第二章同步发电机的自动并列1教材课件.ppt

1、1电路示意图GGUXUQF第一节 概 述 一台发电机组在未投入系统运行之前，它的电压uG与并列母线电压ux的状态量往往不相等，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QF合闸作并网运行,这一系列操作为并列操作。第二章第二章 同步发电机的自动并列同步发电机的自动并列一一 并列操作并列操作21 并列操作的意义并列操作的意义1)随着负荷的波动，电力系统中随着负荷的波动，电力系统中发电机运行的台数经常要变发电机运行的台数经常要变动动。2)当系统发生某些事故时，也常要求将当系统发生某些事故时，也常要求将备用发电机组迅速投备用发电机组迅速投入电网入电网运行。运行。3)电力系统的容量在不

2、断增大，同步发电机的单机容量也越电力系统的容量在不断增大，同步发电机的单机容量也越来越大，来越大，大型机组不恰当的并列操作将导致严重后果大型机组不恰当的并列操作将导致严重后果。因此，对同步发电机的并列操作进行研究，提高并列操作的准因此，对同步发电机的并列操作进行研究，提高并列操作的准确度和可靠性，对于系统的可靠运行具有很大的现实意义。确度和可靠性，对于系统的可靠运行具有很大的现实意义。32 母线电压的状态量母线电压瞬时值:ftUtUumm2sinsin幅值 频率 初相角a)断路器合闸时，冲击电流应尽可能小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

3、迅速进入同步运行状态，迅速进入同步运行状态，其暂态过程要短其暂态过程要短，以减小对电力系统的扰动。3 同步发电机组并列时应遵循的原则：自同期：只有在系统发生故障情况下采用准同期：一般在系统正常运行情况下采用4 并列方法4二二 同步的基本概念同步的基本概念同步是同步发电机并列运行的前提同步：电力系统中的同步是指各并列运行的同步发电机的 1）转子以相同的电角度旋转转子以相同的电角度旋转，2）相角差不超过允许值相角差不超过允许值，3）发电机出口的归算电压近似相等发电机出口的归算电压近似相等。特征：电气距离Z=0 u=0，f=0，=0 电气距离Z0 u1*=u2*，f=0，al 5三三 准同期并列准同

4、期并列(a)电路示意图GGUXUQF准同期并列：设待并发电机组G已经加上了励磁电流，其端电压为 ，调节待并发电机组 的状态参数使之符合并列条件并进行合闸操作。在(a)图中，QF为并列断路器。并列断路器合闸之前，QF两侧电压的状态量一般不相等，须对发电机组G进行控制使它符合并列条件，然后发出QF的合闸信号。GUGU6SUSUGUSUXUOGXe(b)相量图设发电机电压的角频率为G，电网电压 的角频率为x，它们间的相量差为 。(a)图中由于QF两侧电压的状态量不相等，QF主触头间具有电压差 如（b)图示。滑差电压滑差电压：当系统频率和发电机频率不相等时，系统电压和发电机电压瞬时值之差称为滑差电压滑

5、差角频率滑差角频率：即电角速度之差。s=G x=2fs71 发电机并列的理想条件发电机并列的理想条件0exGxGffUUSU电压幅值相等频率相等相角差为零即并列断路器两侧电源电压的三个状态量全部相等。即并列断路器两侧电源电压的三个状态量全部相等。XXGUXUQFSU(C)等值电路图GX(C)图为计算并列时冲击电流的等值电路。当电网参数一定时，冲击电流决定于合闸瞬间 的值。最理想情况 的值为零，这时QF合闸的冲击电流也就等于零。SU82 发电机并列时偏离理想条件所引起的后果1）电压幅值差 0eXGXGffUUhhmXdXGhIiXXUUI28.1冲击电流的有效值:冲击电流最大瞬时值:GUxUhI

