《电力系统自动控制》课程教学资源（教案讲义）第一章 同步发电机的同步并列

第一章发电机的自动并列 第一节概述 并列操作的意义 电力系统运行中,任一母线电压瞬时值可表示为 u=Um Sin(ot +o) 式中 电压幅值 电压的角速度 初相角 同步发电机组并列时遵循如下的原则: (1)并列断路器合闸时,冲击电流应尽可 能的 小,其瞬时最大值一般不超过1~2倍的额定电 流 (2)发电机组并入电网后,应能迅速进 入同步运行状态,其暂态过程要短,以减少对 图1-1准同期并列 力系统的扰动。 (a)电路示意:(b)相量图:(c)等值电路 方法两种:准同期并列(一般采用)、自同期并列。 准同期并列 待并发电机组加励磁电流,其端电压UG,调节UG的状态参数使之符合并列 条件

1 第一章 发电机的自动并列 第一节 概 述 一、并列操作的意义 电力系统运行中，任一母线电压瞬时值可表示为 u  Umsin(t ) 式中 U m——电压幅值  ——电压的角速度  ——初相角 同步发电机组并列时遵循如下的原则： （1）并列断路器合闸时，冲击电流应尽可 能 的 小，其瞬时最大值一般不超过１～２倍的额定电 流。 （2）发电机组并入电网后，应能迅速进 入同步运行状态，其暂态过程要短，以减少对电 力系统的扰动。 方法两种: 准同期并列（一般采用）、自同期并列。 二、准同期并列 待并发电机组加励磁电流，其端电压 U G，调节 U G 的状态参数使之符合并列 条件。 图 1-1 准同期并列 (a)电路示意；(b)相量图；(c)等值电路 U x  (b) U G  x  G  e U s  o (a) UG  U x  DL × G U s  X G EG  E x  X x U G  DL U x  (c)

1.设发电机电压UG的角速度为,电网电压Ux的角速度为o,它们间 的相量差UG-Ux为Us 要求DL合闸瞬间的Us应尽可能的小,其最大值应使冲击电流不超过 允许值。最理想的情况是U的值为零。 3.并且希望并列后能顺利进入同步运行状态,对电网无任何扰动 4.理想条件为UG,Ux的三个状态量全部相等。 ∫x,频率相等,(a 2 丌j,O 2m/x) 2)UG=Ux,即电压幅值相等 (3)δ。=0,即相角差为零 这时并列合闸的冲击电流等于零,并且并列后发电机G与电网立即进入同步 运行,不发生任何扰动现象。 5.三个条件很难同时满足。 (一)电压幅值差 并列时:①频率fG=f,; ②相角差δ等于零; ③电压幅值不等: Ik 则冲击电流最大值为 图12准同期条件分析(a)b=0:(b)δ.≠0 1!2(G-U/x)2.55 hmax 式中UG、U-—发电机电压、电网电压有效值; 发电机直轴次暂态电抗

2 1． 设发电机电压 U G 的角速度为 G ，电网电压 U x的角速度为 x，它们间 的相量差 U G— U x为 U s。 2． 要求 DL 合闸瞬间的 U s应尽可能的小，其最大值应使冲击电流不超过 允许值。最理想的情况是 U s的值为零。 3． 并且希望并列后能顺利进入同步运行状态，对电网无任何扰动。 4． 理想条件为 U G， U x的三个状态量全部相等。            （ ） ，即相角差为零 （ ） 即电压幅值相等 频率相等 3 0 2 , (1) , , 2 , 2 e G X G X G G X X U U f f f f      这时并列合闸的冲击电流等于零，并且并列后发电机 G 与电网立即进入同步 运行，不发生任何扰动现象。 5．三个条件很难同时满足。 （一）电压幅值差 并列时：①频率 f G = f x； ②相角差 e 等于零； ③电压幅值不等： 则冲击电流最大值为：   ''d s ''d '' G x h max X . U X . U U i 1 8 2 2 55     式中 U G 、U x——发电机电压、电网电压有效值； X d " ——发电机直轴次暂态电抗 图 1-2 准同期条件分析 (a) e =0；(b)  e ≠0 U x  U G  (b)  I h  e U s  ( a )  I h U G  U x  U s 

