准同期并列原理

绪论•一、电力系统与自动化的关系•二、电力系统自动化的范畴与分类•三、本课程的分工自动装置的分类：•1.自动操作型装置:•是保证电厂与电网安全运行的自动装置。•包括正常操作与反事故操作(安全自动控制装置)。•包括：各种动力机械的自动控制装置、自动并列、强行励磁、自动按频减负荷、自动解列、自动切机、电力负荷控制等等装置。测量比较、执行控制信号输入2.自动调节(控制)系统(装置)：这是保证电力系统正常稳定运行，保证电网电能质量符合指标，进而实现电网经济运行的重要自动化技术。包括：励磁控制系统、自动调频系统。控制器控制对象输出给定测量自动控制型装置3.电力系统监控系统这是为电力系统调度服务的调度自动化系统。其主要任务是提高电力系统的安全、经济运行水平，迅速处理系统事故，使造成的影响最小。整个系统借助于计算机数据采集和监控系统(SCADA)技术与数字通讯技术来实现，是是现代电力系统必具的调度设施。第一章同步发电机的自动并列§1-1概述•①发电厂：经常进行的操作，•②系统：正常运行时，负荷增加，备用机组迅速投入系统，•③系统：事故时，会失去部分电源，也要求将备用机组快速投入电力系统以制止系统的频率崩溃，均要对发电机进行同步操作，将发电机组安全可靠，准确快速地投入系统参加并列运行。•①单台发电机与电力系统并列运行，•②系统中分开运行的线路断路器正确投入，•提高电力系统的稳定性及线路负荷的合理经济分配。一、并列的定义及并列操作的重要性•电力系统运行中任意母线电压的瞬时值：•u=Umsin(ωt+φ)，δ0=ωt+φ•上式反映了电网运行中该母线电压的幅值、频率、相角。•这三个状态量常被指定为运行母线电压的三个状态量。•什么是并列？•同步发电机投入电力系统并列运行的操作，或者电力系统解列的两部分进行并列运行的操作称为并列操作或同期操作。并列的基本要求(原则)：(1)发电机投入的瞬间冲击电流应尽可能小，其最大值不应超过允许值(1~2倍的额定电流)；(2)发电机组并入系统后，尽可能快的进入同步运行状态，以减小对电力系统的扰动。二、并列的方式•准同期并列和自同期并列•1.准同期并列•准同期并列是待并机组并列前，•转子先加励磁电流，并调整到使发电机电压与系统电压相等；•同时调整发电机转速使发电机的频率与系统频率相等。•当上述两个条件满足时，在相位重合前一定时刻发出合闸脉冲，合上发电机与系统之间的断路器，这种并列称为准同期并列。～G～XU.DLgU.•准同期并列的优点：•在正常情况下，并列时产生的冲击电流比较小，对系统和待并发电机均不会产生什么危害。•准同期并列的缺点：•因同期时需调整待并发电机的电压和频率，使之与系统电压，频率接近，这就要花费一定时间，使并列时间加长，不利于系统发生事故出现频率缺额时及时投入备用容量。•开机前将DL和灭磁开关KMC断开,KMC的常闭辅助接点KMC´将发电机转子绕组通过自同期电阻RZ短路。开启机组,将机组驱动到接近额定转速(转速差一般控制在额定转速的5％以下)时自动闭合DL,由DL的辅助接点联动将KMC闭合、KMC´断开,给发电机转子绕组加励磁电流。2.自同期并列～G～XXXU.DL系统KMCK´MCRZ•①自同期并列的优点•操作简单、并列迅速、易于实现自动化。•②自同期并列的缺点•是冲击电流大、对电力系统扰动大，不仅会引起电力系统频率振荡，而且会在自同期并列的机组附近造成电压瞬时下降。•自同期并列只能在电力系统事故、频率降低时使用。因结构简单在中小型机组中有使用。•由于自同期并列合闸时发电机尚无励磁，所以在断路器闭合的瞬间相当于电力系统通过发电机定子绕阻金属性三相短路，冲击电流较大，其最大冲击电流的周期分量：icdUIXXyU—归算到发电机端的系统电压；X—归算后的系统等值电抗；X″d—发电机纵轴次暂态电抗。