6、冲击电流性质：主要为无功电流分量危害：定子绕组端部受力大引起后果：SU92）合闸相角差 0eXGXGffUUhhmeXqqeXqGhIiXXEXXUI28.12sin22sin2eGUxUSUhI冲击电流的有效值:冲击电流最大瞬时值:冲击电流性质：主要为有功电流分量危害：机组转轴受到很大冲击力引起后果：103）频率不相等 SSSXGSseGSGXGGsXGXGGsXXGGsfTtUuUtUtUUttUutUtUu212cos2sin22sin22sin22cos2sin20sinsin2121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:UsusTstXUsUGU2tX1tGe

7、,GXGXUUff引起后果：会对机组造成冲击，引起暂态，严重时导致失步113 并列的同步过程并列的同步过程1)a b,发电机状态,减速,GX2)b点,G=X，发电机状态,G会继续减小3)b a o,GX，减速,则减小仍为正4)o点后,开始变负,交换功率为负,电动机状态,加速，GX 5)o c,反方向运动,G增大,但GX 发电机电压超前电网电压：发电机发出功率，发电机处于制动而减速 发电机电压滞后电网电压：发电机吸收功率，发电机将加速 故交换功率方向与相角差e正负有关 设原动机的输入功率恒定不变，GX,令合闸时的相角差为e0(图中a点)，为超前状态。12将一台未加励磁电流的发电机组升速到接近于电

8、网频率，滑差角频率不超过允许值，且机组的加速度小于某一给定值的条件下，首先合上并列断路器QF，接着立刻合上励磁开关SE，给转子加上励磁电流，在发电机电动势逐渐增长的过程中，由电力系统将并列的发电机组拉入同步运行。励磁开关SEUEXUQFGXxGU四四 自同期并列操作（已很少采用）自同期并列操作（已很少采用）转子绕组13控制操作非常简单，在电力系统发生事故、频率波动较大的情况下，应用自同期并列可以迅速把备用机组投入电网运行。1优点：XdXhXXUIdXdXGXXXUU 2 缺点：1)自同期并列方式不能用于两个系统间的并列操作。2)在投入瞬间，相当于电网经发电机次暂态电抗短路，因而引起较大的冲击电

9、流。3)发电机母线电压瞬时下降对其它用电设备的正常工作将产生影响。14第二节第二节 准同期并列的基本原理准同期并列的基本原理1 脉动电压的幅值US2sin2tUUUUSXSXGTs1Ts2tUstUUUUUUUSXGXGSXGcos222Ts1Ts2XGUU XGUU tUs（1）电压幅值差2 利用脉动电压us检测准同期并列的条件 一一 脉动电压脉动电压(1)(2)(1)(2)s1s2s1s2通过对Usmin的测量就可以判断电压幅值差是否超出允许范围。应小于（0.10.15）Ue)12(2ntntSeSeXGSXGSUUUUUUminSXGUUU15 反映了频率差 的大小。要求 小于某一允许值

10、，就相当于要求脉动电压周期Ts大于某一个给定值。例如，设滑差角速度的允许值 为0.2 ，即 则 （rad/s）对应的脉动电压周期 Ts的值为所以Us的脉动周期Ts大于10s才满足小于0.2的要求。sy2.010022.0fNsy2.0ssTsys102sfssN（2）频率差SSSTf21测量Ts可以检测待并发电机组与电网间的滑差角速度 s的大小，即频率差大小。16（3）合闸相角差YJ考虑到断路器操作机构和合闸回路控制电器的固有动作时间，必须在两电压相量重合之前发出合间信号，即取一提前量，这一段时间称为“越前时间”。由于越前时间只需按断路器的合闸时间（准同期装置的动作时间可忽略）进行整定，整定值

11、和滑差及压差无关，故称为“恒定越前时间”。1）恒定越前时间2）恒定越前相角准同期并列装置采用的提前量有两种：在两电压相量重合之前的恒定时间 发出合闸信号的，称恒定越前时间在两电压相量重合之前的恒定相角 发出合闸信号的，称恒定越前相角YJt17二二 自动准同期装置自动准同期装置 (1)检测电压间的滑差角频率,且调节发电机的转速,使发电机的频率接近于系统频率。(2)检测电压值差,且调节发电机的电压,使两电压的差值小于规定允许值。(3)检查并列条件,当频率、电压条件满足时选择合适时间发出合闸信号。1 三个控制单元电源G升速 减速升压 降压并列断路器合闸频率差控制单元电压差控制单元合闸信号控制单元与门

