同步发电机自动准同期并列综述.docx

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同步发电机自动准同期并列综述

同步发电机自动准同期并列综述

任治坪

（新疆大学电气工程学院，新疆乌鲁木齐830008）

摘要：

本文介绍的是同步发电机的自动准同期并列基本原理，其中包含了同期并列的基本基本条件，模拟式自动准同期装置的原理，微机型自动准同期装置的原理等内容。

关键字：

同期并列整步电压恒定越前时间周期法解析法DFT类算法

ParallelsynchronousgeneratorautomaticsynchronizingSummary

RenZhiping

（ElectricalEngineeringCollege,XinjiangUniversity,Urumqi,Xinjiang830008）

Abstract：

Thisarticledescribesasynchronousgeneratorautomaticsynchronizingthebasicprinciplesofatie,whichcontainsthebasicfundamentalconditionsforthesameperiodinparallel,analogprincipleofautomaticsynchronizingdevices,computer-basedautomaticsynchronizingdeviceprincipleandsoon.

Keyword:

Juxtaposition；LockoutVoltage；Echizentimeconstant；Cycleapproach；Resolveapproach；DFT-likealgorithm

1、引言

随着工业社会的不断发展电力行业显得越来越重要，而同期并列是电力系统中经常进行的一项十分重要的操作。

不恰当的并列会对发电机和系统产生巨大的冲击损坏电气设备影响电力系统的稳定性造成成本升高甚至造成人员伤亡。

本文即针对发电机同期并列的原理及过程进行了阐述。

2、准同期装置的发展

电力系统中的同期并列方式主要有自同期并列和准同期并列两种，其中自同期并列主要用于水轮发电机组，作为处理系统事故的重要措施之一。

但是由于自同期的使用不可避免地会出现较大的冲击电流并伴随母线电的下降，因此所使用的场合不多，相反应用最广泛的是准同期并列，我国是世界上微机准同期装置最早研制的国家之一，1982年在安徽陈村水电站成功投入了第一台微机同期装置。

八十年代中期又陆续推出了一些类似装置。

目前国内有许多科研、制造单位都在进行微机自动准同步装置的研制。

准同期装置的发展经历了如下三代产品：

第一代，在二十世纪六十年代以前，我国大多采用“旋转灯光法”进行准同期并列操作14。

这是最原始的准同期方法。

后来改用指针式电磁绕组的整步表构成的手动准同期装置。

这种方法仍然应用在常规的设计中。

第二代准同期装置是以许继的zz03和ZZQS为代表的模拟式自动准同期装置。

它用分立晶体管元件搭建硬件电路，对同期条件进行检测和处理。

ZZQ3和ZZQS自动准同期装置的出现，极大的提高了并网速度和可靠性，但由于模拟式同期装置用模拟电子元件拟合，必然带来诸如导前时间不稳定、阻容电路作为微分电路的条件约束、构成装置元器件参数漂移不稳定等问题。

模拟式的同期装置合闸准确度比较低，它无法指示装置的运行状态，不能进行故障自检等，现在已经基本被淘汰。

第三代准同期装置是微机式自动准同期装置，微处理器的诞生对自动准同期装置技术指标的提升产生了质的飞跃，深圳市智能设备开发有限公司研制的SID·2系列多功能微机自动准同期装置比较具有代表性。

它是我国最早从事微机准同期控制器研究、开发、生产的企业之一，相继推出了QSA型、SID．I型、SID．2型、SID-2V系列发电机用微机准同期控制器及SID．2T系列线路用微机准同期控制器，具有高精度、高可靠性、人机界面友好、操作方便、接线简单等特点。

在提高并网速度和可靠性的同时，大大提高了合闸准确度。

3、准同期并列的条件

发电机准同期并列时的电压向量图如图1.1所示。

发电机组在未投入系统运行之前，它的电压U。

与系统电压U的状态量往往不等，须对待并发电机组进行适当的操作，使之符合并列条件后才允许断路器合闸作并网运行。

发电机并网的同期条件保证了发电机投入到电网运行时，冲击电流比较小，减小系统对发电机组的冲击;迅速进入同步运行状态，减小对电力系统的扰动。

图1.1

发电机组同期并列的理想条件是:

（1）并列断路器两侧电源电压的电压幅值相等;

（2）并列断路器两侧电源电压的频率相等:

（3）在并网合闸的瞬间，并列断路器两侧电源电压的相角差为零。

此时，并列合闸的冲击电流为零，而且并列后发电机组与电网立即进入同步运行，不会发生任何扰动现象。

但实际并列操作时三个条件很难同时满足，而且这样势必延长并网时间，造成大量的空转能耗。

其实在实际操作中也没有这样苛刻的必要。

因为并列合闸时只要冲击电流较小，不危及电气设备，合闸后发电机组能迅速拉入同步运行，对待并发电机和电网运行的影响较小，不致引起任何不良后果。

因此，在实际并列操作中，并列的实际条件允许有一定的偏差。

我们称之为准同期条件。

发电机实际并网时的准同期条件是:

（1）并列断路器两侧电源电压的电压差必须在允许的范围内;

（2）并列断路器两侧电源电压的频率差必须在允许的范围内;

（3）在并网合闸的瞬间，并列断路器两侧电源电压的相角差在允许的范围内。

以上三条分别是准同期并列的电压条件、频率条件和相位条件。

发电机并网的准同期条件要求待并发电机合闸开关的主触头在相位差为零的瞬间闭合，也就是在脉动电压包络线的过零点闭合。

在此情况下，发电机可以平滑地并入电网，而不会有任何冲击。

4、发电机自动准同期并列装置

3.1同期并列基本原理

自动准同期装置一般由电源部分合闸部分均频部分和均压

部分组成,如图2.1所示

图3.1自动准同期的基本构成

系统电压和发电机电压分别经过电压互感器降压后送入自动准同期装置自动同期装置由均频控制单元均压控制单元和合闸控制单元三部分组成均频控制单元自动检测发电机电压与系统电压频率差的方向发出增速或减速信号送到机组调速器的频率给定环节自动调节发电机电压的频率使频率差减小均压控制单元自动检测发电机电压与系统电压的幅值差的方向发出升压或降压信号送到发电机励磁调节器的电压给定环节自动地调节发电机电压的幅值使幅值差减小合闸控制单元自动检测发电机电压与系统电压之间的频率差和幅值差在频率差和幅值差均小于整定值时在相角差σ=0前一个发电机断路器的合闸时间（恒定越前时间）发出合闸信号送到发电机断路器的控制回路使断路器合闸。

