新聞主題	發(fā)電機準同期并列理想和實(shí)際條件分析

 

并列操作是發(fā)電的一項主要的操作內容。因為斷路器的兩端均有電源，電壓一般并不相等，因此必須進(jìn)行某些調整，使其符合同期的條件，以便順利地把發(fā)電機并入電網(wǎng)同步運行。通過(guò)安裝于母線(xiàn)上的電壓互感器和發(fā)電機機端的電壓互感器，可以得到電網(wǎng)電壓和發(fā)電機機端電壓，即同期斷路器兩側的電壓。通過(guò)比較，判斷是否符合并列條件，若符合條件，則進(jìn)行發(fā)電機并入電網(wǎng)的斷路器合閘操作，即進(jìn)行同期并列；若條件不滿(mǎn)足，則需要進(jìn)行調整。

 

一、準同期并列理想條件

 

準同期并列等值電路見(jiàn)圖1。并列前，QF斷路器兩側電壓分別為

 

 

式中 u_s、U_ms、w_s、4_s——系統電壓、幅值、角頻率、相角；

u_G、U_mG、ω_G、4_G——發(fā)電機電壓、幅值、角頻率、相角。

 

圖1 準同期并列等值電路圖

圖2 準同期并列電路及相量圖

 

在發(fā)電機一變壓器組接線(xiàn)方式中，變壓器接線(xiàn)方式一般采用Y/Δ接線(xiàn)，發(fā)電機機端電壓量測量可經(jīng)相位校正，使其可與系統電壓量測量進(jìn)行對比。

一個(gè)正弦交流量可由三個(gè)參數表達，即電壓幅值U_m、角頻率ω和初相角φ。若系統電壓和發(fā)電機機端電壓各自的三個(gè)狀態(tài)參數對應符合下列條件：

U_mS＝U_mG（即電壓幅值相等）..............................................(5-2)

ω_S＝ω_G或f_S＝f_G（即頻率相等）..............................................(5-2)

φ_S＝φ_G或δ＝φ_G-φ_G＝0（即相角差為零）..............................................(5-2)

則稱(chēng)之為兩側電壓處于同步狀態(tài)，若并列斷路器QF動(dòng)靜觸頭此時(shí)閉合，由于是等電位狀態(tài)，斷路器中將沒(méi)有沖擊電流，對系統和發(fā)電機不產(chǎn)生任何擾動(dòng)，發(fā)電機平穩并入系統。上述斷路器兩側電壓相量完全相等的條件稱(chēng)為準同期并列的理想條件。

由于調節誤差、器件慣性等因素的存在，并列裝置不可能把兩側電壓調整為三個(gè)條件同時(shí)滿(mǎn)足。實(shí)際上，QF動(dòng)靜觸頭閉合時(shí)兩側電壓由于幅值不等或有相位差，電壓差不為0，會(huì )有沖擊電流。

 

二、并列斷路器兩側電壓的分析

 

同步發(fā)電機組并列時(shí)遵循如下的原則。

（1）并列斷路器合閘時(shí)，發(fā)電機的沖擊電流應盡可能小，瞬時(shí)最大值一般不超過(guò)1～2倍的額定電流。

（2）發(fā)電機組并入電網(wǎng)后，應能迅速進(jìn)入同步運行狀態(tài)，暫態(tài)過(guò)程要短，減小對電力系統的擾動(dòng)。

假設兩側電壓的三個(gè)參數均不相等，電壓差瞬時(shí)值u_d為

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——脈動(dòng)電壓；其他參數同式（5-1）。

脈動(dòng)電壓相量圖和波形圖見(jiàn)圖3。

 

圖3 脈動(dòng)電壓相量圖

圖4 脈動(dòng)電壓波形圖

 

應用三角公式可求得U_d的值為

 

 

式中 ω_d——滑差角頻率。

取u_d的波形包絡(luò )線(xiàn)見(jiàn)圖5。當ω_dt＝0時(shí)，U_d＝｜U_mG-U_mS｜為兩側電壓幅值之差；當ω_dt＝π時(shí)，u_d＝｜U_mG＋U_mS｜為兩側電壓幅值之和，見(jiàn)圖5（b）。

 

圖5 脈動(dòng)電壓波形圖

 

從圖3、圖4、圖5中可以看出，u_d 仍然為正弦波，但其幅值U_d是脈動(dòng)的，故稱(chēng)為脈動(dòng)電壓。U_d呈周期性變化，變化周期T_d稱(chēng)為脈動(dòng)周期，T_d與滑差角頻率ω_d。有關(guān)，即

 

  

滑差角頻率ω_d與滑差頻率f_d＝f_G-f_S關(guān)系  

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

在脈動(dòng)電壓U_d波形中載有實(shí)現準同期并列所需的信息，包括電壓幅值差、角頻率差及相位差隨時(shí)間周期變化的規律，因此對兩側電壓量的測量可為自動(dòng)準同期并列裝置提供并列條件的信息和合適的合閘控制信號發(fā)出時(shí)機。