12、提前量信号形成电压差允许频率差允许合闸信号182 准同期并列装置按自动化程度可分为(1)半自动准同期并列装置 这种并列装置没有频差调节和电压调节功能，只有合闸信号控制单元。并列时，待并发电机的频率和电压由运行人员监视和调整，当频率和电压都满足并列条件时，并列装置就在合适的时间发出合闸信号。它与手动并列的区别仅仅是合闸信号由该装置经判断后自动发出，而不是由运行人员手动发出。(2)自动准同期并列装置 在有人值班的发电厂中，发电机的电压往往由运行人员直接操作控制，不需配置电压差控制单元 在无人值班的发电厂中，自动准同期并列装置需设置具有电压自动调节功能的电压差控制单元。当同步发电机并列时，发电机的频

13、率或频率和电压都由并列装置自动调节，使它与电网的频率、电压间的差值减小，当满足并列条件时，自动选择合适时机发出合闸信号。193 准同期并列装置两种原理按提前量的不同恒定越前相角恒定越前时间 2sin2eXSXGUUUU321ssstUstQFtQFtQFs1 s2 sy0 s3UAYJYJYJQFYJsyt01)恒定越前相角YJ1,sssyoe当 时 合闸相角差在零之后2,0sssyoe当 时 合闸相角差为3,sssyoe当 时 合闸相角差在零之前203 准同期并列装置两种原理321ssstUstYJtYJtYJs1 s2 s31YJ2YJ3YJ2)恒定越前时间 tyJtyJ=tQF+tc t

14、c自动装置合闸信号输出回路的动作时间tQF断路器的合闸时间0eYJYJSt在之前的恒定时间发出合闸信号，其对应的越前相角值随而变化恒定越前时间装置理论上可以使合闸相角差等于零。实际上因装置的越前信号时间、出口继电器的动作时间以及断路器的合闸时间存在着分散性。因而并列时会有合闸相角误差214 恒定越前时间并列装置的整定计算 1)越前时间tYJ 2)允许电压差3)允许滑差角频率 YJcQFttt自动装置合闸信号输出回路的动作时间并列断路器的合闸时间自动并列装置的动作误差时间 断路器的动作误差时间 一般定为(0.1一0.15)UNeysycQFtt 2arcsin2 1.8 2 hmqXeyqiXX

15、E22 例例2-1 2-1 某发电机采用自动准同期并列方式与系统进行并列，系统的参数已归算到以发电机额定容量的标么值。一次系统的参数为：发电机交轴次暂态电抗 为0.125；系统等值机组的交轴次暂态电抗与线路电抗为0.25；断路器合闸时间 0.5s，它的最大可能误差时间为20 ；自动并列装置最大误差时间为0.05s；待并发电机允许的冲击电流值 。试计算允许合闸误差角 、允许滑差角速度 ，与相应的脉动电压周期 。XqtQFGNhIi2 maxeysyTstQFey05.128.1225.0125.012arcsin2ey199.00992.0arcsin2 （rad）即为4.11解解1）允许合闸误

16、差角sy2）允许滑差角速度1.02.05.0tQF断路器合闸动作误差时间05.0tc（s）自动并列装置的误差时间(S)所以 33.115.0199.0sy （rad/s）如果滑差角速度采用标么值表示，则1042.050233.122*fesysyTs3）脉动电压周期7.433.122sysT （s）)rad(E.XXiarcsin qx q maxhey28122因故23第三节第三节 自动并列装置的工作原理自动并列装置的工作原理 一一 并列装置控制逻辑并列装置控制逻辑 必须在越前时间信号到达之前完成频率差和电压差的检测任务，作出是否让越前时间信号通过与门 Y1的判断。电压差频率差判别区tYJt

