率而受到制動減速，ω_G減少。但ω_G＞ω_S時，δ仍會增大。

發電機運行點沿功角特性到達圖7中b點時，ω_G＝ω_S，為δ最大值。若小于180°，這時發電機仍處于“發電機狀態”，所以ω_G繼續減少，δ將逐漸減小，發電機功率沿特性曲線往回擺。若δ在ω_G＝ω_S之前已越過180°，則發電機將進入“電動機狀態”重新加速，而不能被拉入同步。

發電機運行點沿功角特性回擺到達坐標原點前，輸出電磁功率大于輸入機械功率而受到制動減速。ω_G＜ω_S，δ持續減小。回擺沖過坐標原點后，輸出電磁功率小于輸入機械功率，交換功率變負，發電機組處于“電動機狀態”又重新加速，運行點沿特性曲線變動直到圖中的c點，相角差δ又往反方向運動。這樣來回擺動，由于系統阻尼等因素，δ擺動幅度逐漸變小，直到進入同步運行時為止（見圖7）。

顯然，進入同步狀態的暫態過程與合閘時滑差角頻率ω_d的大小有關。如果ω_d較大，則需經歷較長時間振蕩才能進入同步運行（如果ω_d很大，δ超出180°，則將導致不能被拉入同步）。在一般情況下，發電廠與電網聯系較緊密時，并列時的w_d值遠小于上述極限值，因此可以不必校核。但是，當并列的發電機組與電網間的聯系較弱時，需按系統穩定條件進行校驗ω_d是否小于允許值。若ω_d較小，δ變化不超過180°，由阻尼作用，發電機拉入同步；若ω_d較大，δ變化超過180°，發電機失步。

 

發電機并列同步過程分析曲線圖

 

綜上所述，準同期并列的實際允許條件可表示為：

（1）允許電壓差：ΔU＝U_G-U_S＜（ΔU）_set ≈（5％～10％）U_N；

（2）允許滑差角頻率：ω_d＝w_G-w_S＜w_d．set或Δf＝f_G-f_S＜（Δf）_set ≈（0.2％～ 0.5)%f_N;

（3）允許相角差：δ＝δ_G-δ_S＜δ_set≈10°。

 

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