《电力系统自动化》课程教学资源（讲义）第2章发电厂自动化.pdf_大学文库

第2章发电厂自动化2.1概述2.1.1“电厂自动化”名称的由来自动化是指采用检测与控制系统，对生产过程进行生产作业，代替人工直接操作的措施。对于火电厂是热力生产过程与电力发供电过程控制的总称，在一些国家中称“仪表与控制”instrumentandcontrol，简称I&C)。20世纪90年代，原来仅限于热力生产过程的热工自动化逐步转变到包括发电机变压器组在内的发供电过程的检测与控制，故而改称“电厂自动化”，它包括火电、水电、核电厂等的自动化。发电厂自动化包括发电厂动力机械自动控制和发电厂电气自动化。发电厂的动力机械随发电厂类型不同而有很大差别，如水电厂、火电厂、核电厂等，它们的动力设备截然不同，其控制要求和控制规律相差很大。火电厂中的锅炉和汽轮机的自动控制系统与水电厂中水利机械的自动控制系统分属各自不同的专业。发电厂动力机械的自动控制是发电厂自动控制的主要组成部分。现在200MW以上的汽轮发电机组，需配置专用计算机进行监控。发电厂动力机械自动控制不属于本课程的授课范围。2.1.2发电厂电气自动化的作用随着机组容量的增大，参数的提高，在人工控制方式下是无法实现机组安全经济运行的，自动化装置已成为发电厂不可缺少的重要组成部分。发电厂电气自动化的主要目的是：（1）保证机组安全起停，正常经济运行；（2）提高适应电网调度和负荷变化的能力；（3）提高综合判断、处理事故能力；（4）减轻劳动强度，改善劳动条件，减少运行人员。发电厂自动化除控制发电机组安全、经济发电外，还在电力辅助服务中发挥着重要作用。电力辅助服务在近几年的电力改革中已经被高度重视，辅助服务包括基本辅助服务和有偿辅助服务。基本辅助服务是指为了保证电力系统安全稳定地运行，保证电能质量，发电机组所必须提供的辅助服务，包括一次调频、基本调峰、基本无功调节等。（1）一次调频是指当电力系统频率偏离目标频率时，发电机组通过调速系统的自动反应，调整有功出力，以减少频率偏差所提供的服务。（2）基本调峰是指发电机组在50%～100%额定出力范围内，为了跟踪负荷的峰谷变化而有计划地，按照一定的调节速度调节发电出力所提供的服务。（3）基本无功调节是指发电机组迟相功率因数在0.9~1.0范围内向电力系统注人无功功率，或进相功率因数在0.97～1.0范围内从电力系统吸收无功功率所提供的服务。有偿辅助服务是指并网发电厂为基本辅助服务所提供的辅助服务，包括自动发电控制(AGC)、有偿调峰等。预计未来几年，电力辅助服务将单独收费。电力生产企业从自身的经济利益出发，将增强其提供电力辅助服务的能力，而这种能力在很大程度上取决于发电厂计算机控制系统的运行质量