17、Us24基本原理：1、其中任何一个不符合并列条件，那么由或非门Hl输出的非逻辑使与门Yl闭锁，因而所产生的越前时间信号不能通过与门Y1，也就不能发出合闸信号。2、只有在滑差角频率和电压差都符合并列条件的情况下，越前时间信号才能通过与门Y1成为合闸信号输出。3、由此可见，它们间的时间配合在一个脉动电压周期内，必须在越前时间信号到达之前完成频率差和电压差的检测任务，作出是否让越前时间信号通过与门Y1的判断，也就是作出是否允许并列合闸的判断。25二二 并列条件的检测并列条件的检测Ts1Ts2tUsZ 1 1 正弦整步电压正弦整步电压Usz检测：并列断路器QF两侧的电压差us脉动电压的性能。整步电压：

18、包含同步条件信息量的电压。测得并列断路器两侧的电压互感器二次侧uG与ux的电压差的包络线波形是正弦型的，称为正弦整步电压。原理：待并发电机和系统母线电压互感器二次侧b相电压直接连接，UGa与Uxa间电压即为其差值电压Us，经整流后，直流侧的电压波形是Usz，所测得的直流电压Usz反映了脉动电压Us的幅值。26脉动电压的幅值Us相角差电压差越前时间信号频差检测信号产生合闸误差影响常用线性整步电压的方法代替(相角差的特性)1、表明Usz不仅是相角差e的函数，而且还与电压差值有关。2、利用Usz检测并列条件的越前时间信号和频差检测信号引入而成为合闸误差的原因之一。了受电压影响的因素，造成越前时间信号

19、时间误差不准，从3、解决方法：线性整步电压法。结论271）半波线性整步电压半波线性整步电压UsLsL VT1基极 VT2基极 a +-+-+-+*uxuGVT3VT2VT1abdux1uG22 2 线性整步电压的产生线性整步电压的产生R1R2R3R6R4R7TB1TB2)(21GxaUUUC1相敏电路积分电路双T型滤波电路电路由相敏、积分、双T型滤波器和射极输出等电路组成线性整步电压只反应uG和ux间相角差特性，与其电压幅值无关28ux1uuG2tudt0 2ubtesLmsLmsLesLmsLUUuUu220ee0 2e:0,矩形e:2,矩形uat0 2Ux1和uG2皆为负时，a点电位才为高

20、电位特性数学描述特性数学描述矩形波特性矩形波特性29特点：特点：1 1、只有在、只有在VTVT1 1与与VTVT2 2都截止，即两个三极管基极输入电压同时为负的瞬都截止，即两个三极管基极输入电压同时为负的瞬间，间，a a点的电位才为高电位。点的电位才为高电位。2 2、它是一系列幅值一定而宽度与相角差、它是一系列幅值一定而宽度与相角差ee有关的矩形波。有关的矩形波。在在ee时，矩形最宽。时，矩形最宽。当当ee0 0或或22时，矩形的宽度就接近于零。时，矩形的宽度就接近于零。这样，当这样，当ee从从0 0至至变动时，矩形波的宽度渐增，而当变动时，矩形波的宽度渐增，而当ee从从向向22变动时，矩形波

21、的宽度就渐减。变动时，矩形波的宽度就渐减。3 3、在交流电压每一个周期中只有一个矩形波，称之为、在交流电压每一个周期中只有一个矩形波，称之为“半波半波”缺点：1)滤波器的时间常数影响其相移。改进措施：1）改进滤波器 2）提高其矩形波密度2)一个周期中只有一个矩形波。302）全波线性整步电压 uG正VT1导通A低ux正VT2导通B低A高B高Y高A低B低*uG*uxVT1VT2VT3VT4VT5ABY整形电路相敏电路滤波电路和射极跟随器输出电压变换TB1TB2R1R2R3R4R5R6RslR7R8R9V1V2V3V4V5V6V7V8C1V9C2L1L2 A B Y1 1 10 0 1 0 1 01

