第二章同步发电机自动并列

第二章同步发电机的自动并列3.1.1电力系统自动装置原理主要内容同步发电机自动并列的条件和原则1.准同期自动并列的分析2.准同期自动并列装置的实现原理3.频差压差调节的方法数字型并列装置4.电力系统自动装置原理电路示意图GGUXUDL第一节概述一并列操作的意义一台发电机组在未投入系统运行之前，它的电压与并列母线电压的状态量往往不等，须对待并发电机组进行适当的调节，使之符合并列条件,并将断路器DL合闸作并网运行的一系列操作称为并列操作。GUxU并列分为①发电机并列和②系统并列两种。①发电机并列是将发电机与系统连接的断路器闭合使发电机投入电力系统运行的操作。②系统并列是将连接两个系统联络线上的断路器闭合使两个分开的系统并联运行的操作。电力系统自动装置原理电力系统自动装置原理1母线电压的状态量母线电压瞬时值:ftUtUumm2sinsin幅值频率相角a)断路器合闸时，冲击电流应尽可能小、其瞬时最大值一般不超过l一2倍的额定电流。b)发电机组并入电网后，应能迅速进入同步运行状态．其暂态过程要短，以减小对电力系统的扰动。2同步发电机组并列时应遵循的原则：GGUXUDL运行母线电压的三个状态量δ0=ωt+φ电力系统自动装置原理冲击电流是指并列断路器合闸时通过断路器主触头的电流。一般冲击电流幅值较高而持续时间较短。发电机并列时冲击电流会在定子绕组中产生电动力,其值与冲击电流的平方成正比。冲击电流太大时，过大的电动力可能造成定子绕组损坏，如造成定子绕组端部开断等。还可能造成电力系统中其它设备损坏或电力系统振荡。如果并列时冲击电流超过允许值或不能被拉入同步，就会对机组的安全造成危害。当机组容量与系统容量相比足够大时还会对系统产生扰动，造成系统振荡。电力系统自动装置原理准同期并列时先将待并列双方的电压加到并列断路器主触头两侧，然后调整两侧电压，使电压幅值、频率和相角分别相等时闭合断路器主触头，使并列双方并联在一起运行。准同期并列用于发电机并入电力系统，也用于将两个分开的电力系统并联在一起运行。自同期准同期3并列方法二、准同期并列电力系统自动装置原理发电机G电压系统电压两者的电压差称为滑差电压发电机准同期并列条件的分析XU~ABGUQF0SUGUXUGXeQFSUXUGUXXGXGEXE)sin(1tUUGmGG)sin(2tUUXmXX)sin()sin(21tUtUUUUXmXGmGXGS电力系统自动装置原理发电机并列的理想条件：并列断路器两侧电源电压的三个状态量全部相等。即断路器两侧电压的幅值相等、频率相同、相角一致,断路器两端的电压差Ús等于零。①理想条件：如果调节（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；此时闭合断路器主触头时冲击电流为零,且并列之后双方会立即同步运行。这就是同期并列的理想条件。电力系统自动装置原理用数学式表达，即①fG=fX,或ωG=ωX,fS=fG-fX＝0，ωS=ωG-ωX＝0②UG=UX,ΔU=UG-UX=0;③δG=δX,Δδ=δG-δX=0.δG和δX是发电机电压和系统电压的相角。此时，合闸冲击电流为零，并列后发电机可以立即与电网同步运行，不会出现扰动现象。实际上，待并发电机组调节系统很难实现理想条件；在实际的操作中也没有这样的苛求。只要合闸冲击电流小，不危及电气设备，合闸后机组迅速进入同步运行，对电网影响小，不致于引起任何不良后果即可。电力系统自动装置原理%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°电力系统自动装置原理发电机并列时偏离理想条件所引起的后果(一)电压幅值差0eXGXGffUUhhmXdXGhIiXXUUI28.1冲击电流的有效值:冲击电流最大瞬时值:GUxUhIU.Ìch″滞后电压差ΔÚ90˚,也滞后ÚG90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。电力系统自动装置原理发电机并列时偏离理想条件所引起的后果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.所以其最大瞬时值应限制在1～2倍以下.为了保证机组的安全，我国规定电压差并列冲击电流不允许超过机端短路电流的1/20~1/10。据此，得到同期并列的一个条件：电压差US不能超过额定电压的5％~10％。现在的一些大型发电机组规定电压差不超过1%,一些巨型发电机组更规定在0.1％以下，即要求尽量避免无功冲击电流。电力系统自动装置原理（二）合闸相角差0eXGXGffUUhhmeXqqeXqGhIiXXEXXUI28.12sin22sin2eGUxUSUhIchI.由于并列时δe一般都很小,Ìch″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。chqXXqXGIjXXjXUXUU()()22GUUsin发电机并列时偏离理想条件所引起的后果电力系统自动装置原理合闸相角差后果:说明并列后发电机与系统之间立刻交换有功功率,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.所以将有功冲击电流限制在最小值。如果即存在电压幅值差，又存在相角差，这时US所产生的冲击电流要综合分析。