 

三、準同期并列的實(shí)際允許條件分析

 

由于發(fā)電機和系統均有一定的抗沖擊能力，允許有一定的偏差范圍存在，因此，稍偏離理想條件的并列在工程實(shí)用上是合理的。下面分析偏離理想條件并列時(shí)引起的后果。

待并入電網(wǎng)的發(fā)電機已啟動(dòng)，轉速升至接近電網(wǎng)同步速，轉子已加入勵磁，并且發(fā)電機機端電壓為U_G，電壓幅值接近電網(wǎng)電壓。并列斷路器合閘之前，兩側電壓一般不相等，需要對發(fā)電機的勵磁和轉速進(jìn)行調整，使其符合準同期并列條件，然后在合適的時(shí)候發(fā)出斷路器合閘命令。準同期并列等值電路參見(jiàn)圖5-2。

當在滿(mǎn)足準同期并列條件情況下，斷路器動(dòng)靜觸頭閉合時(shí)，沖擊電流的大小和性質(zhì)取決于合閘瞬間的 U_d 值、發(fā)電機參數和電網(wǎng)參數。要求斷路器合閘瞬間的 U_d值盡量小，以減小對發(fā)電機的電動(dòng)力沖擊。應該使沖擊電流小于發(fā)電機允許的最大電流，并且ω_d也應得到控制，希望能夠在斷路器合閘后，發(fā)電機在盡量短的時(shí)間內進(jìn)入與電網(wǎng)同步運行狀態(tài)。若能做到 U_d＝0，則沖擊電流將為零，而ω_d很小時(shí)，發(fā)電機能夠以短時(shí)過(guò)渡過(guò)程平穩實(shí)現同步運行，基本不產(chǎn)生對電網(wǎng)的任何擾動(dòng)。

 

根據發(fā)電機所能承受的最大電流4” imp.m，并且考慮斷路器合閘后發(fā)電機能迅速拉入同步運行，從工程角度上忽略次要因素，分析準同期并列的實(shí)際允許條件。

 

1．電壓幅值差允許值（ΔU）e

 

設并列時(shí)ω_G＝ω_S，δ＝δ_G-δ_S＝0，ΔU＝U_G-U_S≠0，設4” imp.m為發(fā)電機允許沖擊電流，則由 U_d 產(chǎn)生的沖擊電流有效值為

 

 

式中X”_d ——發(fā)電機次暫態(tài)電抗；

Xs——系統等值電抗。

則合閘沖擊電流為

 

 

要求該沖擊電流小于發(fā)電機允許沖擊電流值，可導出電壓差允許值為

 

 

由圖6（a）可見(jiàn)，由電壓幅值差引起的沖擊電流主要為無(wú)功分量，發(fā)電機電壓高于系統電壓，則發(fā)電機輸出無(wú)功功率；反之，發(fā)電機從系統吸取無(wú)功功率。沖擊電流一般限制為1～2倍的額定電流，相應電壓差不超過(guò)5％～10％U_N。

 

2．合閘相角差允許值δe

 

設并列時(shí)ω_G＝ω_x，ΔU＝U_G-Us＝0,δ＝δ_G-δs≠0，δ＝δ_G-δs為相位差角。

發(fā)電機為空載，U_G＝E” q，由圖6（b）可見(jiàn)合閘時(shí)的沖擊電流有效值為

 

 

最大瞬時(shí)值（沖擊值）為

 

 

要求其小于發(fā)電機允許沖擊電流，可導出δ的允許值δ為

 

 

δ控制為較小，合閘相角差沖擊電流主要為有功電流分量，見(jiàn)圖5-5（b），并列后發(fā)電機與電網(wǎng)即有有功功率的交換，若δ_G＞δs，發(fā)電機超前電網(wǎng)，機組立即帶有功負荷，反之則電網(wǎng)帶大電動(dòng)機，對機組和電網(wǎng)均產(chǎn)生沖擊。從發(fā)電機并列時(shí)系統對有功功率和無(wú)功功率的需求看，選擇發(fā)電機電壓稍高于系統電壓和相位稍超前于系統電壓是合適的。

 

圖6 準同期條件相量圖

 

3．滑差角頻率允許值ω_d.set

 

討論滑差角頻率ω_d允許值的主要目的是分析并列后的過(guò)渡過(guò)程。設并列時(shí)ω_G≠ωs（f_G≠fs），U_G＝Us＝U；根據圖5-3（a）所示相量圖及式（5-3）可得斷路器兩側電壓差為

 

 

其中脈動(dòng)電壓為

 

 

