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新闻主题	发电机准同期并列理想和实际条件分析

 

并列操作是发电的一项主要的操作内容。因为断路器的两端均有电源，电压一般并不相等，因此必须进行某些调整，使其符合同期的条件，以便顺利地把发电机并入电网同步运行。通过安装于母线上的电压互感器和发电机机端的电压互感器，可以得到电网电压和发电机机端电压，即同期断路器两侧的电压。通过比较，判断是否符合并列条件，若符合条件，则进行发电机并入电网的断路器合闸操作，即进行同期并列；若条件不满足，则需要进行调整。

 

一、准同期并列理想条件

 

准同期并列等值电路见图1。并列前，QF断路器两侧电压分别为

 

 

式中 u_s、U_ms、w_s、4_s——系统电压、幅值、角频率、相角；

u_G、U_mG、ω_G、4_G——发电机电压、幅值、角频率、相角。

 

图1 准同期并列等值电路图

图2 准同期并列电路及相量图

 

在发电机一变压器组接线方式中，变压器接线方式一般采用Y/Δ接线，发电机机端电压量测量可经相位校正，使其可与系统电压量测量进行对比。

一个正弦交流量可由三个参数表达，即电压幅值U_m、角频率ω和初相角φ。若系统电压和发电机机端电压各自的三个状态参数对应符合下列条件：

U_mS＝U_mG（即电压幅值相等）..............................................(5-2)

ω_S＝ω_G或f_S＝f_G（即频率相等）..............................................(5-2)

φ_S＝φ_G或δ＝φ_G-φ_G＝0（即相角差为零）..............................................(5-2)

则称之为两侧电压处于同步状态，若并列断路器QF动静触头此时闭合，由于是等电位状态，断路器中将没有冲击电流，对系统和发电机不产生任何扰动，发电机平稳并入系统。上述断路器两侧电压相量完全相等的条件称为准同期并列的理想条件。

由于调节误差、器件惯性等因素的存在，并列装置不可能把两侧电压调整为三个条件同时满足。实际上，QF动静触头闭合时两侧电压由于幅值不等或有相位差，电压差不为0，会有冲击电流。

 

二、并列断路器两侧电压的分析

 

同步发电机组并列时遵循如下的原则。

（1）并列断路器合闸时，发电机的冲击电流应尽可能小，瞬时最大值一般不超过1～2倍的额定电流。

（2）发电机组并入电网后，应能迅速进入同步运行状态，暂态过程要短，减小对电力系统的扰动。

假设两侧电压的三个参数均不相等，电压差瞬时值u_d为

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——脉动电压；其他参数同式（5-1）。

脉动电压相量图和波形图见图3。

 

图3 脉动电压相量图

图4 脉动电压波形图

 

应用三角公式可求得U_d的值为

 

 

式中 ω_d——滑差角频率。

取u_d的波形包络线见图5。当ω_dt＝0时，U_d＝｜U_mG-U_mS｜为两侧电压幅值之差；当ω_dt＝π时，u_d＝｜U_mG＋U_mS｜为两侧电压幅值之和，见图5（b）。

 

图5 脉动电压波形图

 

从图3、图4、图5中可以看出，u_d 仍然为正弦波，但其幅值U_d是脉动的，故称为脉动电压。U_d呈周期性变化，变化周期T_d称为脉动周期，T_d与滑差角频率ω_d。有关，即

 

  

滑差角频率ω_d与滑差频率f_d＝f_G-f_S关系  

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

在脉动电压U_d波形中载有实现准同期并列所需的信息，包括电压幅值差、角频率差及相位差随时间周期变化的规律，因此对两侧电压量的测量可为自动准同期并列装置提供并列条件的信息和合适的合闸控制信号发出时机。

 

三、准同期并列的实际允许条件分析

 

由于发电机和系统均有一定的抗冲击能力，允许有一定的偏差范围存在，因此，稍偏离理想条件的并列在工程实用上是合理的。下面分析偏离理想条件并列时引起的后果。

待并入电网的发电机已启动，转速升至接近电网同步速，转子已加入励磁，并且发电机机端电压为U_G，电压幅值接近电网电压。并列断路器合闸之前，两侧电压一般不相等，需要对发电机的励磁和转速进行调整，使其符合准同期并列条件，然后在合适的时候发出断路器合闸命令。准同期并列等值电路参见图5-2。

当在满足准同期并列条件情况下，断路器动静触头闭合时，冲击电流的大小和性质取决于合闸瞬间的 U_d 值、发电机参数和电网参数。要求断路器合闸瞬间的 U_d值尽量小，以减小对发电机的电动力冲击。应该使冲击电流小于发电机允许的最大电流，并且ω_d也应得到控制，希望能够在断路器合闸后，发电机在尽量短的时间内进入与电网同步运行状态。若能做到 U_d＝0，则冲击电流将为零，而ω_d很小时，发电机能够以短时过渡过程平稳实现同步运行，基本不产生对电网的任何扰动。

 

根据发电机所能承受的最大电流4” imp.m，并且考虑断路器合闸后发电机能迅速拉入同步运行，从工程角度上忽略次要因素，分析准同期并列的实际允许条件。

 

1．电压幅值差允许值（ΔU）e

 

设并列时ω_G＝ω_S，δ＝δ_G-δ_S＝0，ΔU＝U_G-U_S≠0，设4” imp.m为发电机允许冲击电流，则由 U_d 产生的冲击电流有效值为

 