发电机并列时偏离理想条件所引起的后果电力系统自动装置原理NorthChinaElectricPowerUniversity16/542020/2/17•在有相角差的情况下合闸后，发电机与电网间立刻进行有功功率的交换，使得发电机组的联轴受到冲击，这对于发电机组和电网均产生不利影响，为了保证机组安全，一般将有功冲击电流限制在较小的范围内。例如：一般规定，汽轮发电机组不允许因相角差产生的冲击电流值为发电机空载时突然发生机端短路的冲击电流值的1/10ddeqeXXX1sin10sin10可以得到最大允许并列误差角：oeerad73.51.0sinmax电力系统自动装置原理（三）合闸频率差对并列的影响分析条件是：UG=UX、Δδ=0、fG≠fX设待并发电机组并网之前机械角速度为ΩG，系统等值机组的机械角速度为ΩX，且待并发电机和系统等值发电机的极对数相等。这样，机组并网之前转子(包括发电机转子和原动机转子)中储存的动能式中J—发电机组的转动惯量。2112GWJ3.1.2电力系统自动装置原理机组并网之后，如果被拉入同步运行，机组转子中储存的动能由于ΩG≠ΩX，所以机组并网前后，转子中储存的动能不相等，两者之差即，在机组并入电网被拉入同步的过程中，将把转子中储存的动能的一部分(ΔW)送到电力系统中。由于机组有转动惯量，上述能量交换过程将伴随着机组转速摇摆(振荡)进行。2212XWJ221212()GX电力系统自动装置原理频率不相等SSSXGSseGSGXGGsXGXGGsXXGGsfTtUuUtUtUUttUutUtUu212cos2sin22sin22sin22cos2sin20sinsin2121滑差角频率滑差频率脉动周期脉动电压:假定:脉动电压的幅值:XGXGffUU,us可看成是幅值为Usm，频率接近工频的交流电压波形。δ=ωst=0电力系统自动装置原理由于ωG与ωX不等tse两电压相量间的相角差：）））2sin(22sin(22tsin(2UexeGsGSUUUeSGeSG0~U02U~2U2U0当相角差从变动时，的幅值相应的从变到最大值当相角差从变动时，的幅值又从最大值变到由此可见，Us为正弦脉动波，又称脉动电压，最大幅值为2UG或2UXSeT的时间称脉动周期变动2XGS两电压幅值相等时，与当XGUU电力系统自动装置原理设，电压的幅值相等。XG2sincos22GxGxsmGuUtt脉动电压幅值SUcos2GxssuUt滑差角频率脉动周期SXGSf2SSSfT21频差fS：fS＝fG-fX滑差ωs:电角速度之差称为滑差角速度，简称滑差。电力系统自动装置原理脉动电压的周期TS、滑差频率fS、和滑差角频率ωs都可用来表示待并列发电机的频率与电网频率之间相差的程度。相角差是时间的函数，所以并列时合闸相角差与发出合闸信号的时间有关，如果发出合闸信号的时间不当，就有可能在相角差较大时合闸，引起较大的冲击电流。如果发出合闸信号的时间t恰当，就有可能在相角差为0时合闸，使冲击电流为0。如果频率差较大，即使合闸时相角差δe很小，满足要求，这时待并发电机需经历一段时间的加速或者减速过程，才能实现同步。加速或减速力矩会对机组造成冲击，严重时甚至会导致失步,这也是不允许的。我国在发电厂进行人工手动并列操作时，一般限制滑差周期在10S~16S之间。tse两电压相量间的相角差：电力系统自动装置原理并列的同步过程1)a—b,GX,减速2)b点,G=X3)b—a—o,GX,减速4)o—c,GX,加速5)c点,G=X6)so较小时到达最大相角b点时δeb时较小，很快同步；7)so较大时经历很长时间振荡才能同步；8)so很大时超出180°失步。发电机状态电动机状态0abcPsδebso0S0e发电机发出功率发电机吸收功率0e0S0SsinqGdEUPX电力系统自动装置原理右图是只存在频差时机组被拉入同步的示意图。曲线①是发电机功角特性曲线；曲线②是发电机电势Èq和系统电压ÙX之间滑差角频率ωs与功角δ的关系曲线。ωE—发电机电势Èq的角频率PPBP0ωSPDωS2ωSA①ABCDE0ωC180°②③δ0机组并列时被拉入同步的过程δωs=ωE-ωXsinqGdEUPX电力系统自动装置原理分析条件：设系统为无穷大。这样机组并入系统后不会牵动系统频率发生变化，在机组被拉入同步的过程中机组调速器也不动作，输入原动机的功率不变。电力系统自动装置原理根据前面设定的分析条件(并列瞬间δ=0,ωGωX)，设发电机断路器主触头闭合的瞬间发电机运行在A点:δ=0、P=0、ωs=ωsA机组在A点并入系统之后,由于ωE＞ωX,机组在转子惯性作用下不能稳定在A点,转子将以大于ωX的速度旋转,ωs0→ωs↓,δ=ωst0发电机状态,导致δ↑→P↑→转子受的电磁阻力增加→ωG↓→ωs↓→至B点时,ωs=0,ωG=ωX,但此时发电机要向系统输出PBPPBωSωSA①AB0180°②机组并列时被拉入同步的过程δωs=ωE-ωXsinqGdEUPX电力系统自动装置原理因调速器不动作,PB是转子中储存动能转化来的。在B点,机组输出功率大于原动机输入功率,机组转动惯量的作用,机组将继续减速.δ↓→P↓→发电机转子的电磁阻力矩减小→ωs向负方向增加。至C点时。δ=0、P=0，机组输入输出有功功率平衡了，但ωs=ωC0。PPBωSωSA①ABC0ωC180°②机组并列时被拉入同步的过程δωs=ωE-ωXsinqGdEUPX电力系统自动装置原理在C点,由于机组转子惯性的作用,将使δ进入负值区.使发电机输出的功率也变成负值,发电机从系统汲取有功功率,将使机组加速,使ωs增加。机组就变成电动机运行。至