微机型自动准同期装置在电力系统中的应用
微机型自动准同期装置在电力系统中的应用 摘 要本文以SID2C型微机同期控制器为例，通过实例分析，详细介绍了同频并网和差频并网这两种常见模式的基本概念，以及微机型自动准同期装置的基本原理及基本控制方式，为今后更好地应用该装置奠定了良好的基础。关键词自动准同期 同频并网 差频并网 系统 并列操作1 概述发电机并入系统，两个不同系统并列，或一个系统分解为两部分，通过输电线路再连接等，所实施的操作称之为同步并列操作。随着电力系统容量及发电机单机容量的不断增大，不符合同步并列条件的同步操作会带来极其严重的后果，可能引起发电机组损伤甚至系统的瓦解。在发电厂，发电机在并入系统前与其他发电机组和电力系统是不同步的，存在着频率差、电压差和相角差。通过同步操作，将发电机组安全、可靠、准确快速地投入，从而确保系统的可靠、经济运行和发电机组的安全。在变电站或发电厂网控中，同步操作主要解决系统中分开运行的线路断路器正确投入的问题，实现系统并列运行，以提高系统的稳定、可靠运行及线路负荷的合理、经济分配。 2 电力系统并网的两种情况目前，电力系统的并网方式按两并列系统之间的关系可分为两种情况: 差频并网方式和同频并网方式。2.1差频并网方式差频并网是指在发电厂中，发电机与系统并网或已解列两系统间联络线的同步并网，它们是两个电气上没有联系的电力系统并网。其特征是在同步并列点处两侧电源的电压、频率均可能不同，且由于频率不相同，使 得两电源之间的功角（电压相位差）在不断变化。进行差频并网是要按准同期条件实现并列点两侧的电压相近、频率相近时，捕获两侧电压相位差为零的时机来完成的平滑并网操作。2.2差频并网条件分析差频并网的电压相量分析如图1所示同步并列前的断路器两侧电压为:发电机侧电压: UG = UGmsin(Gt+oG )系统侧电压: US = USm sin(St +oS)上两式中: UGm待并发电机的电压幅值；USm运行系统的电压幅值；UG断路器待并发电机侧的电压;US断路器运行系统侧电压;G待并发电机的角频率;S运行系统的角频率;OG待并发电机电压的初相角;OS运行系统电压的初相角 由图1（b）的电压相量分析知，断路器并列的理想条件为:（1）两电压幅值相等，即UGm=USm;（2）两电压角频率相等，即G= S; 或两电压频率相等，即fG=f S;（3）合闸瞬间的相角差为零，即=0°。如果能同时满足上述三个条件，意味着断路器DL两侧电压相量重合且无相对运动，此时电压差Ud=0，冲击电流等于零，发电机与系统立即同步运行，不发生任何扰动。应该指出，如真的出现G=S，两电压相对静止，无法实现=0°，故上述角频率相等的条件应表述为角频率相近。2.3 同频并网方式 同频并网操作是实现系统中分开运行的线路断路器的正确投入，完成系统的并列运行，是发电厂和变电所中重要的操作。同频并网是指断路器两侧电源在电气上原已存在联系的两部分系统，通过并列点再连通的操作。未解列两系统间联络线并网属于同频并网，如线路断路器、母联断路器、单母分段断路器或/接线的中间串断路器等。这是因为并列点两侧频率相同，但在实现并网前并列点两侧电压幅值可能不同，而且两侧会出现一个功角，值大小与联接并列点两侧系统其它联络线的电抗及传送的有功功率成比例。这种情况的并网条件应是当并列点断路器两侧的压差及功角在给定范围内时，即可实施并网操作。完成并网后，并列点断路器两侧的功角消失，系统潮流将重新分布。因此，同频并网的允许功角整定值取决于系统的运行方式及潮流重新分布后的影响，即以系统潮流重新分布后不致于引起电力系统内继电保护及其它安全自动装置的误动，或导致并列点两侧系统失步为原则进行合理整定。