从图1-2(a)可见,因为h1max与Uc夹角为90,所以由电压幅值差 产生的冲击电流主要为无功冲击电流 冲击电流的电动力对发电机绕组产生影响,由于定子绕组端部的机械强 度最弱,所以须特别注意对它所造成的危害。由于并列操作为正常运行操作, 冲击电流最大瞬时值限制在1~2倍额定电流以下为宜。为了保证机组的安 全,我国曾规定压差冲击并列电流不允许超过机端短路电流的二十分之一到 十分之一。据此,得到准同期并列的一个条件为:电压差ΔU不能超过额定 电压的5~10%。现在一些巨型发电机组更规定在0.1%以下,即希望尽量 避免无功冲击电流。 (二)合闸相角差 并列合闸时:①发电机频率f。等于电网频率f2; ②发电机电压幅值UG等于电网电压幅值U ③相角差δ。不为零。 则冲击电流的最大值为 2.55U7 x2 cine h- max 式中U,-—系统电压有效值; 发电机交轴次暂态电抗。 从图1-2(b)可见,当相角差较小时,因为与UG的夹角为0, 所以由电压相角差产生的冲击电流主要为有功冲击电流 (三)频率不相等

3 从图 1-2（a）可见，因为 max  h i 与UG  夹角为 90 º，所以由电压幅值差 产生的冲击电流主要为无功冲击电流。 冲击电流的电动力对发电机绕组产生影响，由于定子绕组端部的机械强 度最弱，所以须特别注意对它所造成的危害。由于并列操作为正常运行操作， 冲击电流最大瞬时值限制在 1～2 倍额定电流以下为宜。为了保证机组的安 全，我国曾规定压差冲击并列电流不允许超过机端短路电流的二十分之一到 十分之一。据此，得到准同期并列的一个条件为：电压差U 不能超过额定 电压的 5～10％。现在一些巨型发电机组更规定在 0.1％以下，即希望尽量 避免无功冲击电流。 （二）合闸相角差 并列合闸时：①发电机频率 f G 等于电网频率 f x； ②发电机电压幅值U G 等于电网电压幅值U x； ③相角差 e 不为零。 则冲击电流的最大值为 2 2 2 55 e ''q '' x h max sin X . U i     式中 U x ——系统电压有效值； '' X q ——发电机交轴次暂态电抗。 从图 1-2（b）可见，当相角差较小时，因为 max  h i 与UG  的夹角为 0 º， 所以由电压相角差产生的冲击电流主要为有功冲击电流。 （三）频率不相等

1.频差、滑差、滑差周期 频差∫。 fs=fG-f 电角速度之差称为滑差角速度,简称滑差,用o,表 小: 图1-3滑差电压原理图 很显然,ω,是有正负值的,其方向与所规定的参考 矢量有关。图1-3中,以系统电压Ux为参考矢量,于是0G>0x时,o,>0 当o<o,时,o,<0。反之,若以U。为参考矢量,则a,的方向恰好相反 滑差周期为T 可见频差∫,滑差o与滑差周期r是可以相互 转换的,它们都是描述两电压矢量相对运动快慢的一组数据。 可见频差∫,滑差ω,和滑差周期r,都可以用来确定地表示待并发电机 与系统之间频率差的大小。滑差大,则滑差周期短;滑差小,则滑差周期长。 在有滑差的情况下,将机组投入电网,需要经过一段加速或减速的过程,才 能使机组与系统在频率上“同步”。加速或减速力矩会对机组造成冲击。显 然,滑差越大,并列时的冲击就越大,因而应该严格限制并列时的允许滑差。 我国在发电厂进行正常人工手动并列操作 时,一般取滑差周期在10~16s之间 发电机状态 状态 2.频率不相等对待并发电机组暂态过 程的影响 图1-4为待并发电机组进入同步运行的 图1-4并列的同步过程分析

4 1. 频差、滑差、滑差周期 频差 f s： f f f s G x   电角速度之差称为滑差角速度，简称滑差，用s 表 示： s  G x 很显然，s 是有正负值的，其方向与所规定的参考 矢量有关。图 1-3 中，以系统电压U x  为参考矢量，于是 G  x 时，s >0， 当 G   x 时，s  0。反之，若以  UG 为参考矢量，则s 的方向恰好相反。 滑差周期为 s s s f T 2 1     ，可见频差 f s ，滑差s 与滑差周期Ts是可以相互 转换的，它们都是描述两电压矢量相对运动快慢的一组数据。 可见频差 f s ，滑差s 和滑差周期T s 都可以用来确定地表示待并发电机 与系统之间频率差的大小。滑差大，则滑差周期短；滑差小，则滑差周期长。 在有滑差的情况下，将机组投入电网，需要经过一段加速或减速的过程，才 能使机组与系统在频率上“同步”。加速或减速力矩会对机组造成冲击。显 然，滑差越大，并列时的冲击就越大，因而应该严格限制并列时的允许滑差。 我国在发电厂进行正常人工手动并列操作 时，一般取滑差周期在 10～16s 之间。 2. 频率不相等对待并发电机组暂态过 程的影响 图 1-4 为待并发电机组进入同步运行的 图 1-3 滑差电压原理图 U G  U x   e  s  0  s  0 图 1-4 并列的同步过程分析 o a b  s  s  eo   so c 发电机状态 状态 电动机 O  eb  (a) (b) P