22、 0 0 BABABAY31uGuAtuxuBtuAuBtuYtesLmsLesLmsLUuUuee00t-0 2 usL32（1 1）电路组成）电路组成 由电压变换、整形电路、相敏电路、低通滤波器和射极跟随器由电压变换、整形电路、相敏电路、低通滤波器和射极跟随器组成。组成。（2 2）原理）原理（3 3）特点）特点1 1、相敏电路在正、负半周内，共获得、相敏电路在正、负半周内，共获得二次相位比较二次相位比较机会。机会。2 2、ee=0=0时，矩形脉冲时，矩形脉冲最宽最宽、脉冲间的间隔最小，、脉冲间的间隔最小，U USLSL输出最大。输出最大。3 3、ee=时，时，矩形脉冲矩形脉冲宽度宽度接近于

23、接近于零零，脉冲间隔为最大，脉冲间隔为最大，U USLSL 输出为输出为0 0。结论结论:全波线性整步较半波全波线性整步较半波多一倍多一倍的矩形脉冲，因此可适当减少滤波器时间的矩形脉冲，因此可适当减少滤波器时间 常数以改善其性能，故常采用全波方案。常数以改善其性能，故常采用全波方案。33相角差的实时检测相角差的实时检测相角差测量的方案如下图相角差测量的方案如下图 把电压互感器二次侧ux,uG的交流电压信号转换成同频、同相的两个方波，把这两个方波信号接到异或门，当两个方波输入电平不同时，异或门的输出为高电平，用于控制可编程定时计数器的计数时间，其计数值N即与量波形间的相角差相对应。CPU可读取矩

24、形波的宽度N值，求得两电压间相角差的变化轨迹。34相角差测量波形分析35思考题 利用线性整步电压如何检测发电机是否满足准同期并列条件？v答：线性整步电压含有频率差、相位差的信息，但不含有电压差的信息。线性整步电压的周期是滑差周期，能够反映频率的大小，线性整步电压随时间变化过程对应相位差的变化过程，所以利用其周期可以检测是否满足频率差的调节，利用电压随时间变化过程确定合闸时刻使相位差满足条件，但需利用其他方法检测电压差是否满足。36三 并列合闸控制1 恒定越前时间信号ssLmssLmsLmCRRssLmsLCssLmsLmsLRssLmsLesLmsLUCRtRRURRRURRiiuUCdtdu

25、CitRRURRURRuitUuUu2212212221212120eRsLR1R2CiciRVT5YJtCRRt21212RRURusLmtYJ02212ssLmssLmUCRtRRUR用线性整步电压的比例信号加微分信号和检测电平的方法实现。UsL+-左侧接线性整步电压形成电路右侧接电平检测器(运放电路）输入为三角波整步电压信号输出为恒定越前时间信号YJt372 频率差检测 频率差检测是在越前时间信号发出之前完成的任务，用于作出频率差是否符合并列条件的判断。原理：相角差 对应整步电压USL的一定值，则恒定越前相角 的检测就可用电平检测器来完成。1）电平检测器翻转电平对应一定值的越前相角为输出

26、三角波整步电压E+E-EeeAsktYJsYJt2）恒定越前时间对应的相角为38AsKtK恒定，tA 与s成反比。YJsYJt令允许最大滑差角频率为sy，并使K=sy tYJYJssyAAsYJsyttttYJAsysYJAsysYJAsystttttttYJ恒定，YJ与s成正比。YJKYJKYJK利用比较恒定越前时间电平检测器和恒定越前相角电平检测器的动作次序可实现滑差检查.讨论：这三种情况，哪个符合并列条件？39比较越前时间信号与恒定越前相角信号间的相位关系，即它们间先、后顺序关系，就可作出频率差是否符合并列条件的判断。40只有当 ，即恒定越前相角电平检测器先于越前时间动作,才作出频率差符