第2章发电厂自动化 2.1 概述 2.1.1 “电厂自动化”名称的由来自动化是指采用检测与控制系统，对生产过程进行生产作业，代替人工直接操作的措施。对于火电厂是热力生产过程与电力发供电过程控制的总称，在一些国家中称“仪表与控制” （instrument and control，简称 I&C）。 20 世纪 90 年代，原来仅限于热力生产过程的热工自动化逐步转变到包括发电机变压器组在内的发供电过程的检测与控制，故而改称“电厂自动化”，它包括火电、水电、核电厂等的自动化。发电厂自动化包括发电厂动力机械自动控制和发电厂电气自动化。发电厂的动力机械随发电厂类型不同而有很大差别，如水电厂、火电厂、核电厂等，它们的动力设备截然不同，其控制要求和控制规律相差很大。火电厂中的锅炉和汽轮机的自动控制系统与水电厂中水利机械的自动控制系统分属各自不同的专业。发电厂动力机械的自动控制是发电厂自动控制的主要组成部分。现在 200MW 以上的汽轮发电机组，需配置专用计算机进行监控。发电厂动力机械自动控制不属于本课程的授课范围。 2.1.2 发电厂电气自动化的作用随着机组容量的增大，参数的提高，在人工控制方式下是无法实现机组安全经济运行的，自动化装置已成为发电厂不可缺少的重要组成部分。发电厂电气自动化的主要目的是：（1）保证机组安全起停，正常经济运行；（2）提高适应电网调度和负荷变化的能力；（3）提高综合判断、处理事故能力；（4）减轻劳动强度，改善劳动条件，减少运行人员。发电厂自动化除控制发电机组安全、经济发电外，还在电力辅助服务中发挥着重要作用。电力辅助服务在近几年的电力改革中已经被高度重视，辅助服务包括基本辅助服务和有偿辅助服务。基本辅助服务是指为了保证电力系统安全稳定地运行，保证电能质量，发电机组所必须提供的辅助服务，包括一次调频、基本调峰、基本无功调节等。（1）一次调频是指当电力系统频率偏离目标频率时，发电机组通过调速系统的自动反应，调整有功出力，以减少频率偏差所提供的服务。（2）基本调峰是指发电机组在 50％～100％额定出力范围内，为了跟踪负荷的峰谷变化而有计划地，按照一定的调节速度调节发电出力所提供的服务。（3）基本无功调节是指发电机组迟相功率因数在 0.9～1.0 范围内向电力系统注人无功功率，或进相功率因数在 0.97～1.0 范围内从电力系统吸收无功功率所提供的服务。有偿辅助服务是指并网发电厂为基本辅助服务所提供的辅助服务，包括自动发电控制 (AGC)、有偿调峰等。预计未来几年，电力辅助服务将单独收费。电力生产企业从自身的经济利益出发，将增强其提供电力辅助服务的能力，而这种能力在很大程度上取决于发电厂计算机控制系统的运行质量

2.1.3发电厂电气自动化设备分类随着现代控制理论、电子技术、计算机技术和信息技术的发展，各种自动化设备和系统在发电厂投入运行，来保证发电机组安全、经济发电。发电厂电气自动化设备和系统主要包括下面四类：（1）自动调节装置，主要包括发电机自动并列装置、同步发电机励磁自动控制装置和调速器等；（2）反事故自动装置，主要包括继电保护装置，实现故障时线路、母线、发电机、变压器、电动机等电气设备的保护：快速自动切机装置、快关汽门装置、电气制动装置控制送电端功率过剩：系统震荡自动解列装置、自动并列装置控制系统振荡失步。（3）发电厂综合自动化系统，通过对发电厂动力机械设备和发电厂电气设备的监视和控制，实现设备运行状态、安全的监测，发电机组的自动控制，有功负荷的经济分配，母线电压控制和无功功率的自动增减等功能。（4）电力系统信息自动传输系统，主要包括远方终端单元RTU和通信通道。远方终端单元RTU通过通信通道将发电厂电力设备的遥测、遥信信息上送给调度自动化主站，并将调度自动化主站的遥控和遥调命令发送到相应的电力设备实现发电厂电力设备的远方控制：通信通道由通信设备和通信介质（微波、载波、光纤等）组成。发电厂电气自动化设备和系统涉及多个学科，多个专业领域，其中的继电保护装置由专门的课程进行讲解。电力系统信息自动传输系统是电力调度自动化系统的重要组成部分，将在调度自动化章节进行讲解。本章主要对发电机的自动并列设备、发电机的频率和有功功率调节设备（调速机）、发电机的电压和无功功率的调节设备（同步发电机励磁自动控制系统）和发电厂综合自动化系统进行介绍。2.2发电机的自动并列同步发电机投入电力系统并列运行的操作或者电力系统解列的两部分进行并列运行的操作，称为并列或同期操作。同步发电机的并列操作是电厂的一项重要操作。随着技术水平的不断提高，同步发电机的单机容量也越来越大，大型机组不恰当的并列操作将导致严重后果。提高并列操作的准确度和可靠性，对于系统的可靠运行具有重要的现实意义。2.2.1对并列操作的基本要求在发电厂，每个有可能进行并列操作的断路器，都是电厂的同期点。每个发电机的断路器都是同期点，因为各发电机的并列操作，都在各自的断路器上进行。母线联络开关也都是同期点，它对于同一母线上的所有发电单元都是后备同期点。当变压器检修完毕投入运行时，可以在变压器低压侧断路器上进行并列操作。三绕组变压器的三侧都有同期点，这是为了减少并列运行时可能出现的母线倒闸操作，保证迅速可靠地恢复供电。电力系统运行中，任一母线电压瞬时值可表示为(2-1)u=Umsin(ot+)式中的U为电压幅值，①为电压的角速度，?为初相角。式（2-1）反映了电网运行中该母线电压的幅值、频率和相角。这三个重要参数常被指

