摘要： 同步发电机与其他机组以及市电系统的电压差、频差、相角差均在允许的范围内方能进行并列运行。并联运行的优势在于便于扩充容量、互相调剂，具有良好的经济性和灵活性，同时为设备的轮流检修以及其他发电机组故障时提供电力切换和支持。并列操作是电力系统中最为频繁的操作之一，操作不当将产生极大的冲击电流，损坏发电机，引起系统电压波动，甚至导致系统振荡和失步。本文系统阐述同步发电机并列运行需要满足的五个基本条件——电压有效值相等、频率相等、相角一致、相序相同及波形一致，并逐一分析各条件不满足时的危害及调节措施；详细说明同期并列与准同期并列的基本概念，区分差频并网与同频并网两类并列特征，明确发电厂同期点的设置原则；最后比较准同期并列与自同期并列两种操作方法的差异、优缺点及适用场景，为发电机组的并列运行操作提供完整的理论依据和技术指导。
一、并列需要满足的条件
同步发电机与电网或其他发电机组进行并列运行时，必须严格满足以下五个基本条件，以确保并列瞬间的冲击电流最小化，避免对发电机及电力系统造成损害。
1. 电压有效值相等或接近相等
待并发电机的电压有效值 与电网电压有效值 应相等或接近相等，允许相差 ±5% 的额定电压值。
（1）电压差过大的危害。越大，并列时产生的冲击电流越大，其性质相当于发电机的突然短路。过大的冲击电流将对发电机定子绕组产生巨大的电动力冲击，可能造成绕组端部变形、绝缘损伤，严重时甚至烧毁发电机。
（2）调节措施。调整待并发电机的励磁电流，改变其机端电压，使之与电网电压匹配。当发电机电压高于电网电压时，应减小励磁电流；反之则应增大励磁电流。
2. 频率相等或接近相等
待并发电机的频率 应与电网的频率
（1）频差过大的危害。会产生有功冲击电流，使发电机转速增加或减小，导致发电机轴产生机械振动。当频差过大时，转子磁极和定子磁极间的相对速度过大，相互之间不易“拉住”，容易造成失步，使并列失败。
（2）调节方式。调节柴油机的转速（通过调速器改变供油量），使其与电网频率匹配。一般将待并发电机的频率略调高于电网频率（约 0.05～0.1 Hz），以确保并列后发电机能够顺利带上部分有功负荷，避免出现逆功率。
3. 相位一致（相角相等）
待并发电机电压的相位与电网电压的相位必须相同，即相角相等，一般相角差控制在 10° 以内。
（1）相角差过大的危害。电压的相位不一致时，由此而产生的冲击电流可能达到额定电流的 20～30 倍，是非常危险的。冲击电流的有功分量使柴油机受到很大的机械应力，这样非但不能把待并发电机拉入同步，而且可能使其它并列运行的发电机失去同步，引发系统振荡。
（2）相角差的监测。相角差可通过同期装置或示波器进行监测，操作人员应根据相角差的变化趋势，选择合适的合闸时机。
4. 相序相同
待并发电机的电压相序必须与电网电压的相序相同。
（1）相序不一致的危害。若相序不同，发电机与电网之间将产生巨大的冲击电流，其严重程度远超过电压差或频差造成的冲击，且无法通过调节消除。
（2）相序的检查。在发电机初次安装或大修后，必须使用相序表或相序指示器进行相序核对。若相序不一致，可通过调换发电机定子引出线中的任意两相来更正。
5. 波形一致
待并发电机的电压波形必须与电网电压的波形一致，即均为正弦波形。
（1）波形畸变的影响。若发电机输出电压波形存在较大的谐波含量（即正弦性畸变率超标），并列后谐波电流将注入电网，增加系统损耗，干扰其它用电设备的正常运行，还可能引起继电保护误动作。
（2）波形质量的保证。发电机设计时应采用分布绕组、短距绕组等措施降低谐波含量，使用前应通过空载特性试验测量电压波形畸变率，确认其符合国家标准（一般要求畸变率不大于 5%）。
二、电力系统并列操作
并列运行的同步发电机，其转子以相同的电角速度旋转，每个发电机转子的相对电角速度都在允许的极限值以内，称之为同步运行。一般来说，发电机在没有并入电网前，与系统中的其他发电机是不同步的。
1. 同期并列操作
电力系统中的负荷是随机变化的，为保证电能质量，并满足安全和经济运行的要求，需经常将发电机投入和退出运行。把一台待投入系统的空载发电机经过必要的调节，在满足并列运行的条件下经开关操作与系统并列，这样的操作过程称为并列操作（简称同期）。在某些情况下，还要求将已解列为两部分运行的系统进行并列，同样也必须满足并列运行条件才能进行开关操作。这种操作也是并列操作，其并列操作的基本原理与发电机并列相同，但调节比较复杂，且实现的具体方式有一定的差别。图1（a）表示发电机 G 通过断路器 QF 与系统进行并列操作，图1（b）表示系统的两个部分 S1 和 S2 通过断路器 QF3 实现并列操作。
