同步發(fā)電機(jī)同期并網(wǎng)研究

　　摘要：同步發(fā)電機(jī)同期并網(wǎng)操作時(shí)電力系統(tǒng)運(yùn)行中的一項(xiàng)基本操作，在相關(guān)項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，對(duì)同步發(fā)電機(jī)同期并網(wǎng)過(guò)程、同期并網(wǎng)控制模式及算法進(jìn)行研究和分析。

　　關(guān)鍵詞：同期并網(wǎng)，自動(dòng)準(zhǔn)同期

　　1 概述

　　同步發(fā)電機(jī)同期并網(wǎng)操作時(shí)電力系統(tǒng)運(yùn)行中的一項(xiàng)基本操作，要求發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)，在壓差，頻差允許條件下，在相角差接近于零或者控制在允許范圍內(nèi)，使發(fā)電機(jī)平滑無(wú)沖擊的并入電力系統(tǒng)中，避免由于壓差、頻差或者相角差過(guò)大，造成合閘時(shí)發(fā)電機(jī)組繞組電流過(guò)大，對(duì)發(fā)電機(jī)[1]連軸系統(tǒng)造成沖擊，因此，通過(guò)同期并網(wǎng)操作，將發(fā)電機(jī)組安全、可靠、準(zhǔn)確快速的投入電網(wǎng)，從而保證系統(tǒng)可靠、安全運(yùn)行及其重要。

　　2 同步發(fā)電機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期的條件及原理

　　2.1 同期方式

　　電力系統(tǒng)中，同期方式可分為自同期和準(zhǔn)同期兩種。

　　自同期方式是將未加勵(lì)磁電流的發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速升到接近電網(wǎng)頻率，滑差角頻率不超過(guò)允許值，且機(jī)組的加速度小于某一給定值的條件下，首先合上并網(wǎng)斷路器，接著合上勵(lì)磁開(kāi)關(guān)，給轉(zhuǎn)子加上勵(lì)磁電流，在發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢(shì)增大過(guò)程中，由電力系統(tǒng)將并網(wǎng)的發(fā)電機(jī)組拉入同步運(yùn)行。

　　準(zhǔn)同期方式是將待并發(fā)電機(jī)在投入系統(tǒng)前通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)速器和勵(lì)磁裝置，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速，使機(jī)端電壓接近系統(tǒng)電壓，在頻差、壓差滿足給定條件時(shí)，選擇在零相角差到來(lái)前的合適時(shí)刻合上斷路器，斷路器觸點(diǎn)閉合瞬間引起的電流小于允許值，發(fā)電機(jī)迅速被拉入同步運(yùn)行。

　　2.2 自動(dòng)準(zhǔn)同期系統(tǒng)構(gòu)成

　　自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置一般由三個(gè)控制單元組成：

　　(1)頻差控制單元:檢測(cè)機(jī)端電壓與系統(tǒng)電壓間滑差角頻率，當(dāng)頻差不滿足條件時(shí)，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使兩端電壓接近;

　　(2)壓差控制單元:檢測(cè)機(jī)端電壓與系統(tǒng)電壓間的電壓差，當(dāng)壓差不滿足條件時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)端電壓，使它與系統(tǒng)電壓之間的壓差小于允許值;

　　(3)合閘信號(hào)控制單元:當(dāng)發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)間頻差和壓差都滿足并網(wǎng)條件時(shí)，選擇合適的時(shí)間發(fā)出合閘信號(hào)，使并網(wǎng)斷路器合閘時(shí)，相角差接近于零或控制在允許范圍內(nèi)。

　　2.3并網(wǎng)條件及分析

　　準(zhǔn)同期并網(wǎng)要求在合閘之前應(yīng)滿足以下3個(gè)條件:

　　(1)壓差應(yīng)在5%一10%以內(nèi);

　　(2)頻差應(yīng)在不超過(guò)0.2%一0.5%，即0.1一0.25Hz;

　　(3)合閘并網(wǎng)時(shí)發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)的相角差接近于零或控制在允許范圍內(nèi)。