2.1.3 发电厂电气自动化设备分类随着现代控制理论、电子技术、计算机技术和信息技术的发展，各种自动化设备和系统在发电厂投入运行，来保证发电机组安全、经济发电。发电厂电气自动化设备和系统主要包括下面四类：（1）自动调节装置，主要包括发电机自动并列装置、同步发电机励磁自动控制装置和调速器等；（2）反事故自动装置，主要包括继电保护装置，实现故障时线路、母线、发电机、变压器、电动机等电气设备的保护；快速自动切机装置、快关汽门装置、电气制动装置控制送电端功率过剩；系统震荡自动解列装置、自动并列装置控制系统振荡失步。（3）发电厂综合自动化系统，通过对发电厂动力机械设备和发电厂电气设备的监视和控制，实现设备运行状态、安全的监测，发电机组的自动控制，有功负荷的经济分配，母线电压控制和无功功率的自动增减等功能。（4）电力系统信息自动传输系统，主要包括远方终端单元 RTU 和通信通道。远方终端单元 RTU 通过通信通道将发电厂电力设备的遥测、遥信信息上送给调度自动化主站，并将调度自动化主站的遥控和遥调命令发送到相应的电力设备实现发电厂电力设备的远方控制；通信通道由通信设备和通信介质（微波、载波、光纤等）组成。发电厂电气自动化设备和系统涉及多个学科，多个专业领域，其中的继电保护装置由专门的课程进行讲解。电力系统信息自动传输系统是电力调度自动化系统的重要组成部分，将在调度自动化章节进行讲解。本章主要对发电机的自动并列设备、发电机的频率和有功功率调节设备（调速机）、发电机的电压和无功功率的调节设备（同步发电机励磁自动控制系统）和发电厂综合自动化系统进行介绍。 2.2 发电机的自动并列同步发电机投入电力系统并列运行的操作或者电力系统解列的两部分进行并列运行的操作，称为并列或同期操作。同步发电机的并列操作是电厂的一项重要操作。随着技术水平的不断提高，同步发电机的单机容量也越来越大，大型机组不恰当的并列操作将导致严重后果。提高并列操作的准确度和可靠性，对于系统的可靠运行具有重要的现实意义。 2.2.1 对并列操作的基本要求在发电厂，每个有可能进行并列操作的断路器，都是电厂的同期点。每个发电机的断路器都是同期点，因为各发电机的并列操作，都在各自的断路器上进行。母线联络开关也都是同期点，它对于同一母线上的所有发电单元都是后备同期点。当变压器检修完毕投入运行时，可以在变压器低压侧断路器上进行并列操作。三绕组变压器的三侧都有同期点，这是为了减少并列运行时可能出现的母线倒闸操作，保证迅速可靠地恢复供电。电力系统运行中，任一母线电压瞬时值可表示为 sin( ) m u U t = + ω φ （2-1）式中的U m 为电压幅值，ω 为电压的角速度，φ 为初相角。式（2-1）反映了电网运行中该母线电压的幅值、频率和相角。这三个重要参数常被指