27、合并列条件的判断 或当 才符合并列条件，即 信号到来时，已获得越前相角电平检测器翻转信号。AYJtt3 电压差检测由于线性整步电压中不载有并列点两侧电压幅值的信息，所以它就无法作为电压差的检测。需设专门电压差检测电路。电压差检测可直接用 和 的幅值进行比较，两电压分别经变压器、整流桥和一个电压平衡电路后检测电压差的绝对值。也在恒定越前时间之前作出电压幅值差是否符合并列条件的判断。GUXU结论：sysYJt41setABsetABsetABDUUUUUUUD点电位为正,说明电压差超出并列条件的允许值，发闭锁信号D点电位为负,说明电压差符合并列条件，发合闸信号电平检测uxuGDUABUsetAB+

28、电压差检测原理电路当电压差小于允许值时发出“电压差合格允许合闸”信号。xUGUGxUU 0ABUGxUU 0ABUGxUU 0ABUR3R2R1R4R5R6UU-6V+_42频率差调整的任务是将待并发电机的频率调整到接近于电网频率，使频率差趋向并列条件允许的范围，以促成并列的实现。如果待并发电机的频率低于电网频率，则要求发电机升速，发升速脉冲。反之，应发减速脉冲。第四节 频率差与电压差的调整 频率差控制任务频率差测量:调节量控制：1 1 频率差测量频率差测量ZXGfff自动并列装置可直接测量UG、UX两并列电压的频率fG、fX，然后计算进行判别。设fz为设定的允许频率差：则不发调速脉冲，进行越

29、前时间合闸控制计算当当ZXGfff则发调速脉冲，不进行越前时间合闸控制计算则输出减速脉冲信号，若XGffXGff若则输出加速脉冲信号一一 频率差调整频率差调整频率差方向测量环节频率差方向测量环节：判别频率的高低作为发升速脉冲或减速脉冲的依据。43发电机组的转速按照比例调节准则，要求输出的调节脉冲时间与频率差值成比例。2 2 调节量控制调节量控制输出脉冲时间的长短相当于调节量的大小 频率调整执行环节频率调整执行环节：按照比例调节的要求，调整发电机组的转速。任务：在接受频差方向测量环节送来的升速、减速信号后，控制调速电动机的工作。原理框图：原理框图：44二二 电压差调整电压差调整电压差调整的任务是

30、在并列操作过程中自动调节待并发电机的电压值，使电压差条件符合并列的要求。其实施原理与频率差调整相似，可直接测量UG、UX的幅值，然后求取电压差绝对值U小于设定的允许电压差值，则不进入电压调整控制程序。U大于设定的允许电压差值，则进入电压调整控制程序。构成框图：与频率差控制相似。由电压差方向测量环节和脉冲展宽电路组成。45输入输出接口电路主机第五节 数字式并列装置（自学）CPURAM定时/计数A/DROM接口I/O并行接口显示键盘调速调压合闸电压变换uxuG/输入通道输出通道一 硬件电路46 交流电压幅值测量 频率测量 相角差测量1)主机2)输入输出接口电路3)输出通道4)输入通道47降压滤波整

31、型二分频定时记数CPU频率测量NffNfTcc1UtUtA/D交流电压变送器CPUu交流电压幅值测量48异或门电压变换整形方波电压变换整形方波定时/计数CPUuxuG相角差测量49二软件部分 电压检测 频率检测 越前时间检测GxGxUGxUGxDDDDDDDDDD合闸信号 升压信号降压信号xixiixii2211iiiixiiisiDCsiDCsiYJtttt22112nttttxnsisisiCDLDC250YJiYJiYJiYJiYJi22222tes2tes2tei+1YJi合闸继续计算错过时机251作业：P182 2-1 2-2 如下 某发电机采用自动准同期并列装置。已知发电机及系统等值电抗的标幺值 ，,断路器合闸时间为0.4秒，合闸时间误差 秒，装置动作时间误差 秒，如整定的频率差为0.4%。求1）整定装置的合闸频差 和越前时间 2）计算允许合闸滑差角频率 ，较核整定的频差是否满足要求？12.0qx3.0Tx3.0Tx08.0QFt05.0ctsyjtsy