这时的发电机端电压dtdUXXXU(1-2)(1-1)规程规定：•①对于一切水轮发电机、同步调相机、发变组方式连接的汽轮发电机及小容量的汽轮发电机只要其端部固定良好，可采用自同期。•②对于3000KW以上与母线直接连接的汽轮发电机，需要验算：•要求：自同期合闸冲击电流产生的电动力不超过发电机出口三相短路时所产生电动力的一半，则212icIIy()(1-3)105ddEIXX.代入(1-4)得074icdIXy.（1-6）用（1-1）式计算，用(1-6)式验算。12icIIy或(1-5)(1-4)§1-2准同期并列条件•一、准同期并列理想条件：•（1）待并发电机和系统相序相同；•（2）待并发电机和系统频率相同；•（3）待并发电机电压和并列点的系统侧电压幅值相等；•（4）待并发电机电压和并列点的系统侧电压相位角相等；•用数学式表达，即•①fg=fx,或ωg=ωx,•fS=fg-fx＝0,fS称为滑差频率•ωs=ωg-ωx＝0,ωs称为滑差角频率•②Ug=Ux,•ΔU=Ug-Ux=0;•③δg=δx,•δ=δe=δg-δx=0.为何满足理想条件？gUωxωgωx～～GGsDLgUUUUωgδ222cosggsUUUtUUXLUgUUXL准同期并列偏差对并列的影响•实际很难使三个条件同时成立,存在误差。•下面分析电压幅值差、频率差和相角差对并列产生的影响。•分析时为了突出主要矛盾和便于分析，假设三个条件中两个条件同时满足，只有一个条件不满足。1．合闸电压幅值差对并列的影响•分析条件是：•fg=fX,δg=δX,,Ug≠U•并列时产生的冲击电流的有效值sudgLdLIXXXUUXU....Xd″－发电机纵轴次暂态电抗；XL－电力系统等值电抗。fs=0,δ=0，UgUU.U.gU.suI.•发电机和系统之间的阻抗是感性的,•所以当UgU时,Ìsu滞后电压差ΔÚ90˚,•Ìsu也滞后Úg90˚.•该电流：•①对待并发电机来说式容性的,即起助磁作用,使发电机电压上升，发电机发出无功功率。•②对系统中已运行的发电机而言是感性的,U.U.gU.suI.•当UgU时,此冲击电流Ìsu对待并发电机来说式感性的,即起去磁作用,使发电机电压下降，发电机吸收无功功率。U.U.gU.suI.•所以，在只存在电压差的情况下并列机组会产生无功冲击电流。•后果:冲击电流过大会引起发电机定子绕组发热而产生电动力使端部受到损坏.•所以冲击电流最大瞬时值应限制在1～2倍以下.•冲击电流的瞬时值ich″=1.8√2Ich″2．合闸相角差对并列的影响•分析条件是：•fg=fX，Ug=U,δ0≠0。•若发电机电压Ug相位超前于U,Isu与Ug同相位,发电机送出有功功率。•若发电机电压Ug相位滞后于U,Isu与Ug反相位,发电机吸收有功功率。U..U.gU.δ0suI.suaI.U.U.gU.δ0suI.suaI.surI.后果：•由于并列时δ一般都很小,Ìsu与Úg基本上同相位,所以在只有相角差情况下并列时的冲击电流主要是有功分量。•这就意味着在发电机并列后与系统之间有能量交换。立刻交换有功功率,•意味着发电机突然得到制动或加速转矩,•将使机组联轴受到突然的应力冲击,•使发电机大轴产生抖动或机械损伤.•只存在相角差时,并列时产生的冲击电流的有效值并列前发电机空载运行,定子电压和电势相等,冲击电流有效值也可用下式表示：•冲击电流的瞬时值也由•isu=1.8√2Isu计算22qsudLEIXXsinsudLdLgIjXXUjXUUX()()22gUUsinU.U.gU.δsuI.3．合闸频率差对并列的影响•分析条件是：Ug=U,fg≠fx或ωg≠ωx,δ≠0。•某时刻δ=0,•fg≠fx,Úg与Ú以ωs相对旋转,•δ=ωst作周期性变化。•ΔÚ也随δ变化,为脉动电压Ús•若ΔÚ≠0,则有Ìsu使刚投入的发电机带上正的或负的有功功率,使发电机轴产生振动。