同步发电机自动准同期并列综述.docx
《同步发电机自动准同期并列综述.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《同步发电机自动准同期并列综述.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
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：
（3.6）
此式说明如果tδ=t1，则ws=wsh；如果tδ>t1，则wswsh
这样，就将检测发电机电压和系统电压之间滑差角频率ws大于、小于或等于整定值wsh的问题，变成了比较走过给定角度δ所用时间tδ小于、大于或等于恒定越前时间t1的问题了[2,3]。
图3.7频差检测原理图
3.3微机型自动准同期装置的原理
3.3.1徽机型自动准同期装置的构成原理
微机型自动准同期装置克服了模拟式准同期装置的局限性，其硬件简单、编程方便，运行可靠，技术上日趋成熟，成为当前发展的方向。
微机型自动准同期装置具有高速运算和逻辑判断能力，可以对压差、频差、相角差进行精确的运算，并能考虑到相角差可能具有加速运动问题，按照相角差当时的变化规律，捕捉最佳的合闸时机，实现快速无冲击并网。
微机型自动准同期装置形式较多，但其功能及装置原理是相似的。
微机型自动准同期装置的微机系统由微处理器、存储器及相应的输入/输出接口电路组成。
输入/输出接口电路为可编程并行接口，用以采集并列点选择信号、远方复位信号、断路器辅助节点信号等开关量，并控制输出继电器实现调压、调速、合闸、报警等功能。
1.频差、相角差鉴别电路
频差、相角差鉴别电路用以从外界输入装置的两侧电压互感器二次电压中提取与频率和相角差有关的量，进而实现对准同期三要素中频差及相角差的检查，以确定是否符合同期条件。
来自并列点断路器两侧TVs及TVG的二次电压经过隔离电路后通过相敏电路将正弦波转化为相同频率的矩形波，通过对矩形波电压的过零检测，即可得出待并发电机侧及运行系统侧的频率fs、fc的信息，进而就不难获得频差fD、角频率差WD。
这些值可以在每一个工频信号周期获得，在随
机存储器中始终保留一个时段的这些值。
完全可以通过计算已知时段△t、始末
ωD的差值△ωD得到ωD
的一阶导数
，即
。
这样就为计算理想导前合闸角
创造了条件。
（3.7）
式中
--导前时间，即断路器合闸回路动作时间。
2.压差鉴别电路
压差鉴别电路用以从外部输入装置的TVs及TVG两电压互感器二次侧电压
中提取电压有效值，进而实现对准同期三要素中压差的检查，以确定是否符合同
期条件。
如不符合同期条件，则根据压差的大小和极性进行均压控制。
3.输入电路
自动准同期装置的输入信号除并列点两侧的TV二次电压外还要输入如下开
关量信号:
①并列点选择信号。
自动准同期装置不论是单机型还是多机型，其参数存
储器中都要预先存放好各台发电机的同期参数整定值，例如导前时间、允许频差、
允许压差、均频控制系数、均压控制系数等。
在确定即将执行并网的并列点后，
首先要通过控制台上每个并列点的同期开关（或由上位机控制的相应继电器）从
同期装置的并列点选择输入端送入一个开关量信号，这样同期装置接入后（或复
位后）即会调出相应的整定值，进行并网条件检测。
装置可供多台发电机并网共
用，但每次只能为一台发电机服务。
如同时给同期装置的并列点选择输入端送上
一个以上的开关量信号时，装置将会给出并列点大于或等于2的出错信息。
②断路器辅助节点信号。
并列点断路器辅助节点是用来实时测量断路器合
闸时间（含中间继电器动作时间）的。
同期装置的导前时间整定值越是接近断路器
的实际合闸时间，并网时的相角差就越小。
这也是为什么要实测断路器合闸时间
的理由。
在同期装置发出合闸命令的同时，即启动内部的一个毫秒计时器，直到