暂态过程示意图 众所周知,当发电机组与电网间进行有功功率交换时,如果发电机的电 压U。超前电网电压U,发电机发出功率,则发电机将制动而减速。反之, 当U。落后U时,发电机吸收功率,则发电机将加速。所以交换功率的方向 与相角差δ。的正负有关。 下面定义发电机发出功率为“发电机状态”;发电机吸收功率为“电动 机状态”。现设原动机的输入功率恒定不变,又o。大于m,;令合闸时的相角 差为δa。,此时的滑差角速度为a,(图中a点),并为超前情况。可见合闸 后发电机处于“发电机状态”而受到制动。发出功率沿功角特性到达b点时 o等于o;这时达到最大,由于发电机仍处于“发电机状态”,所以o开 始减小,所以δ也逐渐减小,发电机功率沿特性曲线往回摆动到达坐标原点 时,因o。小于o而使相角差δ。开始变负,交换功率变负,发电机组处于“电 动机状态”又重新加速;交换功率沿特性曲线变动直到o等于o,图中的C 点,相角差δ又往反方向运动。这样来回摆动由于阻尼等因素直到进入同步 运行时为止 显然,进入同步状态的暂态过程与合闸时滑差角速度oo0的大小有关 当a较小时,到达最大相角b点时的S较小,可以很快进入同步运行。当o0 较大时,如图1-4所示,则需经历较长时间振荡才能进入同步运行(如果o 很大,b点超出180°,则将导致失步)。所以滑差大暂态过程长,滑差小暂态 过程短

5 暂态过程示意图。 众所周知，当发电机组与电网间进行有功功率交换时，如果发电机的电 压  UG 超前电网电压  U x ，发电机发出功率，则发电机将制动而减速。反之， 当  UG 落后  U x 时，发电机吸收功率，则发电机将加速。所以交换功率的方向 与相角差 e 的正负有关。 下面定义发电机发出功率为“发电机状态”；发电机吸收功率为“电动 机状态”。现设原动机的输入功率恒定不变，又 G 大于x；令合闸时的相角 差为 e0 ，此时的滑差角速度为s0（图中 a 点），并为超前情况。可见合闸 后发电机处于“发电机状态”而受到制动。发出功率沿功角特性到达 b 点时  G 等于x ；这时 e 达到最大，由于发电机仍处于“发电机状态”，所以 G 开 始减小，所以 e 也逐渐减小，发电机功率沿特性曲线往回摆动到达坐标原点 时，因 G 小于x而使相角差 e 开始变负，交换功率变负，发电机组处于“电 动机状态”又重新加速；交换功率沿特性曲线变动直到 G 等于x 图中的 C 点，相角差 e 又往反方向运动。这样来回摆动由于阻尼等因素直到进入同步 运行时为止。 显然，进入同步状态的暂态过程与合闸时滑差角速度s0的大小有关。 当s0较小时，到达最大相角 b 点时的 eb 较小，可以很快进入同步运行。当s0 较大时，如图 1-4 所示，则需经历较长时间振荡才能进入同步运行（如果s0 很大，b 点超出180 ，则将导致失步）。所以滑差大暂态过程长，滑差小暂态 过程短

三、自同期并列 自同期并列操作是将一台未加励磁电流的发电机组升速到接近于电网 频率,滑差角速度ω,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DL接着立刻合上励磁开关Kg,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 自同期并列最突出优点是控制操作非常简单,限于当时控制技术水平, 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,所以曾一度广泛应用于水轮发电机组,作为处理系 统事故的重要措施之一。 自同期并列方式不能用于两个系统间的并列操作。同时应该看到当发电 机用自同期方式投入电网时,在投入瞬间,未经励磁的发电机接入电网,相 当于电网经发电机次暂态电抗x短路,因而不可避免地要引起冲击电流。 当机组一定时,自同期并列的冲击电流主要决定于系统的情况,即决定 于系统电压U和系统电抗x2。自同期时发电机的端电压值UG与冲击电流成 正比。 另外,必须指出: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,为此也需受到限制,所以自同期并列方法现已很少采用。 第二节准同期并列的基本原理 在满足并列条件的情况下,采用准同期并列方法将待并发电机组投入电 网运行,前已述及只要控制得当就可使冲击电流很小且对电网扰动甚微。因