•δ较小时Ìsu为有功性质，δ较大时Ìsu还含有无功性质的电流分量。gUωxUUωgδ•若fgfx(或ωgωx)时并列,•Ug超前于U,发电机向系统送出有功功率,使发电机受到制动力距而使ωg减少。•减到B点:ωg=ωx,•之后ωgωx,ωs0;到C点δ=0•之后U超前于Ug,发电机向系统吸收有功功率,使发电机受到加速力距而使ωg增加。•增到Dωg=ωx后ωgωx,ωs0•转子几次摆动后同步。PPBP0ωSPDωS2ωSA①ABCDE0ωC180°②③δ0δωs=ωg-ωxgsinqdEUPXgUωxUUωgδ•危害：•若并列时仍有ωgωx且ωs较大,发电机受制动时ωs只减少而不变号,则δ=ωst继续加大,•当180°δ360°时,发电机输出功率变负,即从系统吸收有功功率,机组更加速,从而使发电机失步。•由以上可知，同期三个条件不满足会由不同的危害。gUωxUUωgδ%100%5~10%gUUUU%100%0.2~0.5%gxsx10ggxsttt1.电压差2.频率差3.相角差并列的实际条件：工程上δ=3°～5°二、脉动电压分析•目标：找一电量，包含同步三条件信息。•发电机电压瞬时值为ug=Ugmsin(ωgt+φ0g)•系统电压的瞬时值为u=Usin(ωxt+φ0x)•我们将us=ug-u=Ugmsinωgt-Umsinωxt称为脉动电压•us=Ugmsinωgt-Umsinωxt（设Ugm=U=Um）m2Usint2cost2ggxxm2Usintc2ost2xsg•①并列时ωs很小,上式中正弦项变化很缓慢,它是频率为的波形振幅包络线,即脉动电压的幅值，用Us表示：m2Usintcost22sgxsu2gxmm2Usint=2Usin22ssU②而余弦项说明了us变化的频率，其频率为,因为ωg与ωX相接近,ωg≈ωX因此us变化的频率ωs与ωg或ωX很接近。即ωs≈ωg≈ωX2gxωxt+φ0xωgωgt+φ0gωxδU.SU.gU.+j+10xugu0tum2Usintcost22sgxsu•脉动电压us的幅值包络线Us含有准同期并列三条件的信息：电压差、频率差、相位差。•为此将us整流滤波后得到的Us•δ=ωst•=2πfst•=(2π/Ts)t•ωs=ωg-ωx•ωs1ωs2•Ts1Ts2mm2Usint=2Usin22ssU令Ts1Ts2ωs1ωs2Ust如何检测三个条件？•1.电压差条件•①当Ugm=Um时,在δ=0(或2π时),US=0(即ΔU=0);•②当Ugm≠Um时,在δ=0(或2π时),US≠0,但值最小,•因此最小值就是两电压的差值,即US·min=|Ugm-Um|•检测:在δ=0时,通过对US•min的测量,就可以判别电压幅值差是否超出允许值。Ts1Ts2ωs1ωs2UsTs1Ts2ωs1ωs2UsUgm+Um|Ugm-Um|tt2.频率差条件•就是对ωs=ωg-ωx进行检测：即要求ωs≤ωsy•而δ=ωst=2πfst=(2π/Ts)t，即Ts与ωs成反比，•可见,若要求ωs小于某一允许值,则要求Ts大于某一给定值。例如：ωs允许值ωsy规定为0.2%，即•ωs≤ωsy=0.2%•2πfe=0.2π•则Ts≥2π/0.2π=10s•因此通过检测Ts的大小,就可判别频率差条件是否满足要求。3.相位条件•δ=ωst=(ωg-ωx)t=ωgt-ωxt=ωg-ωx)t=φg-φ•若并列断路器主触头能于两电压相位差角δ=0的时刻闭合，则说明满足相位条件。•合闸接触器动作及断路器操动机构动作完成合闸需一定时间，约0.2～0.6s，因此合闸脉冲应在δ=0之前发出：•①若在δ=0之前某一恒定角度δah•c发出合闸信号,则该同期装置称为恒定越前相角型同期装置,δah•c称为恒定越前相角。•②若在δ=0之前某一恒定时间tah•c发出合闸信号,则该同