定为运行母线电压的状态量。电网的电压也常用相量U来表示。一台发电机组在未并入系统运行之前，它的电压与并列母线电压的状态量往往不等，须对待并发电机组进行适当的操作，使之符合并列条件后才允许断路器合闸作并网运行。这一系列操作称为并列操作，有时也称为“并车”、“并网”“同期”等。随着负荷的波动，电力系统中运行的发电机组台数也经常要变动。因此，同步发电机的并列操作是电厂的一项重要操作。另外，当系统发生某些事故时，也常要求将备用发电机组迅速投入电网运行。可见，在电力系统运行中，并列操作是较为频紧的，电力系统的容量在不断增大，同步发电机的单机密量也越来越大，大型机组不恰当地并列操作将导致严重后果：因此。对同步发电机的并列操作进行研究，提高并列操作的准确度和可靠性，对于系统的可靠运行具有很大的现实意义。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宜超过12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。同步发电机的并列运行方法分为准同期并列运行和自同期并列运行两种。在电力系统正常运行条件下，一般采用准同期并列方法将发电机组投入运行。自同期并列方法已经很少采用，只有当电力系统发生事故时，为了迅速投入水轮发电机组，曾采用自同期并列方法。随着自动控制技术的进步，特别是微型数字式自动并列方法已日趋成熟，现在也可以用准同期法快速投运水轮发电机组。2.2.2自同期并列自同期并列操作过程如下：先将一台未加励磁电流的发电机组转动起来，当转速上升至稍低于机组的额定转速时，就将断路器闭合，接着合上励磁电流开关，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需选择并列合闸时机，因而控制操作非常简单。限于当时控制技术水平.在电力系统发生事故且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，所以曾一度产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以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短路，因而不可避免地要出现较大的冲击电流，所以自同期并列方法现已很少采用。另外，自同期并列时会造成发电机母线电压瞬时下降，这对其它用电设备的正常工作将产生影响，所以自同期并列方法在非正常情况下采用时，也常受到限制。2.2.3准同期并列设待并发电机组G已经加上了励磁电流，其端电压为UG，调节待并发电机组UG的状态参数使之符合并列条件并将发电机并入系统的操作，称为准同期并列。如图2-1a）所示，DL为并列断路器，DL的另一侧为电网电压U，。并列断路器合闸之前，DL两侧电压的状态量一般不相等，须对发电机组G进行控制使它符合并列条件然后发出DL的合闸信号

定为运行母线电压的状态量。电网的电压也常用相量Uɺ 来表示。一台发电机组在未并入系统运行之前，它的电压与并列母线电压的状态量往往不等，须对待并发电机组进行适当的操作，使之符合并列条件后才允许断路器合闸作并网运行。这一系列操作称为并列操作，有时也称为“并车”、“并网”、“同期”等。随着负荷的波动，电力系统中运行的发电机组台数也经常要变动。因此，同步发电机的并列操作是电厂的一项重要操作。另外，当系统发生某些事故时，也常要求将备用发电机组迅速投入电网运行。可见，在电力系统运行中，并列操作是较为频繁的。电力系统的容量在不断增大，同步发电机的单机密量也越来越大，大型机组不恰当地并列操作将导致严重后果：因此．对同步发电机的并列操作进行研究，提高并列操作的准确度和可靠性，对于系统的可靠运行具有很大的现实意义。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宜超过 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。同步发电机的并列运行方法分为准同期并列运行和自同期并列运行两种。在电力系统正常运行条件下，一般采用准同期并列方法将发电机组投入运行。自同期并列方法已经很少采用，只有当电力系统发生事故时，为了迅速投入水轮发电机组，曾采用自同期并列方法。随着自动控制技术的进步，特别是微型数字式自动并列方法已日趋成熟，现在也可以用准同期法快速投运水轮发电机组。 2.2.2 自同期并列自同期并列操作过程如下：先将一台未加励磁电流的发电机组转动起来，当转速上升至稍低于机组的额定转速时，就将断路器闭合，接着合上励磁电流开关，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毋需选择并列合闸时机，因而控制操作非常简单。限于当时控制技术水平．在电力系统发生事故且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以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短路，因而不可避免地要出现较大的冲击电流，所以自同期并列方法现已很少采用。另外，自同期并列时会造成发电机母线电压瞬时下降，这对其它用电设备的正常工作将产生影响，所以自同期并列方法在非正常情况下采用时，也常受到限制。 2.2.3 准同期并列设待并发电机组 G 已经加上了励磁电流，其端电压为UG ɺ ，调节待并发电机组UG ɺ 的状态参数使之符合并列条件并将发电机并入系统的操作，称为准同期并列。如图 2-1（a）所示， DL 为并列断路器，DL 的另一侧为电网电压Ux ɺ 。并列断路器合闸之前，DL 两侧电压的状态量一般不相等，须对发电机组 G 进行控制使它符合并列条件．然后发出 DL 的合闸信号