其中                                    

ω_d=ω_G-ωs

δ=ω_dt

式中ω_d——滑差角頻率；

δ——相角差。

電壓差u_d仍為頻率近于工頻的交流電壓，其幅值即脈動(dòng)電壓U_d隨時(shí)間變化而周期變化，參見(jiàn)圖3。當ω_G＞ω_S時(shí)，ω_d＞0；δ從0→π/2→π→3π/2→2π，U_d值從0變到最大值又變?yōu)?。

發(fā)電機并列要求電壓差小，以使沖擊電流盡可能小。此外，若滑差角頻率ω_d較大將經(jīng)歷較長(cháng)的過(guò)渡過(guò)程，嚴重時(shí)甚至失步，造成并列失敗。

下面分析當ω_G不等于ω_S時(shí)，發(fā)電機并入電網(wǎng)拉入同步運行的過(guò)渡過(guò)程。

 

根據《電機學(xué)》知識可知，當發(fā)電機電壓U_G超前于電網(wǎng)電壓Us時(shí)，δ＞0，發(fā)電機發(fā)出有功功率，電磁功率形成制動(dòng)轉矩；當發(fā)電機電壓U_G滯后于電網(wǎng)電壓Us時(shí)，δ＜0，發(fā)電機吸收有功功率，電磁功率形成加速轉矩。

發(fā)電機并列前處于空載狀態(tài)，原動(dòng)機輸入僅為克服發(fā)電機組摩擦阻力的機械功率，量很小。設斷路器合閘后，在發(fā)電機并列過(guò)渡過(guò)程中，原動(dòng)機的輸入功率恒定不變，合閘時(shí)的相角差為δ，并且為超前情況，即δ＞0（圖7中a點(diǎn)），發(fā)電機角頻率高于電網(wǎng)角頻率，ω_G＞ω_S，ω_d＞0?？梢?jiàn)合閘后發(fā)電機處于“發(fā)電機狀態(tài)”，由于輸出電磁功率大于輸入機械功率而受到制動(dòng)減速，ω_G減少。但ω_G＞ω_S時(shí)，δ仍會(huì )增大。

發(fā)電機運行點(diǎn)沿功角特性到達圖7中b點(diǎn)時(shí)，ω_G＝ω_S，為δ最大值。若小于180°，這時(shí)發(fā)電機仍處于“發(fā)電機狀態(tài)”，所以ω_G繼續減少，δ將逐漸減小，發(fā)電機功率沿特性曲線(xiàn)往回擺。若δ在ω_G＝ω_S之前已越過(guò)180°，則發(fā)電機將進(jìn)入“電動(dòng)機狀態(tài)”重新加速，而不能被拉入同步。

發(fā)電機運行點(diǎn)沿功角特性回擺到達坐標原點(diǎn)前，輸出電磁功率大于輸入機械功率而受到制動(dòng)減速。ω_G＜ω_S，δ持續減小?；財[沖過(guò)坐標原點(diǎn)后，輸出電磁功率小于輸入機械功率，交換功率變負，發(fā)電機組處于“電動(dòng)機狀態(tài)”又重新加速，運行點(diǎn)沿特性曲線(xiàn)變動(dòng)直到圖中的c點(diǎn)，相角差δ又往反方向運動(dòng)。這樣來(lái)回擺動(dòng)，由于系統阻尼等因素，δ擺動(dòng)幅度逐漸變小，直到進(jìn)入同步運行時(shí)為止（見(jiàn)圖7）。

顯然，進(jìn)入同步狀態(tài)的暫態(tài)過(guò)程與合閘時(shí)滑差角頻率ω_d的大小有關(guān)。如果ω_d較大，則需經(jīng)歷較長(cháng)時(shí)間振蕩才能進(jìn)入同步運行（如果ω_d很大，δ超出180°，則將導致不能被拉入同步）。在一般情況下，發(fā)電廠(chǎng)與電網(wǎng)聯(lián)系較緊密時(shí)，并列時(shí)的w_d值遠小于上述極限值，因此可以不必校核。但是，當并列的發(fā)電機組與電網(wǎng)間的聯(lián)系較弱時(shí)，需按系統穩定條件進(jìn)行校驗ω_d是否小于允許值。若ω_d較小，δ變化不超過(guò)180°，由阻尼作用，發(fā)電機拉入同步；若ω_d較大，δ變化超過(guò)180°，發(fā)電機失步。

 

發(fā)電機并列同步過(guò)程分析曲線(xiàn)圖

 

綜上所述，準同期并列的實(shí)際允許條件可表示為：

（1）允許電壓差：ΔU＝U_G-U_S＜（ΔU）_set ≈（5％～10％）U_N；

（2）允許滑差角頻率：ω_d＝w_G-w_S＜w_d．set或Δf＝f_G-f_S＜（Δf）_set ≈（0.2％～ 0.5)%f_N;

（3）允許相角差：δ＝δ_G-δ_S＜δ_set≈10°。

 

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