电力系统这两种基本并列操作中，以同步发电机的并列操作最为频繁和常见，如操作不当或误操作，将产生极大的冲击电流，损坏发电机，引起系统电压波动，甚至导致系统振荡，破坏系统稳定运行。采用自动并列装置进行并列操作，不仅能减轻运行人员的劳动强度，也能提高系统运行的可靠性和稳定性。
2. 并列的特征
电力系统中可以并列操作的同期点按并列的特征不同，可分为差频并网和同频并网两类。
（1）差频并网的特征。在并网之前，同期点断路器两侧是没有电气联系的两个独立的系统，它们在并列前是不同步的，存在频率差、电压差。由于频率的不同，使得两电源之间的相角差也不断地变化。在进行并列操作时需要满足电压、频率、相位三个条件。例如在发电厂将同步发电机投入系统参与并列运行，或在变电站内将已完全解列的两个系统连接起来，均为差频并网。
（2）同频并网的特征。并列前同期点断路器两侧电源已存在电气联系，电压可能不同，但频率相同，且存在一个固定的相角差。如图1（b）中，若电源 S1 和 S2 为两个已有联络的系统，再通过断路器 QF3 并列（合环）。在开环点两侧的电压数值不相同，但频率相同，而且两电压间存在一个相角差。这个相角差实质上是正在运行线路等值电路的功角，其数值取决于并列前两个电源间连接电路的电抗和传输的有功功率值，传输功率越大、线路阻抗越大，相角差越大。因此，同频并网主要应考虑相角条件的限制。
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图1 发电机并列操作基本方法 |
图2 发电机相位角示意图 |
三、电厂的同期点
1. 同期点的定义与功能
在发电厂内，安装有很多的断路器，凡可以进行并列操作的断路器，都可作为电厂的同期点。同期点是电力系统中实现并列操作的具体位置，其设置合理与否直接关系到系统运行方式灵活性和并列操作安全性。
（1）同期点的基本要求。每个同期点必须配置相应的同期检测装置（如同期继电器或自动同期装置），能够测量并列点两侧的电压、频率和相位差，并具备合闸回路闭锁功能，防止在不满足并列条件时误合闸。
（2）同期点的操作权限。同期点的并列操作须由具有相应资质的运行人员执行，或在自动装置控制下完成。操作前应确认该断路器两侧系统已具备并列条件，操作后应检查并列是否成功。
2. 同期点的设置原则
（1）通常发电机的出口断路器都是同期点，见图1（a）。发电机出口断路器是发电机与厂内母线之间的连接点，是最基本、最常用的同期点，用于将单台发电机投入系统。
（2）发电机-变压器组采用高压侧断路器作为同期点，见图1（b）。对于单元接线的发电机组，发电机与变压器之间无断路器时，并列操作通过高压侧断路器完成，此时同期检测需经过变压器，应考虑变压器绕组接线组别引起的相位偏移。
（3）双绕组变压器采用低压侧断路器作为同期点。低压侧并列可避免变压器励磁涌流对并列冲击的影响，操作更为平稳。
（4）母联断路器、旁路断路器都应设为同期点。母联断路器用于两段母线之间的并列或解列操作，旁路断路器用于替代检修中的进出线断路器，需具备同期合闸功能。
3. 同期点设置的灵活性考虑
同期点的设置要考虑系统、发电厂、变电站在各种运行方式下操作的灵活方便，也应具体考虑并列操作过程中调节的可行性。
（1）多机组并列的同期点配置。在多台发电机并列运行的发电厂中，应确保任一发电机均能通过某个同期点与系统实现并列，避免出现“孤岛”无法并列的情况。
（2）特殊运行方式下的同期点。在系统解列后恢复并列、黑启动等特殊工况下，应设置额外的临时同期点或采用便携式同期装置，以保证操作的可行性。
（3）同期点标识与运行管理。每个同期点应在一次系统图上明确标注，并在现场断路器处设置明显的同期标识，运行规程中应明确各同期点的操作顺序和并列条件。
4. 同期点两侧电压的获取
（1）电压互感器的配置。同期点两侧的电压信号通过电压互感器（PT）获取，通常采用母线PT和线路PT。PT的精度和接线方式直接影响同期检测的准确性。
（2）电压信号的切换。对于多母线结构，同期装置的电压输入应能随运行方式变化进行切换，确保始终取自正确的电压源。
（3）相位补偿。当同期点两侧PT接线组别不同或存在变压器时，应在同期装置中进行相位补偿，消除固定相位差对并列判断的影响。