Ux ɺ UG ɺ UG ɺ Ux ɺ Us ɺ ω G ωx e δ UG ɺ Ux ɺ Us ɺ EG ɺ Ex ɺ X G Xx 图 2-1 准同期合闸（a）电路示意图（b）相量图（c）等值电路图由于 DL 两侧电压的状态量不等，DL 主触点间具有电压差Us ɺ ，其值可由图 2-1（b）的电压相量图求得。图中发电机电压UG ɺ 的角频率为ω G ，电网电压Ux ɺ 的角频率为ωx ，它们间的向量差为Us ɺ 等于U U ɺ ɺ G x − 。计算并列时冲击电流的等值电路如图 2-1（c）所示，当电网参数一定时，冲击电流的大小决定于合闸瞬间Us ɺ 的值。要求 DL 合闸瞬间的Us ɺ 应尽可能的小，其最大值应使冲击电流不超过允许值。最理想的情况是并列断路器两侧电源电压的三个状态量全部相等，这时 DL 合闸的冲击电流也就等于零；并且并列后立即进入同步运行状态，对电网无任何扰动。并列的理想条件可表达为 ( 2 , 2 ) 0 G x G G x x G x e f f f f U U ω π ω π δ = = = = =      ，频率相等，，电压幅值相等，相角差为零（2-2）但是，实际运行中待并发电机组的调节系统很难同时满足这三个条件。其实，在实际操作中也没有这样苛求的必要。因为并列合同时只要冲击电流较小，不危及电气设备，合闸后发电机组就能迅速拉入同步运行，对待并发电机和电网运行的影响较小，不致引起任何不良后果。 1、并列时两侧电源电压状态量对并列的影响当并列断路器两侧电源电压的电压幅值、相角、频率存在差值时其影响如下。（1）电压幅值差发电机并列时的电压相量图如图 2-2（a）所示，若并列时断路器两侧电源电压的频率、相角相等，仅电压幅值不同时，即 G x f f = ， 0 e δ = 且U U G x ≠ ，冲击电流最大瞬时值为 ( ) '' max '' '' 1.8 2 G x 2.55 s h d d U U U i X X ⋅ − = = （2-3）式中UG 、Ux 是发电机电压、电网电压有效值； '' Xd 是发电机直轴次暂态电抗

16dU,UU,UVi.(a)(b)图2-2准同期并列条件分析（a）8=0的相量图（b）8±0的相量图由图2-2（a）所示，当8。=0时，冲击电流i，与U。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，我国曾规定压差并列冲击电流不允许超过机端短路电流的1/20～1/10。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，即要求尽量避免无功冲击电流。（2）合闸相角差发电机并列时的电压相量图如图2-2（b）所示，若并列时断路器两侧电源电压的频率、电压幅值相等，仅相角不同时，即fG=f,，UG=U，且8+0，这时发电机为空载情况，电动势即为端电压，并与电网电压相等，此时冲击电流最大瞬时值为fm 25-2sing(2-4)X252式中U.是电网电压有效值：X，是发电机交轴次暂态电抗。由图2-2（b）所示，当相角差较小时，这种冲击电流主要为有功冲击电流，说明合闸后发电机立刻向电网输出有功功率，使机组联轴受到突然冲击，这对机组和电网运行都是不利的。为了保证机组安全，一般将有功冲击电流限制在较小数值以内。（3）频率不相等若并列时断路器两侧电源电压的电压幅值相等，频率不同时，即U=U,且fc+f，发电机并列时的电压相量图如图2-3所示。两者的频率差用频差f,表示，且f，=fG-f。当两个交流电压的频率不等（但较接近)时，一般可用两个有相对旋转速度的相量来表示它们，如图2-3。两个交流电压UG、U，间的瞬时相角差8就是图中两个电压相量间的夹角；两电压相量同方向旋转，一快一慢，两者间的电角频率之差称为滑差角频率，简称滑差，用の表示，且の=の。一の。很显然，の是有正负值的，其方向与所规定的参考相量有关