装置回收到断路器辅助节点的变位信号后停止计时，这个计时值即为断路器合闸
时间。
应该指出断路器主触头的动作不一定和辅助节点同步，因此这种测量合闸
时间的方法是存在误差的。
弥补的方法是由录波器在并网时通过记录脉振电压及
同期装置合闸继电器节点动作的波形图，得到断路器精确合闸时间，与由辅助节
点测出的合闸时间的差值在软件上进行修正。
也可通过同期瞬间并列点两侧电压
的突变这一信息精确计算出断路器合闸时间。
③远方复位信号。
“复位”是使微机从头再执行程序的一项操作，同期装
置在自检或工作过程中如果出现硬件、软件问题或受干扰都可能导致出错或死
机。
此时可通过按一下装置面板上的复位按钮或设在控制台上的远方复位按钮使
装置复位，复位后装置可能又正常工作了，也可能仍旧显示出错或死机。
前者说
明是装置受短暂的千扰，而本身无故障，后者则是装置有故障应检查。
④面板的按键。
同期装置面板上装有若千按键，这些按键也是开关量形式
的输入量，与前述输入开关量不同的不是由装置对外的插座输入，而是由装置面
板直接输入到并行输入接口电路。
4.输出电路
微机型自动准同期装置的输出电路分为四类，第一类是控制类，实现同期装
置对发电机组的均压、均频和合闸控制。
第二类是信号类，装置异常或电源消失
报替。
第三类是录波类，对外提供反应同期过程的电量进行录波。
第四类是显示
类，供使用人员监视装置工况，实时参数，整定值及异常情况等提示信息。
控制
命令由加速、减速、升压、降压、合闸、同期闭锁等继电器执行。
装置异常及失
电信号也是由继电器发出，同期装置的任何软件和硬件故障都将启动报警继电器
动作，触发中央音响信号，具体故障类别同时在同期装置的显示器上显示[4]。
微机型自动准同期装置应具备的基本功能
1.能适应TV的不同相别和电压值;
2.应有良好的均频与均压控制品质;
3.应确保在相角差为零度时并网;
4，应不失时机的捕获第一次出现的同期时机;
5.应具备低压和高压闭锁功能;
6.应能及时消除同步过程中的同频状态;
7.应具备接入发电厂分布式控制系统（DCS）和变电所微机监控系统（SNCS）
的通信功能;
8.应能自动在线测量并列点断路器合闸回路动作时间;
9.应赋予更多便于设计和使用的功能，例如:
1）自动转角功能;
2）复合同期表功能:
3）调试校验功能:
4）提供录波的相关电量。
3.2同期参数的测量
3.3.2交流电压有效值的测量
交流电压有效值的测量有两种方法:
一种最简化的办法是采用变送器把交流
电压转化为直流电压（其有效值），然后由A/D接口电路进入主机;另一种是对交流电压信号直接采样，然后通过计算求得其有效值。
·直流采样
直流采样采用电量变送器把交流电压转化为直流电压（其有效值），然后经
A/D接口电路进入主机，主机读出的数值直接反映了所测变量之值。
这种方法容
易实现，也可保证足够精度，但无法实现实时数据信号的采集。
·交流采样
对于一个周期信号f（t）=f（t+T），在满足一定条件下可以展开为富氏级数，
其各次谐波为
（3.8）
式中n为自然数，an和bn分别为n次谐波的余弦和正弦的振幅，根据富式级
数可得
（3.9）
因此，基频分量（n=1）的富式余弦和正弦系数分别为:
（3.10）
于是f（t）中的基波分量为
基波有效值为
对于离散数字信号3.10式积分改为求和，如果每周波采样N次，则第K次
采样时的电压基频分量的富式余弦和正弦系数分别为
实部为
虚部
（3.11）
则基波电压有效值为
交流采样实时性好，相位失真小，硬件实现容易。
随着数字信号处理的发展，
交流采样在电力系统中的应用越来越广泛[5]
3.3.3频率的测量
频率是电力系统的重要参数。
电力系统的频率一方面是自动准同期装置以频
率或频差作为合闸判据，另一方面在对交流电压信号进行同步采样时，需要实时
跟踪电力系统的频率。
目前，频率测量的方法主要有两种:
以硬件电路为主的硬
件测量法和基于交流采样值处理的软件测量法。
·频率的硬件侧量方法
首先采用前置低通滤波器滤除电压信号中的谐波分量，以避免测量结果受谐
波的影响。
电压比较器将正弦波信号变换成同频率的方波信号，在方波信号的两
个相邻下降沿，CPU通过内部的计数器来求取电压信号周期，以此得到系统的频
率值。
硬件测量法的实现电路简单，响应快，计算机计算量小。
然而，它存在一
些缺陷:
①谐波分量会给测量造成影响;②需占用微处理器外部定时器/计数
器，而大多数微处理器（如单片机）的外部定时器/计数器是很少的。
尽管如此，
在电力系统的应用中，大多专门设置了测频电路，并采用硬件测频方法测量频率。
·频率的软件测量方法
软件测频方法不需要专用的硬件测频电路，通过对交流采样值的分析和计
算，采用一定的算法来求取系统频率。
软件测频方法有很多，归纳起来有以下几
种:
①周期法
原始的周期法（或称零交法）通过测量信号波形相继过零点的时间宽度来计
算频率，其原理与硬件测频法相同。
该方法物理概念清晰、易于实现，但精度低，
受谐波、噪声和非周期分量的影响，实时性不好，因此，实用时很少单一的应用
国电自动化研究院硕士学位论文
原始周期法。
对它的改进主要是为了提高测量的精度和实时性，典型的改进算法
有水平交（levelcrossing）算法、高次修正函数法和最小二乘多项式曲线拟合
法，它们以增加计算量和复杂度来提高算法的精度和响应速度（原始的周期算法
的时延决定于信号特征而非计算量），这在一定程度上丧失了原有算法的简明性。
②解析法
对信号观测模型进行数学变换，将待测量频率.f或频差叮表示为采样值的
函数来估计。
解析法算法简明，计算量不大，较传统的周期法有所改进。
用解析
法测频时，为简化分析与计算，一般采用较简单的信号数学模型，难以考虑谐波、
非周期分量等的影响，因此往往要有前置滤波环节。
如上述算法，当电网中谐波
分量较高时，必须采用适当的数字滤波对采样数据进行预处理。
③DFT类算法
该类算法利用前后数据窗的DFT计算结果求取频率偏移来估计频率值。
它可
通过自适应调整采样时间间隔或自适应调整采样数据窗长度的方法来提高测量
范围、精度和算法稳定性。
此外，还有最小二乘算法等多种算法。
下面以解析法推导软件测频的方法:
设电压信号为:
（3.12）
采样后的电压信号为:
（3.13）
其中:
Ts为采样周期，u（n）为电压信号第n个点的采样值。
另设:
（3.14）
将3.13式代入3.14可得
（33.15）
对3.15式取两种不同的采样周期TS1、TS2，即采样频率不同，则有
（3.16）
（3.17）
设
，
，
，式中m为系统频率对额定基频50Hz的偏移量，N1、N2、从分别是一个工频周期内对应于采样周期几Ts1、Ts2的采样点数。
由3.16和3.17式可得
（3.18）
取N2=2N1，则
（3.19）
由3.19式得
（3.20）
将
按泰勒级数展开，且略去高阶无穷小量，
（3.20）
将3.20式代入3.19式得
（3.21）
每个工频周期采样12个点，在一周内取相差两个样点间隔的6个采样点就
可以组成另一组采样数据，
即N1=6，N2=12.将N1、N2代入3.21式得:
（3.22）
电力系统的实际频率
（3.23）
、
（3.24）
使用该软件测频方法时，首先将电压采样值代入3.14式中分别计算出一个
工频周期采样6个点和采样12个点的Yn1、Yn1值：
然后利用3.23式计算出m;
最后由3.24式可得实际系统的频率值。
以上分析只对纯正弦情况而言，当有高次谐波时可以对采集的数字量进行数
字滤波，然后再测量频率
3.3.4相角差的测量
把电压互感器二次侧的交流电压信号转换为同频、同相的方波，两路方波信
号接到异或门，当两路方波输入电平不同时，异或门输出为高电平，用于控制可
升级会员 