3.2模拟式自动准同期装置的原理

在微处理器问世之前自动准同期装置多由分立元件或少量集成块构成的模

拟电路来实现现在电力系统中运行的模拟式自动准同期装置大都利用线性整步

电压通过线性整步电压来获得恒定越前时间而且线性整步电压使频率差的检

测也不受电压幅值的影响可以提高并列装置的控制性能线性整步电压形成电

路一般由降压变压器整形电路相敏电路和滤波电路组成整步电压zbU和时

间t成线性关系其值只与发电机电压和系统电压的相角差有关而与它们的幅

值无关

若并列时系统电压瞬时值为

（3.1）

发电机侧瞬时值为

（3.2）

图3.2是发电机电压和系统电压矢量图在滑差存在的情况下系统电压与

发电机电压之间的相角差d不为常数而是时间t的函数即

（3.3）

图3.2电压矢量图

Wg、Ws---发电机和系统角频率θs---系统电压初相角

随着t的变化δ从0到2π做周期性变化。

线性整步电压是指其幅值在一周期内

与角差δ分段按比例变化的电压。

在模拟式自动准同期装置中采用的线性整步电

压，一般呈三角形波形，如图3.3。

图3.3（a）表示相角差由0~2π变化时，线性整

步电压的波形，其特点如下：

当δ在0~π区间时，线性整步电压u与相角差δ成

正比，即u=kδ，其中k为比例常数，线性整步电压的大小随δ的增加而增大；

当δ=0时，线性整步电压有最小值，其值为零；当δ=π时，线性整步电压有最

大值，其值为kπ，是常数。

当δ在π~2π区间时，线性整步电压仍与相角差δ成

正比，即u=k（2π-δ），此时线性整步电压的大小随δ的增加而成比例地减少，到δ=2π时，又达到最小值u=0。

因此，线性整步电压幅值的大小与相角差之δ之间是线性关系，而与同期电压Us，Ug的幅值无关。

图3.3（b）将线性整步电压的角度横坐标δ改为时间横坐标t，由于t=δ/ωs

故滑差ws不同时，线性整步电压虽然最大值一样，但是它们的滑差周期的长短却不同，因此线性整步电压同样也可以用于检查同期条件。

图3.3（c）是本章讨论的自动准同期装置的线性整步电压特性相当于取δ0=π、其特点是当δ在-π~0区间时，u与（δ+π）成正比，即

u=Cδ+A（A=Cπ）（3.4）

所以线性整步电压随δ的增加而加大。

当δ=0时，线性整步电压有最大值A；当δ在0~π区间时，u值与（π-δ）成正比，即

u=A–Cδ（3.5）

此时线性整步电压的大小随δ的增加而成比例地减小，到δ=2π时达到最

小值,即u=0，由此可见，图3.3（c）的线性整步电压幅值与角差δ之间也是分段的

线性关系，而与同期电压

的幅值无关。

图3.3线性整步电压波形图

模拟式准同期大都利用以上所述的线性整步电压来检查准同期条件是否满

足，其中包括频差检查、压差检查和恒定越前时间的形成等，下面分别讨论。

3.2.1线性整步电压的形成

不同的自动准同期装置中形成线性整步电压的电路不尽相同，但其工作原理

却大同小异，其形成电路示意图如图3.4（a）所示。

发电机电压和系统和系统电压经过整形电路变成方波U1、U2，方波信号经过

相敏电路，由于发电机电压和系统电压的频率不同，因此形成了一组宽度由小到

大，又逐渐减小的方波U3，最后，U3经过滤波电路就形成了如图3.3（a）的整步电

压波形。

波形形成过程如图3.4（b）所示。

3.2.2恒定越前时间的形成

图3.5电路是某同期装置恒定越前时间形成电路，线性整步电压经过由R1、C1组成的比例-微分电路之后，送入由三极管BG1、BG2组成的电平检测器与电平检测器的翻转电平（BG2的基极电平）进行比较，由BG3集电极输出恒定越前时间信号[1]。

图3.6是恒定越前时间形成波形图。

图中u1、u2分别为电流IR和IC在R2上形成的电压。

从图中可以看出，对应于不同滑差的两个线性整步电压产生的越前时间t1=t2。

3.4（a）整步电压波形形成电路示意图

3.4（b）整步电压形成电路波形图

图3.5恒定越前时间形成电路

图3.6利用线性整步电压获得导前时间波形图

3.2.3频差检测原理

作为准同期条件之一的频率差检测的原理可以用图3.7说明。

首先选定一个角

度δ，令

（3.4）

式中dsh-允许滑差角频率，是自动准同期装置的整定值；

th-断路器合闸时间，对于选定的断路器及其合闸回路，th是已知的；

t1-自动准同期装置恒定超前时间，t1=th

对于确定的发电机及其断路器，式（3.6）中的δ是一个确定的已知值。

然后，

检测发电机电压

以滑差角频率ws相对系统电压

转动时走过角度δ所用的时间，走过δ所用的时间长。

则ws小；时间短，则ws大，特此用数学式表述，有

（3.5）

式中ws-----实际滑差角频率：

tδ-----以速度走过角度δ所用的时间。

根据上式有：