 

式中X”_d ——发电机次暂态电抗；

Xs——系统等值电抗。

则合闸冲击电流为

 

 

要求该冲击电流小于发电机允许冲击电流值，可导出电压差允许值为

 

 

由图6（a）可见，由电压幅值差引起的冲击电流主要为无功分量，发电机电压高于系统电压，则发电机输出无功功率；反之，发电机从系统吸取无功功率。冲击电流一般限制为1～2倍的额定电流，相应电压差不超过5％～10％U_N。

 

2．合闸相角差允许值δe

 

设并列时ω_G＝ω_x，ΔU＝U_G-Us＝0,δ＝δ_G-δs≠0，δ＝δ_G-δs为相位差角。

发电机为空载，U_G＝E” q，由图6（b）可见合闸时的冲击电流有效值为

 

 

最大瞬时值（冲击值）为

 

 

要求其小于发电机允许冲击电流，可导出δ的允许值δ为

 

 

δ控制为较小，合闸相角差冲击电流主要为有功电流分量，见图5-5（b），并列后发电机与电网即有有功功率的交换，若δ_G＞δs，发电机超前电网，机组立即带有功负荷，反之则电网带大电动机，对机组和电网均产生冲击。从发电机并列时系统对有功功率和无功功率的需求看，选择发电机电压稍高于系统电压和相位稍超前于系统电压是合适的。

 

图6 准同期条件相量图

 

3．滑差角频率允许值ω_d.set

 

讨论滑差角频率ω_d允许值的主要目的是分析并列后的过渡过程。设并列时ω_G≠ωs（f_G≠fs），U_G＝Us＝U；根据图5-3（a）所示相量图及式（5-3）可得断路器两侧电压差为

 

 

其中脉动电压为

 

 

其中                                    

ω_d=ω_G-ωs

δ=ω_dt

式中ω_d——滑差角频率；

δ——相角差。

电压差u_d仍为频率近于工频的交流电压，其幅值即脉动电压U_d随时间变化而周期变化，参见图3。当ω_G＞ω_S时，ω_d＞0；δ从0→π/2→π→3π/2→2π，U_d值从0变到最大值又变为0。

发电机并列要求电压差小，以使冲击电流尽可能小。此外，若滑差角频率ω_d较大将经历较长的过渡过程，严重时甚至失步，造成并列失败。

下面分析当ω_G不等于ω_S时，发电机并入电网拉入同步运行的过渡过程。

 

根据《电机学》知识可知，当发电机电压U_G超前于电网电压Us时，δ＞0，发电机发出有功功率，电磁功率形成制动转矩；当发电机电压U_G滞后于电网电压Us时，δ＜0，发电机吸收有功功率，电磁功率形成加速转矩。

发电机并列前处于空载状态，原动机输入仅为克服发电机组摩擦阻力的机械功率，量很小。设断路器合闸后，在发电机并列过渡过程中，原动机的输入功率恒定不变，合闸时的相角差为δ，并且为超前情况，即δ＞0（图7中a点），发电机角频率高于电网角频率，ω_G＞ω_S，ω_d＞0。可见合闸后发电机处于“发电机状态”，由于输出电磁功率大于输入机械功率而受到制动减速，ω_G减少。但ω_G＞ω_S时，δ仍会增大。

发电机运行点沿功角特性到达图7中b点时，ω_G＝ω_S，为δ最大值。若小于180°，这时发电机仍处于“发电机状态”，所以ω_G继续减少，δ将逐渐减小，发电机功率沿特性曲线往回摆。若δ在ω_G＝ω_S之前已越过180°，则发电机将进入“电动机状态”重新加速，而不能被拉入同步。

发电机运行点沿功角特性回摆到达坐标原点前，输出电磁功率大于输入机械功率而受到制动减速。ω_G＜ω_S，δ持续减小。回摆冲过坐标原点后，输出电磁功率小于输入机械功率，交换功率变负，发电机组处于“电动机状态”又重新加速，运行点沿特性曲线变动直到图中的c点，相角差δ又往反方向运动。这样来回摆动，由于系统阻尼等因素，δ摆动幅度逐渐变小，直到进入同步运行时为止（见图7）。

显然，进入同步状态的暂态过程与合闸时滑差角频率ω_d的大小有关。如果ω_d较大，则需经历较长时间振荡才能进入同步运行（如果ω_d很大，δ超出180°，则将导致不能被拉入同步）。在一般情况下，发电厂与电网联系较紧密时，并列时的w_d值远小于上述极限值，因此可以不必校核。但是，当并列的发电机组与电网间的联系较弱时，需按系统稳定条件进行校验ω_d是否小于允许值。若ω_d较小，δ变化不超过180°，由阻尼作用，发电机拉入同步；若ω_d较大，δ变化超过180°，发电机失步。

 

发电机并列同步过程分析曲线图

 

综上所述，准同期并列的实际允许条件可表示为：

（1）允许电压差：ΔU＝U_G-U_S＜（ΔU）_set ≈（5％～10％）U_N；

（2）允许滑差角频率：ω_d＝w_G-w_S＜w_d．set或Δf＝f_G-f_S＜（Δf）_set ≈（0.2％～ 0.5)%f_N;

（3）允许相角差：δ＝δ_G-δ_S＜δ_set≈10°。

 

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