同步發(fā)電機同期并網(wǎng)研究

　　摘要：同步發(fā)電機同期并網(wǎng)操作時電力系統(tǒng)運行中的一項基本操作，在相關(guān)項目實施過程中，對同步發(fā)電機同期并網(wǎng)過程、同期并網(wǎng)控制模式及算法進行研究和分析。

　　關(guān)鍵詞：同期并網(wǎng)，自動準(zhǔn)同期

　　1 概述

　　同步發(fā)電機同期并網(wǎng)操作時電力系統(tǒng)運行中的一項基本操作，要求發(fā)電機組與電網(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)電機平滑無沖擊的并入電力系統(tǒng)中，避免由于壓差、頻差或者相角差過大，造成合閘時發(fā)電機組繞組電流過大，對發(fā)電機[1]連軸系統(tǒng)造成沖擊，因此，通過同期并網(wǎng)操作，將發(fā)電機組安全、可靠、準(zhǔn)確快速的投入電網(wǎng)，從而保證系統(tǒng)可靠、安全運行及其重要。

　　2 同步發(fā)電機自動準(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磁電流的發(fā)電機的轉(zhuǎn)速升到接近電網(wǎng)頻率，滑差角頻率不超過允許值，且機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，接著合上勵磁開關(guān)，給轉(zhuǎn)子加上勵磁電流，在發(fā)電機電動勢增大過程中，由電力系統(tǒng)將并網(wǎng)的發(fā)電機組拉入同步運行。

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

　　2.2 自動準(zhǔn)同期系統(tǒng)構(gòu)成

　　自動準(zhǔn)同期裝置一般由三個控制單元組成：

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

　　(2)壓差控制單元:檢測機端電壓與系統(tǒng)電壓間的電壓差，當(dāng)壓差不滿足條件時，通過調(diào)節(jié)勵磁來調(diào)節(jié)機端電壓，使它與系統(tǒng)電壓之間的壓差小于允許值;

　　(3)合閘信號控制單元:當(dāng)發(fā)電機與系統(tǒng)間頻差和壓差都滿足并網(wǎng)條件時，選擇合適的時間發(fā)出合閘信號，使并網(wǎng)斷路器合閘時，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個條件:

　　(1)壓差應(yīng)在5%一10%以內(nèi);

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

　　(3)合閘并網(wǎng)時發(fā)電機與系統(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行并網(wǎng)會造成有功功率和無功功率的沖擊，也就是說在斷路器合閘瞬間，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，其所對應(yīng)的無功功率和有功功率也是很有限的，不會傷害發(fā)電機[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)磁場將產(chǎn)生一個電磁轉(zhuǎn)矩強迫發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸系的磁軸取向一致，這一拉入同步的過程使轉(zhuǎn)子軸系在極短時間內(nèi)在定子電磁轉(zhuǎn)矩作用下旋轉(zhuǎn)一個角度就加于定子的過程，因此相角差較大會對轉(zhuǎn)子軸系造成極大的傷害。

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

　　3 同步發(fā)電機自動準(zhǔn)同期設(shè)計

　　3.1 ORC系統(tǒng)概述

　　機組內(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))進入蒸發(fā)器，通過與熱源進行換熱蒸發(fā)至過熱汽態(tài)，驅(qū)動渦輪做功并帶動發(fā)電機發(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)泵進行增壓進入蒸發(fā)器，如此往復(fù)循環(huán)，形成閉環(huán)系統(tǒng)。

　　3.2 ORC發(fā)電機組并網(wǎng)流程

　　CT300機組控制系統(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、傳感器等組成。采用DCS控制系統(tǒng)作為中央控制系統(tǒng)，操作人員通過上位監(jiān)控計算機對整個控制系統(tǒng)進行監(jiān)控。

　　在系統(tǒng)處于轉(zhuǎn)速PID自動調(diào)節(jié)模式時[3]，同期并網(wǎng)模塊實時監(jiān)測同期并網(wǎng)使能信號，當(dāng)使能信號為ON時，依據(jù)當(dāng)前監(jiān)測發(fā)電機側(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，DCS控制系統(tǒng)中的同期并網(wǎng)程序模塊，在接收到該調(diào)速信號后，對目標(biāo)轉(zhuǎn)速進行實時調(diào)節(jié)，此時渦輪轉(zhuǎn)速的改變引起發(fā)電機轉(zhuǎn)速改變，并影響發(fā)電機側(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)過程。

　　4關(guān)鍵技術(shù)問題

　　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，通過對渦輪轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)完成并網(wǎng)過程。由于系統(tǒng)渦輪轉(zhuǎn)速PID控制模塊包括手動模式[4]，自動模式、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)手自動無擾切換

　　該控制功能包括兩種狀態(tài)：1.手動控制閥門開度;2.根據(jù)轉(zhuǎn)速自動調(diào)節(jié)閥門開度，在手動切換自動，或者自動切換手動狀態(tài)時需要保證閥門開度均為前一狀態(tài)的最后輸出值。

　　(2)轉(zhuǎn)速超限保護功能

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

　　(3)設(shè)定值限值保護

　　當(dāng)設(shè)定值與反饋值的差值大于某一定值時，操作員無法進行自動調(diào)速功能。

　　(4)反饋值保護功能

　　轉(zhuǎn)速反饋值必須大于某一定值時，操作員才能進行手動自動切換，該功能是進行同期并網(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)過程分析

　　同期并網(wǎng)柜判斷并下發(fā)合閘指令后，發(fā)電機完成同期并網(wǎng)過程，之后發(fā)電機側(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)的波動對渦輪轉(zhuǎn)速均會產(chǎn)生影響，由圖3可以看出轉(zhuǎn)速曲線波動比較大，正是由于無法精準(zhǔn)的控制渦輪轉(zhuǎn)速，導(dǎo)致同期并網(wǎng)模塊在下發(fā)增速減速指令時會對渦輪轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制產(chǎn)生影響，加大了系統(tǒng)波動，因此，增速及減速系數(shù)需做相應(yīng)調(diào)整，在實際調(diào)試過程中采用每個掃描周期的0.1%較為合適，增速減速相對平穩(wěn)[6]。

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

　　電工論文投稿刊物：《電工技術(shù)》是國家級科技部主管的電工論文投稿期刊，報道電力電子、自動化、中低壓電器等方面的科研成果和自動化理論的前沿應(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、實用。

　　5結(jié)論

　　該項目的發(fā)電方式?jīng)Q定了該系統(tǒng)同期并網(wǎng)過程控制邏輯較為復(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，最終通過同期并網(wǎng)模塊及DCS控制系統(tǒng)實現(xiàn)了自動準(zhǔn)同期并網(wǎng)，驗證了該控制模式的可行性，對后續(xù)項目提供了寶貴的經(jīng)驗。

　　參考文獻

　　[1]電機學(xué)，閻治安，崔新藝.西安交通大學(xué)出版社.2005.

　　[2]陳世坤.電機設(shè)計.北京：機械工業(yè)出版社，2004.

　　[3]崔佳.西門子7UM62中的失磁保護原理及調(diào)試分析[J].科技傳播,2014,4:167-168.

　　[4]任保瑞.發(fā)電機低勵限制和失磁保護的參數(shù)配合分析[J].電工技術(shù),2013(8):10-11.

　　[5]張春林.發(fā)電機失磁保護的探討[J].電工技術(shù),2012(5):13-14.

　　[6]高利孝,張海瑞.基于實測功角加速判據(jù)的發(fā)電機失磁保護配置研究[J].電工技術(shù),2012(12):60-61.

　　作者：馬 東，彭中偉

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