Ux ɺ UG ɺ Us ɺ Φɺ h I ɺ Ux ɺ UG ɺ Us ɺ Φɺ h I ɺ e δ 图 2-2 准同期并列条件分析（a） 0 e δ = 的相量图（b） 0 e δ ≠ 的相量图由图 2-2（a）所示，当 0 e δ = 时，冲击电流 h I ɺ 与UG ɺ 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，我国曾规定压差并列冲击电流不允许超过机端短路电流的 1/20～1/10。据此，得到准同期并列的一个条件为：电压差Us 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，即要求尽量避免无功冲击电流。（2）合闸相角差发电机并列时的电压相量图如图 2-2（b）所示，若并列时断路器两侧电源电压的频率、电压幅值相等，仅相角不同时，即 G x f f = ，U U G x = 且 0 e δ ≠ ，这时发电机为空载情况，电动势即为端电压，并与电网电压相等，此时冲击电流最大瞬时值为 '' max '' 2.55 2sin 2 x e h q U i X δ ⋅ = ⋅ （2-4）式中Ux 是电网电压有效值； '' Xq 是发电机交轴次暂态电抗。由图 2-2（b）所示，当相角差较小时，这种冲击电流主要为有功冲击电流，说明合闸后发电机立刻向电网输出有功功率，使机组联轴受到突然冲击，这对机组和电网运行都是不利的。为了保证机组安全，一般将有功冲击电流限制在较小数值以内。（3）频率不相等若并列时断路器两侧电源电压的电压幅值相等，频率不同时，即U U G x = 且 G x f f ≠ ，发电机并列时的电压相量图如图 2-3 所示。两者的频率差用频差 s f 表示，且 s G x f f f = − 。当两个交流电压的频率不等(但较接近)时，一般可用两个有相对旋转速度的相量来表示它们，如图 2-3。两个交流电压UG ɺ 、Ux ɺ 间的瞬时相角差 e δ 就是图中两个电压相量间的夹角；两电压相量同方向旋转，一快一慢，两者间的电角频率之差称为滑差角频率，简称滑差，用 ωs 表示，且 s x G ω ω ω = − 。很显然，ωs 是有正负值的，其方向与所规定的参考相量有关

制动，の开始减小。发电机功率沿功角特性到达b点时，の=の，但这时8达到最大。由于发电机仍处于“发电机状态”，所以の继续减小，8也逐渐减小，发电机功率沿特性曲线往间摆动。到达坐标原点时，电压相量U与U，重合，相角差8为零，但の。<の；过原点后，相角差8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，即。又开始增加。当交换功率沿功角特性曲线变动到の。=の，（图中的c点)，相角差8达到滞后方向最大值。在加速力矩作用下の。继续增大，负的8减小，の。增大，重复前面的摆动过程，由于阻尼等因素的影响，摆动的幅度逐渐减小直到进入同步运行时为止。显然，近入同步状态的暂态过程与合闸时滑差角频率の。的大小有关。当の较小时，到达最大相角b点时的8也较小，可以很快进人同步运行。当の。较大时，则需经历较长时间振荡才能进入同步运行（如果の很大，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。2、准同期并列基本原理设并列断路器两侧电压分别为U.和U，，并列断路器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，决定于合闸时的电压差（也称为脉动电压）和滑差角频率の。因此，准向期并列主要是对脉动电压U，和滑差角速度の进行检测和控制，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；检测的信息取自并列断路器两侧的电压，而且主要是对U，进行检测并提取信息。（1）脉动电压并列断路器两侧间电压差u，为脉动电压，其表达式为(2-5)u, =Ug sin(O t+ 9)-U, sin(0, t+P2)设待并发电机电压U与电网电压U，幅值相等，且初始角9=92=0，则u, =2U sin(%_-0 cos(% )(2-6)22(%=t)为电压u,的幅值，则令U,=2Usin(2