2.4 同频并网条件分析同频并网，从本质上讲，只不过是在有电气联系的两电源间再增加一条连线，功角特性如图2所示。功角的表达式为:p = (E*U/ XLX )sin或sin-1(p* XLX /E*U)式中 :P输送的有功功率;E发电机等值电动势;U系统母线电压;XLX联系电抗;XLX=XG+XT+XLXG发电机电抗XT变压器电抗XL线路电抗从上式可看出，功角与传输功率P是正弦函数关系，也就是发电机有功功率的功角特性曲线，稳定运行的功角最大值是90°，其对应的Pm值称为功率极限值。传送大功率的长距离线路的功角更接近于极限值，也就是稳定储备更小。从理论上讲，功角的取值可在090°之间。“同频并网”无法按准同步的三个条件进行，因为三个条件中除了存在电压差需要检测外，频率差不存在，相角差（功角）已客观存在，也就是说这种并网注定要在一定电压差和相角差下进行。问题是多大的电压差和多大的相角差可以并网，超过多大的值就不能并网。因为电压差的数值决定了并网时两电源间的无功功率通过该连线的潮流冲击值，功角的数值决定了并网时两电源通过该连线潮流（包含有功功率和无功功率）的冲击值，这种冲击实质上是并网瞬间系统潮流进行了一次突发性的再分配。这种突发性的再分配可能会引起继电保护误动作，更严重的是在新投入的线路所分流的有功功率超过了其稳定极限时会导致该线路因失步而再次跳闸。3 微机型自动准同期装置基本原理3.1 准同期装置分类准同期装置按其功能大致可分为三类:一类为用于发电厂发电机的自动准同期装置，要检测系统和发电机的压差、频差和相角差，同时能自动对发电机的电压和频率进行调节，符合准同期并网条件时给发电机发出断路器合闸脉冲，发电机并入系统。二类为用于发电厂、变电所的线路、母线分段联系断路器，检测并列点两侧的压差、频差和相角差，并能区别是差频并网还是同频并网，如为同频并网，应当在功角及压差为允许范围内时，给断路器发出合闸脉冲，使两系统合环并列。三类为用于线路、旁路断路器的自动准同步捕捉和无压检定。前者为检测两系统间的压差、频差和相角差，在压差和频差符合条件，计算相角差过零点越前时间给断路器发出合闸脉冲。后者为线路断路器的重合闸回路，其中一侧无电压或任何一侧无电压时，即给断路器发出合闸脉冲。3.2 微机型自动准同步装置功能特点同步装置必须严格按准同步的三要素来设计，即应在待并侧与系统侧的电压差及频率差满足要求的情况下，确保相角差为零时将发电机平滑地并入电网。更确切地讲，应在压差及频压满足要求时捕获第一次出现的零相差将发电机并入电网。所有发电机组都配备有调速器和发电机自动励磁调节器，在同步过程中其任务是维持待并发电机的频率和电压在给定水平，创造同步条件。由于各类调速器和励磁调节器的特性各不相同，因此在发电机同步过程中不可避免的会出现频率和电压的波动。一般这些波动较大的成分是频率差和压差及其一阶导数，在有些情况下二阶导数的成分也是不可忽略的。所以作为自动准同步装置不论在精确捕捉同步时机方面，或者是在有效实施均频均压控制方面，都应严格地按计及偏差、偏差一阶导数及偏差二阶导数的运动微分方程求解，确保快速、精确地实现同步操作。快速性和精确性自然是自动准同步装置所追求的主要目标。微机型自动准同期装置与原模拟式准同期装置相比，在各项技术指标及功能上已生产了质的飞跃。