6 三、自同期并列 自同期并列操作是将一台未加励磁电流的发电机组升速到接近于电网 频率，滑差角速度s 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 DL 接着立刻合上励磁开关KE ，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。 自同期并列最突出优点是控制操作非常简单，限于当时控制技术水平， 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，所以曾一度广泛应用于水轮发电机组，作为处理系 统事故的重要措施之一。 自同期并列方式不能用于两个系统间的并列操作。同时应该看到当发电 机用自同期方式投入电网时，在投入瞬间，未经励磁的发电机接入电网，相 当于电网经发电机次暂态电抗 X d " 短路，因而不可避免地要引起冲击电流。 当机组一定时，自同期并列的冲击电流主要决定于系统的情况，即决定 于系统电压U x和系统电抗 X x 。自同期时发电机的端电压值UG与冲击电流成 正比。 另外，必须指出：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，为此也需受到限制，所以自同期并列方法现已很少采用。 第二节 准同期并列的基本原理 在满足并列条件的情况下，采用准同期并列方法将待并发电机组投入电 网运行，前已述及只要控制得当就可使冲击电流很小且对电网扰动甚微。因

此准同期并列是电力系统运行中的主要并列方式 设并列断路器DL两侧电压分别为U。和Ux;并列断路器DL主触头闭 合瞬间所出现的冲击电流值以及进入同步运行的暂态过程,决定于合闸时的 脉动电压U,和滑差角速度o,。因此,淮同期并列主要对脉动电压U,和滑差 角速度ω,进行检测和控制,并选择合适的时间发出合闸信号,使合闸瞬间的 U,值在允许值以内。检测的信息也就取自DL两侧的电压,而且主要是对U 进行检测并提取信息。现对脉动电压的变化规律进行分析。 脉动电压 (一)U。与U两电压幅值相等 为便于分析问题,设待并发电机电压U与电网电压U的幅值相等,而 oG与o不等,因此U。与U,是作相对运动的两个电压相量。这时断路器DL 两侧间电压差u为 ul,=UG sin(oGt+,)-Ursin(o, [+P, 设初始角g1=g2=0,并应用和差化积公式得 2UG t Icos OG tOx (1-5) 令U=2 basin(m-On为脉动电压的幅值,则 OG t Ox U (1-6) 由(1-6)式可知u波形可以看成是幅值为U,、频率接近于工频的交流 电压波形。 又ω,=oa-o,为滑差角速度。两电压相量间的相角差为

7 此准同期并列是电力系统运行中的主要并列方式。 设并列断路器 DL 两侧电压分别为  UG 和  U x ；并列断路器 DL 主触头闭 合瞬间所出现的冲击电流值以及进入同步运行的暂态过程，决定于合闸时的 脉动电压  Us 和滑差角速度s 。因此，准同期并列主要对脉动电压  Us 和滑差 角速度s 进行检测和控制，并选择合适的时间发出合闸信号，使合闸瞬间的  Us 值在允许值以内。检测的信息也就取自 DL 两侧的电压，而且主要是对  Us 进行检测并提取信息。现对脉动电压的变化规律进行分析。 一、 脉动电压 （一）  UG 与  U x 两电压幅值相等 为便于分析问题，设待并发电机电压  UG 与电网电压  U x 的幅值相等，而  G 与x不等，因此  UG 与  U x 是作相对运动的两个电压相量。这时断路器 DL 两侧间电压差us为       1 2 us  UG sin G t  U x sin x t  设初始角1＝ 2＝０，并应用和差化积公式得：               u  U t t G x G x s G 2 cos 2 2 sin     （1-5） 令        U  U t G x s G 2 2 sin   为脉动电压的幅值，则        u  U t G x s s 2 cos   （1-6） 由（1-6）式可知us波形可以看成是幅值为U s 、频率接近于工频的交流 电压波形。 又s   G x ，为滑差角速度。两电压相量间的相角差为

δe (1-7) 于是 MMMAAAMO 图1-5脉动电压 (a)相量图(b)波形图 由此可见,m为正弦脉动电压,其最大幅值为2U。(或2Un)。U,的相量 图及其瞬时值波形如图1-5(a)、(b)所示。如用相量分析,则可设想系统 电压U固定,而待并发电机的电压U。以滑差角速度a,对U转动。当相角差