　　在兩電源間存在電壓差和頻率差的情況下進(jìn)行并網(wǎng)會(huì)造成有功功率和無(wú)功功率的沖擊，也就是說(shuō)在斷路器合閘瞬間，電壓高一側(cè)向電壓低一側(cè)輸送一定數(shù)量的無(wú)功功率，頻率高一側(cè)向頻率低一側(cè)輸送一定數(shù)量的有功功率;但在發(fā)電機(jī)空載的情況下，即使存在較大的電壓差和較大的頻率差，其所對(duì)應(yīng)的無(wú)功功率和有功功率也是很有限的，不會(huì)傷害發(fā)電機(jī)[2]。

　　但是，在具有相角差的情況下并網(wǎng)的后果就完全不同了。在斷路器合閘瞬間，系統(tǒng)電壓施加在發(fā)電機(jī)定子上，其產(chǎn)生的由三相電流合成的以角速度旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)將產(chǎn)生一個(gè)電磁轉(zhuǎn)矩強(qiáng)迫發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸系的磁軸取向一致，這一拉入同步的過(guò)程使轉(zhuǎn)子軸系在極短時(shí)間內(nèi)在定子電磁轉(zhuǎn)矩作用下旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度就加于定子的過(guò)程，因此相角差較大會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子軸系造成極大的傷害。

　　設(shè)并網(wǎng)合閘時(shí)，合閘瞬間存在相角差，同期并網(wǎng)時(shí)沖擊電流的有效值為:當(dāng)相角差較小時(shí)，這種沖擊電流主要為有功電流分量，說(shuō)明合閘后發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)間立刻進(jìn)行有功功率交換，使機(jī)組聯(lián)軸受到突然沖擊，為保證機(jī)組安全運(yùn)行，一般將有功沖擊電流限制在較小數(shù)值。

　　3 同步發(fā)電機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期設(shè)計(jì)

　　3.1 ORC系統(tǒng)概述

　　機(jī)組內(nèi)循環(huán)(ORC)工作原理為：經(jīng)工質(zhì)泵增壓后的工質(zhì)(液態(tài))進(jìn)入蒸發(fā)器，通過(guò)與熱源進(jìn)行換熱蒸發(fā)至過(guò)熱汽態(tài)，驅(qū)動(dòng)渦輪做功并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，做功后的乏汽排至冷凝器，凝結(jié)后的液態(tài)工質(zhì)再次由工質(zhì)泵進(jìn)行增壓進(jìn)入蒸發(fā)器，如此往復(fù)循環(huán)，形成閉環(huán)系統(tǒng)。

　　3.2 ORC發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)流程

　　CT300機(jī)組控制系統(tǒng)由DCS控制系統(tǒng)、密封油泵控制柜、油站控制柜、變頻控制柜、并網(wǎng)控制柜、加熱器控制柜、減溫減壓器控制柜、閥門(mén)、傳感器等組成。采用DCS控制系統(tǒng)作為中央控制系統(tǒng)，操作人員通過(guò)上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。

　　在系統(tǒng)處于轉(zhuǎn)速PID自動(dòng)調(diào)節(jié)模式時(shí)[3]，同期并網(wǎng)模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)同期并網(wǎng)使能信號(hào)，當(dāng)使能信號(hào)為ON時(shí)，依據(jù)當(dāng)前監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)側(cè)與電網(wǎng)側(cè)的頻率、電壓、相位，給出升壓、降壓、升速、降速信號(hào)，DCS控制系統(tǒng)中的同期并網(wǎng)程序模塊，在接收到該調(diào)速信號(hào)后，對(duì)目標(biāo)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，此時(shí)渦輪轉(zhuǎn)速的改變引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速改變，并影響發(fā)電機(jī)側(cè)電能的頻率、電壓、相位，同期并網(wǎng)模塊判斷當(dāng)前狀態(tài)并下發(fā)合閘指令，完成同期并網(wǎng)過(guò)程。