四、同步发电机并列操作的方法
在电力系统中，并列方法主要有准同期并列和自同期并列两种。两种方法在操作流程、适用条件和冲击特性上有显著差异。
1. 准同期并列
（1）操作过程。先给待并发电机加励磁，使发电机建立起电压，调整发电机的电压和频率，在接近同步条件时，合上并列断路器，将发电机并入电网。若整个过程是人工完成的，称手动准同期并列；若是自动进行的，称自动准同期并列。
（2）手动准同期并列的特点。手动准同期并列依靠运行人员通过同期表（或同期指示器）观察频差和相角差的变化趋势，在相角差接近零的时刻手动合闸。操作人员需具备丰富的经验和准确的判断力，操作精度受人为因素影响较大。
（3）自动准同期并列的特点。自动准同期并列装置持续检测并列点两侧的电压、频率和相角差，自动调节发电机转速和励磁，当所有并列条件满足时自动发出合闸脉冲。自动并列具有精度高、响应快、重复性好的优点，是现代发电厂的主流并列方式。
（4）准同期并列的优点。准同期并列的优点是并列时产生的冲击电流较小，不会使系统电压降低，并列后容易拉入同步，因而在系统中广泛使用。
（5）准同期并列的适用条件。准同期并列要求系统频率相对稳定，并列点两侧均有可调节的电压和频率，适用于正常情况下发电机组的投入运行，是发电厂日常操作的基本方式。
2. 自同期并列
（1）操作过程。自同期并列的操作是将未加励磁电流的发电机的转速升到接近额定转速，首先投入断路器，然后立即合上开关供给励磁电流，随即将发电机拉入同步。整个过程通常在几秒内完成。
（2）自同期并列的优点与局限。自同期并列方式的主要优点是操作简单、速度快，在系统发生故障、频率波动较大时，发电机组仍能并列操作并迅速投入电网运行，可避免故障扩大，有利于处理系统事故。但因合闸瞬间发电机定子吸收大量无功功率，导致合闸瞬间系统电压下降较多，可能影响其他用户的正常供电。
（3）自同期并列的冲击特性。自同期并列时，发电机在无励磁状态下接入系统，定子将从系统吸收大量无功电流建立磁场，相当于一台异步电动机启动，冲击电流可达额定电流的数倍。加入励磁后，发电机逐步过渡到同步运行状态，过渡期间的功率振荡可能对系统产生扰动。
（4）自同期并列的适用条件。根据《继电保护和安全自动装置技术规程》（GB 14285-1993）规定：“在正常运行情况下，同步发电机的并列应采用准同期方式；在故障情况下，柴油发电机可以采用自同期方式。”
（5）自同期并列的特殊要求。采用自同期并列时，发电机应具备快速励磁系统，能在投入断路器后迅速建立励磁；同时，原动机调速系统应具有良好的动态响应特性，以缩短拉入同步的时间。
3. 两种并列方式的比较与选择
（1）冲击电流方面。准同期并列冲击电流小，对发电机和系统冲击轻微；自同期并列冲击电流较大，系统电压骤降明显。
（2）操作时间方面。准同期并列需待条件满足，操作时间较长（通常数十秒至数分钟）；自同期并列操作迅速（数秒内完成）。
（3）适用范围方面。准同期并列适用于正常投切和计划并网；自同期并列适用于事故处理和紧急并网。
（4）设备要求方面。准同期并列需配置精密的同期检测和调节装置；自同期并列需配置快速励磁系统和强励能力。
总结： 同步发电机并列运行必须严格满足电压有效值相等（±5%以内）、频率相等（±0.05～0.1 Hz以内）、相角一致（10°以内）、相序相同及波形一致五个基本条件。电压差、频差、相角差分别从无功冲击、有功冲击和机械冲击三个方面影响并列安全性，其中相角差过大造成的冲击最为严重（可达额定电流的20～30倍）。并列操作分为差频并网和同频并网两类，差频并网需同时满足三个条件，同频并网则主要考虑相角限制。发电厂的同期点应设置在发电机出口、主变高压侧、母联及旁路断路器上，设置时需考虑各种运行方式下的操作灵活性和电压信号获取的可靠性，每个同期点应配置同期检测装置并具备闭锁功能。在实际操作方法中，准同期并列以其冲击小、可靠性高而成为正常工况下的标准方式，手动准同期依靠人工判断合闸时机，自动准同期通过装置精确捕捉最佳时刻；自同期并列则以其快速性优势适用于系统故障等紧急工况，但会导致合闸瞬间系统电压下降。根据国家标准，正常运行情况下应采用准同期方式，故障情况下可采用自同期方式。正确掌握并列条件、理解同期点设置原则并合理选用并列方式，是保障发电机组安全、可靠、灵活投入系统运行的技术基础。
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