8 t  e   s （1-7） 于是 2 2 2 2 2 2 e x e G s s s U sin U sin t U U sin       （1-8） 由此可见，us为正弦脉动电压，其最大幅值为2UG（或2U x）。  Us 的相量 图及其瞬时值波形如图 1-5（a）、（b）所示。如用相量分析，则可设想系统 电压  U x 固定，而待并发电机的电压  UG 以滑差角速度s 对  U x 转动。当相角差 图 1-5 脉动电压 （a）相量图（b）波形图  G ( t )  x   2  i  j U x  x U s  U G   e ( Gt )   1 (a) Us 2 t t us ux uG uso o Ts (b)

δ从0到变动时,U,的幅值相应地从零变到最大值2UG;当δ。从n到2(重 合)变动时,U,的幅值又从最大值回到零。转动一圈的时间为脉动周期7,。 (二)U。与U,两电压幅值不相等 如果并列断路器DL两侧的电压幅值不相等,由图1-1(b)的相量图 应用三角公式可求得U,的值为 +UG-2U,UG coso,t (1-9) 当o=0时,U,=Ua-U为两电压幅值差; 当an=z时,U,=Ua+U为两电压幅值和 两电压幅值U,不等时电压波形如图1-7所示,由于脉动周期r,只与o,有 关,所以图1-7中的脉动电压周期,表达得与图1-6相同。 图1-6UG=U,时U,的波形 UG+U 图1-7UG与Ux不等时U,的波形

9  e 从０到 变动时，  Us 的幅值相应地从零变到最大值2UG；当 e 从 到2 (重 合)变动时，  Us 的幅值又从最大值回到零。转动一圈的时间为脉动周期T s 。 （二）  UG 与  U x 两电压幅值不相等 如果并列断路器 DL 两侧的电压幅值不相等，由图 1-1（b）的相量图； 应用三角公式可求得U s的值为 U U U U U t s x G 2 x G coss 2 2    （1-9） 当st  0时，U s  UG U x 为两电压幅值差； 当st   时，U s  UG U x为两电压幅值和。 两电压幅值U s不等时电压波形如图 1-7 所示，由于脉动周期T s 只与s 有 关，所以图 1-7 中的脉动电压周期T s 表达得与图 1-6 相同。 UG  Ux 图 1-6 UG =U x 时Us的波形 o U S s1 s2 t T s1 T s2 图 1-7 UG 与U x 不等时Us 的波形 t UG  Ux s1 U s2 S o T T s2 s1

(三)利用脉动电压u,检测准同期并列的条件 图1-6和图1-7表明在脉动电压u的波形中载有准同期并列所需检测的所 有信息一—电压幅值差、频率差以及相角差随时间的变化规律。因而可以利 用它为自动并列装置提供并列条件的信息以及选择合适的合闸信号发出时 间。脉动电压u,有时也称作滑差电压 、电压幅值差 电压幅值差G-U为对应于脉动电压U,波形的最小幅值,由图1-7得 -U 通过对Uxm的测量,就可判断U。与Ux间的电压幅值差是否超出允许值。 2、频率差 UG与U2间的频率差就是脉动电压U,的频率f,,它与滑差角速度o,的关 系如下式所示: 2丌∫ 可见o反映了频率差∫的大小。要求o,小于某一允许值,就相当于要求 脉动电压周期r,大于某一个给定值 例如,设滑差角速度的允许值小于0.2%,即 On≤0.2× ≤0.2r(rad

10 （三）利用脉动电压us检测准同期并列的条件 图1-6和图1-7表明在脉动电压us的波形中载有准同期并列所需检测的所 有信息——电压幅值差、频率差以及相角差随时间的变化规律。因而可以利 用它为自动并列装置提供并列条件的信息以及选择合适的合闸信号发出时 间。脉动电压us有时也称作滑差电压。 1、电压幅值差 电压幅值差 UG U x 为对应于脉动电压  Us 波形的最小幅值，由图 1-7 得 U s min  UG U x 通过对U s min的测量，就可判断  UG 与  U x 间的电压幅值差是否超出允许值。 2、频率差  UG 与  U x 间的频率差就是脉动电压  Us 的频率 f s ，它与滑差角速度s 的关 系如下式所示： f s s   2 可见s 反映了频率差 f s 的大小。要求s 小于某一允许值，就相当于要求 脉动电压周期T s 大于某一个给定值。 例如，设滑差角速度的允许值sy 小于 0.2％，即 100 2 0.2 f e sy      0.2 （rad/s）