微机型自动准同期装置的主要功能有:（1）能适应电压互感器（TV）的不同相别和电压值;（2）应有良好的均频均压控制品质;（3）能实现无逆功率并网;（4）确保在相差为零度时同步并网;（5）应不失时机地捕获第一次出现的同步时机;（6）应具备低压和高压闭锁功能;（7）应能及时消除同步过程中的同频状态;（8）能自动识别同频并网和差频并网两种模式;（9）具有接入发电厂或变电所监控系统的通信接口;（10）具有自动在线测量并列点断路器合闸回路的动作时间;（11）其他附加功能，如自动转角功能、复合同步表功能、相关电量的录波功能等。3.3 SID2C型微机同期控制器的工作原理3.3.1 差频并网合闸角的数学模型准同期的三个条件是压差、频差在允许值范围内时应在相角差为零时完成并网。压差和频差的存在将导致并网瞬间并列点两侧会出现一定无功功率和有功功率的交换，不论是发电机对系统，还是系统对系统并网，对这种功率交换都有相当承受力，因此，并网过程中为了实现快速并网，不必对压差和频差的整定值限制太严格。但并网时相角差的存在，将会导致机组的损伤，甚至会诱发后果更加严重的次同步谐振（扭振）。因此，一个好的同期装置应确保在相角差为零时完成并网操作。在差频并网时，特别是发电机对系统并网时，发电机组的转速在调速器的作用下不断变化，因此发电机对系统的频差不是常数，而是包含有一阶、二阶或更高阶的导数。加之并列点断路器还有一个固有的合闸时间tk，同期装置必须在零相差出现前的tk时发出合闸命令，才能确保在=0°时实现并网。或者说同期装置应在=0°到来前一个角度k发出合闸命令，k与断路器合闸时间tk、频差C、频差的一个阶导数及频差的二阶导数d2S/dt2等有关。基数学表成式为:k=C * tk + 1/2 * dC/dt * tk 2 + 1/6* d2c/dt2* tk 3+同期装置在并网过程中需不断快速求解该微分方程，获取当前的理想提前合闸角k，并不断快速测量当前并列点断路器两则的实际相角，当=k时装置发出合闸命令，实现精确的零相差并网。从上述可看出获得精确的断路器合闸时间tk（含中间断电器）是非常重要的，因此SID2C系列准同期控制器具有实测tk的功能。同时也不难看出计算机对k的计算和对的测量都不是连续进行的，而是离散进行的，从而使得我们不一定能恰好捕获k=的时机，这就会导致并网的快速性受到极大的影响。SID2C控制器用另一微分方程实现对合闸时机的预测，可靠实现了达到极值的并网速度。3.3.2均频均压的控制方式实现快速并网对满足系统负荷平衡及减少机组空转能耗有重要的意义。捕捉第一次出现的并网时机是实现快速并网的一项有效措施，而且良好的控制品质的算法实施均频与均压控制，促成频差与压差尽快达到给定值也是一项重要措施。SID2C控制器使用了模糊控制算法，其发达式为:U=g（E，C）式中: U控制量;E被控量对给定值的偏差;C被控量偏差的变化率;g模糊控制算法。模糊控制理论是依据模糊数学将获取的被控量偏差及其变化率作出模糊控制决策。下面表1模糊控制推理规则表可描述其本质。表模糊控制推理规则表表中将偏差E的模糊值分成正大到负大八档，将偏差变化率C的模糊值分成正大到负大七档，与它们对应的控制器发出的控制量U的模糊值就有56个，从正大到负大共七类值。以调频控制为例，如控制器测量的频差C=C-S（C、S分别为待并发电机及系统的角频率）为负大，而频差变化率dC/dt也是负大，则控制量U为零（表中右下角的值）。这表明尽管发电机较之系统频率很低，但当前发电机频率正以很高的速度向升高的方向变化，因此无需控制发电机频率就能恢复到正常值。然而，这些模糊控制量的值具体在控制过程中到底是多少呢？应该有个量化的环节，例如变成控制器发出控制信号的脉冲宽度和脉冲间隔。SID2C控制器是通过均频控制函数Kf和均压控制系统KV两个整定值来对控制量进行量化的，Kf及KV是在发电机运行过程中通过观察同期装置在纠正频差及压差的过程中所表现的
