同步发电机同期并网研究

马 东，彭中伟

（西安航天动力研究所 710100）

摘要：同步发电机同期并网操作时电力系统运行中的一项基本操作，在相关项目实施过程中，对同步发电机同期并网过程、同期并网控制模式及算法进行研究和分析。

关键词：同期并网，自动准同期

1 概述

同步发电机同期并网操作时电力系统运行中的一项基本操作，要求发电机组与电网，在压差，频差允许条件下，在相角差接近于零或者控制在允许范围内，使发电机平滑无冲击的并入电力系统中，避免由于压差、频差或者相角差过大，造成合闸时发电机组绕组电流过大，对发电机^[1]连轴系统造成冲击，因此，通过同期并网操作，将发电机组安全、可靠、准确快速的投入电网，从而保证系统可靠、安全运行及其重要。

2 同步发电机自动准同期的条件及原理

2.1 同期方式

电力系统中，同期方式可分为自同期和准同期两种。

自同期方式是将未加励磁电流的发电机的转速升到接近电网频率，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，首先合上并网断路器，接着合上励磁开关，给转子加上励磁电流，在发电机电动势增大过程中，由电力系统将并网的发电机组拉入同步运行。

准同期方式是将待并发电机在投入系统前通过调节调速器和励磁装置，使发电机转速接近同步转速，使机端电压接近系统电压，在频差、压差满足给定条件时，选择在零相角差到来前的合适时刻合上断路器，断路器触点闭合瞬间引起的电流小于允许值，发电机迅速被拉入同步运行。

2.2 自动准同期系统构成

自动准同期装置一般由三个控制单元组成：

（1）频差控制单元:检测机端电压与系统电压间滑差角频率，当频差不满足条件时，调节发电机转速，使两端电压接近；

（2）压差控制单元:检测机端电压与系统电压间的电压差，当压差不满足条件时，通过调节励磁来调节机端电压，使它与系统电压之间的压差小于允许值；

（3）合闸信号控制单元:当发电机与系统间频差和压差都满足并网条件时，选择合适的时间发出合闸信号，使并网断路器合闸时，相角差接近于零或控制在允许范围内。

2.3并网条件及分析

准同期并网要求在合闸之前应满足以下3个条件:

（1）压差应在5%一10%以内；

（2）频差应在不超过0.2%一0.5%，即0.1一0.25Hz；

（3）合闸并网时发电机与系统的相角差接近于零或控制在允许范围内。

同步并网前的断路器两侧的电压瞬时值为:

机端电压

系统电压

上式中: ：机端电压的幅值；

：系统电压的幅值；

：发电机的角频率；

：系统电压角频率；

：机端电压的相角；

：系统电压相角；

在两电源间存在电压差和频率差的情况下进行并网会造成有功功率和无功功率的冲击，也就是说在断路器合闸瞬间，电压高一侧向电压低一侧输送一定数量的无功功率，频率高一侧向频率低一侧输送一定数量的有功功率；但在发电机空载的情况下，即使存在较大的电压差和较大的频率差，其所对应的无功功率和有功功率也是很有限的，不会伤害发电机^[2]。

但是，在具有相角差的情况下并网的后果就完全不同了。在断路器合闸瞬间，系统电压施加在发电机定子上，其产生的由三相电流合成的以角速度旋转的旋转磁场将产生一个电磁转矩强迫发电机转子轴系的磁轴取向一致，这一拉入同步的过程使转子轴系在极短时间内在定子电磁转矩作用下旋转一个角度就加于定子的过程，因此相角差较大会对转子轴系造成极大的伤害。

设并网合闸时， ， ， ，合闸瞬间存在相角差，同期并网时冲击电流的有效值为:

：发电机交轴次暂态电抗

：系统电抗

：发电机交轴次暂态电动势

当相角差较小时，这种冲击电流主要为有功电流分量，说明合闸后发电机与电网间立刻进行有功功率交换，使机组联轴受到突然冲击，为保证机组安全运行，一般将有功冲击电流限制在较小数值。

