摘要： 并列操作是发电的一项主要的操作内容，因为断路器两端均有电源，电压一般并不相等，因此必须进行调整以符合同期条件。本文阐述准同期并列的理想条件（电压幅值、频率、相角差均为零），分析并列断路器两侧电压的脉动电压特性及其与滑差角频率的关系，并给出电压幅值差、合闸相角差和滑差角频率的实际允许值，为发电机并网操作提供理论依据。
一、准同期并列理想条件
1. 准同期并列的基本概念
准同期并列等值电路见图1，相量图见图2。并列前，QF断路器两侧电压分别为系统电压us和发电机机端电压uG，各自由幅值Um、角频率ω和初相角φ三个参数确定。在发电机—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。
2. 理想条件的三个参数
一个正弦交流量可由三个参数表达，即电压幅值Um、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：
（1）电压幅值相等条件：UmS＝UmG，即两侧电压幅值相等。
（2）频率相等条件：ωS＝ωG或fS＝fG，即两侧电压的频率相等。
（3）相角差为零条件：φS＝φG或δ＝φG－φS＝0，即两侧电压的初相角相等。
3. 理想并列的物理意义
当上述三个条件同时满足时，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。
4. 理想条件的工程偏差
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。因此，工程上允许存在一定的偏差范围，即实际允许条件。
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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 |
二、并列断路器两侧电压的分析
1. 并列操作的基本原则
同步发电机组并列时遵循如下的原则：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；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。
2. 脉动电压的表达式
假设两侧电压的三个参数均不相等，电压差瞬时值ud为：
脉动电压为：
脉动电压相量图和波形图见图3和图4。
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图3 脉动电压相量图 |
图4 脉动电压波形图 |
3. 脉动电压的幅值变化规律
应用三角公式可求得Ud的值为：
式中，，为滑差角频率。
取ud的波形包络线见图5。当时，，为两侧电压幅值之差；当时，，为两侧电压幅值之和。
4. 脉动周期与滑差角频率的关系
从图5中可以看出，ud仍然为正弦波，但其幅值Ud是脉动的，故称为脉动电压。Ud呈周期性变化，变化周期Td称为脉动周期，Td与滑差角频率有关，即：
滑差角频率与滑差频率关系为：
5. 脉动电压的信息承载作用
在脉动电压Ud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。
图5 脉动电压波形图
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UG，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。
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Ud值、发电机参数和电网参数。要求断路器合闸瞬间的Ud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Ud＝0，则冲击电流将为零，而很小时，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。
1. 电压幅值差允许值（ΔU）e
设并列时，，。设为发电机允许冲击电流，则由Ud产生的冲击电流有效值为：
式中，为发电机次暂态电抗，为系统等值电抗。
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%额定电压。
2. 合闸相角差允许值δe
设并列时，，。
发电机为空载，，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的允许值约为10°。
δ控制为较小，合闸相角差冲击电流主要为有功电流分量，并列后发电机与电网即有有功功率的交换，若δG＞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
讨论滑差角频率允许值的主要目的是分析并列后的过渡过程。设并列时（），，断路器两侧电压差为：
其中脉动电压为：
式中，，
电压差ud仍为频率近于工频的交流电压，其幅值即脉动电压Ud随时间变化而周期变化。当时，，δ从0→π/2→π→3π/2→2π，Ud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。
当发电机电压UG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UG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（δ＞0），发电机角频率高于电网角频率（，）。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，减少。但时，δ仍会增大。
发电机运行点沿功角特性到达b点时，，为δ最大值。若小于180°，这时发电机仍处于“发电机状态”，所以继续减少，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。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。
显然，进入同步状态的暂态过程与合闸时滑差角频率的大小有关。如果较大，则需经历较长时间振荡才能进入同步运行（如果很大，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是否小于允许值。若较小，δ变化不超过180°，由阻尼作用，发电机拉入同步；若较大，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
四、准同期并列的工程操作流程
1. 并列前的准备与检查
（1）发电机启动与升速。启动原动机，将发电机转速升至接近同步速（通常控制频率差在0.2%～0.5%额定频率以内），使发电机具备并网的基本条件。
（2）励磁系统投入。合上励磁开关，调整励磁电流，使发电机端电压逐步建立并接近系统电压（电压差控制在5%～10%额定电压以内）。
（3）同期装置投入。将自动准同期装置或手动同期表投入运行，开始检测断路器两侧电压的幅值差、频率差和相角差。
2. 同期条件的调整
（1）电压调整。通过调节励磁电流改变发电机端电压，使其与系统电压的差值进入允许范围。当发电机电压高于系统电压时减小励磁，反之增大励磁。
（2）频率调整。通过调节原动机转速改变发电机频率。通常控制滑差角频率对应的频率差在0.2%～0.5%额定频率以内，并保持发电机频率略高于系统频率，以便并列后机组能自动带上部分有功负荷。
（3）相位同步监测。观察同期表指针或自动同期装置的相位指示，等待相位差趋近于零的合闸时机。
3. 合闸操作
（1）手动合闸时机。当同期表指针缓慢匀速旋转至接近“0”位（整步点）时，合上发电机断路器。应提前一个小角度合闸，补偿断路器固有的动作时间。
（2）自动合闸时机。自动准同期装置检测到电压差、频率差和相角差均在允许范围内时，在最佳相位点自动发出合闸指令。
4. 并列后的负载转移
（1）有功功率转移。并列后逐步增大并入机组的油门，同时减小原运行机组的油门，按容量比例重新分配有功负载。
（2）无功功率调整。通过调整励磁电流分配无功负载，保持系统电压稳定。
5. 操作中的注意事项
（1）同期表使用时间限制。同期表按短时工作制设计，持续工作时间不宜超过15分钟，间隔时间不少于30分钟，操作完成后应及时切除。
（2）频差控制原则。并列时建议使待并发电机频率略高于系统频率（约0.05～0.1Hz），使并列后机组能自动带上部分有功负荷，防止出现逆功率。
（3）异常情况处理。若并列过程中出现异常声响、剧烈振动或保护装置动作，应立即停止操作并检查原因。
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：；
（2）允许滑差角频率： 或 ；
（3）允许相角差：。
总结： 准同期并列的理想条件是电压幅值、频率和相角差均为零，此时冲击电流为零。实际并列允许电压差不超过5%～10%额定电压（冲击电流主要为无功分量），合闸相角差控制在10°以内（冲击电流主要为有功分量），滑差角频率对应频率差控制在0.2%～0.5%额定频率以内，以保证发电机合闸后能迅速被拉入同步而不致失步。当时，δ增大，发电机处于“发电机状态”受制动减速；反之，发电机处于“电动机状态”受加速。若滑差过大导致δ越过180°，发电机将无法被拉入同步而失步。脉动电压的周期性变化为自动准同期装置提供了并列条件判断和合闸时机控制的信息基础。工程操作中应遵循“先升速—后加励—再调压—再调频—最后合闸”的流程，并列后及时进行负载转移，并注意同期表的使用限制和频差控制原则。
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