　　4關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

　　4.1渦輪轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制功能

　　在接收到同期并網(wǎng)使能信號(hào)后，同期并網(wǎng)程序模塊介入到系統(tǒng)渦輪轉(zhuǎn)速PID控制模塊中，通過(guò)對(duì)渦輪轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)完成并網(wǎng)過(guò)程。由于系統(tǒng)渦輪轉(zhuǎn)速PID控制模塊包括手動(dòng)模式[4]，自動(dòng)模式、禁止模式，且在系統(tǒng)工藝3。

　　渦輪轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制功能包括：

　　(1)手自動(dòng)無(wú)擾切換

　　該控制功能包括兩種狀態(tài)：1.手動(dòng)控制閥門(mén)開(kāi)度;2.根據(jù)轉(zhuǎn)速自動(dòng)調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度，在手動(dòng)切換自動(dòng)，或者自動(dòng)切換手動(dòng)狀態(tài)時(shí)需要保證閥門(mén)開(kāi)度均為前一狀態(tài)的最后輸出值。

　　(2)轉(zhuǎn)速超限保護(hù)功能

　　在轉(zhuǎn)速超過(guò)某一定值時(shí)，關(guān)閉渦輪調(diào)節(jié)閥，并實(shí)現(xiàn)控制鎖定，等待操作員進(jìn)行復(fù)位控制。

　　(3)設(shè)定值限值保護(hù)

　　當(dāng)設(shè)定值與反饋值的差值大于某一定值時(shí)，操作員無(wú)法進(jìn)行自動(dòng)調(diào)速功能。

　　(4)反饋值保護(hù)功能

　　轉(zhuǎn)速反饋值必須大于某一定值時(shí)，操作員才能進(jìn)行手動(dòng)自動(dòng)切換，該功能是進(jìn)行同期并網(wǎng)功能的前提條件。

　　(5)同期并網(wǎng)調(diào)速功能

　　4.2同期并網(wǎng)過(guò)程分析

　　同期并網(wǎng)柜判斷并下發(fā)合閘指令后，發(fā)電機(jī)完成同期并網(wǎng)過(guò)程，之后發(fā)電機(jī)側(cè)與系統(tǒng)電網(wǎng)側(cè)的電壓、頻率、相位相同，此后系統(tǒng)將處于功率調(diào)節(jié)模式[5]。

　　工藝狀態(tài)的波動(dòng)對(duì)渦輪轉(zhuǎn)速均會(huì)產(chǎn)生影響，由圖3可以看出轉(zhuǎn)速曲線波動(dòng)比較大，正是由于無(wú)法精準(zhǔn)的控制渦輪轉(zhuǎn)速，導(dǎo)致同期并網(wǎng)模塊在下發(fā)增速減速指令時(shí)會(huì)對(duì)渦輪轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制產(chǎn)生影響，加大了系統(tǒng)波動(dòng)，因此，增速及減速系數(shù)需做相應(yīng)調(diào)整，在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中采用每個(gè)掃描周期的0.1%較為合適，增速減速相對(duì)平穩(wěn)[6]。

　　在合閘指令下發(fā)之前頻率曲線的波動(dòng)并不規(guī)則，但是在系統(tǒng)合閘之前，頻率波動(dòng)周期變長(zhǎng)，設(shè)置合適的增減速系數(shù)可以促進(jìn)系統(tǒng)同期并網(wǎng)的順利完成。

　　電工論文投稿刊物：《電工技術(shù)》是國(guó)家級(jí)科技部主管的電工論文投稿期刊，報(bào)道電力電子、自動(dòng)化、中低壓電器等方面的科研成果和自動(dòng)化理論的前沿應(yīng)用技術(shù)。雜志在持續(xù)發(fā)行當(dāng)中，關(guān)注創(chuàng)新、提高、實(shí)用。

　　5結(jié)論

　　該項(xiàng)目的發(fā)電方式?jīng)Q定了該系統(tǒng)同期并網(wǎng)過(guò)程控制邏輯較為復(fù)雜，還需保證系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)速功能的穩(wěn)定性及可靠性，最終通過(guò)同期并網(wǎng)模塊及DCS控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)準(zhǔn)同期并網(wǎng)，驗(yàn)證了該控制模式的可行性，對(duì)后續(xù)項(xiàng)目提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

　　參考文獻(xiàn)

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　　作者：馬 東，彭中偉

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