3 同步发电机自动准同期设计

3.1 ORC系统概述

机组内循环（ORC）工作原理为：经工质泵增压后的工质（液态）进入蒸发器，通过与热源进行换热蒸发至过热汽态，驱动涡轮做功并带动发电机发电，做功后的乏汽排至冷凝器，凝结后的液态工质再次由工质泵进行增压进入蒸发器，如此往复循环，形成闭环系统。（见图1）

图1 CT300 ORC 发电机组工艺流程

3.2 ORC发电机组并网流程

CT300机组控制系统由DCS控制系统、密封油泵控制柜、油站控制柜、变频控制柜、并网控制柜、加热器控制柜、减温减压器控制柜、阀门、传感器等组成。采用DCS控制系统作为中央控制系统，操作人员通过上位监控计算机对整个控制系统进行监控。（见图2）

图2 ORC同期并网框图

在系统处于转速PID自动调节模式时^[3]，同期并网模块实时监测同期并网使能信号，当使能信号为ON时，依据当前监测发电机侧与电网侧的频率、电压、相位，给出升压、降压、升速、降速信号，DCS控制系统中的同期并网程序模块，在接收到该调速信号后，对目标转速进行实时调节，此时涡轮转速的改变引起发电机转速改变，并影响发电机侧电能的频率、电压、相位，同期并网模块判断当前状态并下发合闸指令，完成同期并网过程。

4关键技术问题

4.1涡轮转速闭环控制功能

在接收到同期并网使能信号后，同期并网程序模块介入到系统涡轮转速PID控制模块中，通过对涡轮转速的调节完成并网过程。由于系统涡轮转速PID控制模块包括手动模式^[4]，自动模式、禁止模式，且在系统工艺3。

涡轮转速闭环控制功能包括：

（1）手自动无扰切换

该控制功能包括两种状态：1.手动控制阀门开度；2.根据转速自动调节阀门开度，在手动切换自动，或者自动切换手动状态时需要保证阀门开度均为前一状态的最后输出值。

（2）转速超限保护功能

在转速超过某一定值时，关闭涡轮调节阀，并实现控制锁定，等待操作员进行复位控制。

（3）设定值限值保护

当设定值与反馈值的差值大于某一定值时，操作员无法进行自动调速功能。

（4）反馈值保护功能

转速反馈值必须大于某一定值时，操作员才能进行手动自动切换，该功能是进行同期并网功能的前提条件。

（5）同期并网调速功能

4.2同期并网过程分析

同期并网柜判断并下发合闸指令后，发电机完成同期并网过程，之后发电机侧与系统电网侧的电压、频率、相位相同，此后系统将处于功率调节模式^[5]，图3、图4为发电机组自动准同期并网的试验数据。

工艺状态的波动对涡轮转速均会产生影响，由图3可以看出转速曲线波动比较大，正是由于无法精准的控制涡轮转速，导致同期并网模块在下发增速减速指令时会对涡轮转速闭环控制产生影响，加大了系统波动，因此，增速及减速系数需做相应调整，在实际调试过程中采用每个扫描周期的0.1%较为合适，增速减速相对平稳^[6]。

由图4可以看出，在合闸指令下发之前频率曲线的波动并不规则，但是在系统合闸之前，频率波动周期变长，设置合适的增减速系数可以促进系统同期并网的顺利完成。

5结论

该项目的发电方式决定了该系统同期并网过程控制逻辑较为复杂，还需保证系统闭环调速功能的稳定性及可靠性，最终通过同期并网模块及DCS控制系统实现了自动准同期并网，验证了该控制模式的可行性，对后续项目提供了宝贵的经验。

参考文献

[1]电机学，阎治安，崔新艺.西安交通大学出版社.2005.

[2]陈世坤.电机设计.北京：机械工业出版社，2004.

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[5]张春林.发电机失磁保护的探讨[J].电工技术,2012(5):13-14.

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