制动，ωs 开始减小。发电机功率沿功角特性到达 b 点时，ω ω G = x ，但这时 e δ 达到最大。由于发电机仍处于“发电机状态”，所以 G ω 继续减小， e δ 也逐渐减小，发电机功率沿特性曲线往问摆动。到达坐标原点时，电压相量UG ɺ 与Ux ɺ 重合，相角差 e δ 为零，但ω ω G < x ；过原点后，相角差 e 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．即 G ω 又开始增加。当交换功率沿功角特性曲线变动到ω ω G = x (图中的 c 点)，相角差 e δ 达到滞后方向最大值。在加速力矩作用下 G ω 继续增大，负的 e δ 减小， G ω 增大，重复前面的摆动过程，由于阻尼等因素的影响，摆动的幅度逐渐减小直到进入同步运行时为止。显然，近入同步状态的暂态过程与合闸时滑差角频率ωs0的大小有关。当ωs0 较小时，到达最大相角 b 点时的 e δ 也较小，可以很快进人同步运行。当ωs0较大时，则需经历较长时间振荡才能进入同步运行（如果ωs0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。 2、准同期并列基本原理设并列断路器两侧电压分别为UG ɺ 和Ux ɺ ，并列断路器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，决定于合闸时的电压差Us ɺ （也称为脉动电压）和滑差角频率ωs 。因此，准向期并列主要是对脉动电压Us ɺ 和滑差角速度ωs 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 ɺ 值在允许值以内；检测的信息取自并列断路器两侧的电压，而且主要是对Us ɺ 进行检测并提取信息。（1）脉动电压并列断路器两侧间电压差 s u 为脉动电压，其表达式为 1 2 sin( t ) sin( t ) s G G x x u U U = + − + ω ϕ ω ϕ （2-5）设待并发电机电压UG ɺ 与电网电压Ux ɺ 幅值相等，且初始角 1 2 ϕ ϕ= = 0，则 2 sin( t)cos( t) 2 2 G x G x s G u U ω ω ω ω − + = （2-6）令 2 sin( t) 2 G x U U s G ω ω− = 为电压 s u 的幅值，则

U U G x − Us U U G x + Ts1 Ts2 ωs1 ωs2 图 2-6 UG 与Ux 不等时Us 的波形（2）利用脉动电压检测准同期的条件图 2-6 表明在脉动电压 s u 的波形中载有准向期并列所需检测的所有信息——电压幅值差、频率差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鉴别并列条件的信息，以及选择合适的合闸信号发出时间。（a）电压幅值差电压幅值差 U U G x − 为对应脉冲电压Us ɺ 波形的最小值。所以通过对Usmin ɺ 的测量，就可判断待并发电机电压UG ɺ 与电网电压Ux ɺ 间的电压幅值差是否超出允许值。（b）频率差通过测量脉动周期Ts 可以获得UG ɺ 与Ux ɺ 间的频率差。 UG ɺ 与Ux ɺ 间的频率差就是脉动电压幅值Us 的频率 s f ，其相应的角频率 2 s s ω π = f 。由于脉动周期 2 s s T π ω = ，所以要求ωs 小于某一个允许值，就相当于要求脉动周期Ts 大于某一给定值。（c）合闸相角差最理想的合闸瞬间是在UG ɺ 与Ux ɺ 两电压相量重合的瞬间。考虑到断路器操作机构和合闸回路的固有动作时间，必须在两电压相量重合之前发出合闸信号，即取一提前量。这一段时间称为“越前时间”。由于该越前时间只需按断路器的合闸时间（准同期装置的动作时间可忽略）进行整定，整定值和滑差及压差无关，故称为“恒定越前时间”。 2.2.4 自动准同期装置自动准同期装置一般具有两种功能：一是自动检查待并发电机与母线之间的压差及频差是否符合并列条件，并在满足这两个条件时，能自动地提前发出合闸脉冲，控制断路器闭合。二是当压差、频差不合格时，能对待并发电机自动进行均压、均频，加快进行自动并列的过程。 1、控制单元为了使待并发电机满足并列条件，自动准同期装置设置了 3 个控制单元

（1）频率差控制单元。它的任务是检测U与U，间的滑差角频率の，且调节发电机转速，是发电机电压的频率接近系统频率。（2）电压控制单元。它的功能是检测U。与U.间的电压差，且调节发电机电压Uc使它与U，间的电压差小于规定的允许值，促成并列条件的形成。（3）合闸信号控制单元。检查并列条件，当待并发电机的频率和电压都满足并列条件时，合闸控制单元就选择合适的时间，即在相角差等于零的时刻，提前一个“恒定越前时间”发出合闸信号。2、自动化程度分类同步发电机的准同期并列装置按自动化程度可分为以下两种。（1）半自动准同期并列装置。这种并列装置没有频差调节和电压调节功能，只有合闸信号控制单元。并列时，待并发电机的频率和电压由运行人员监视和调整，当频率和电压都满足并列条件时，并列装置就会在合适的时间发出合闸信号。它与手动并列的区别仅仅是合闸信号由该装置经判断后自动发出，而不是由运行人员手动发出。（2）自动并列装置。如图2-7所示，其中设置了频率差控制单元、电压差控制单元和合闸信号控制单元。当同步发电机并列时，发电机的频率和电压都由并列装置自动调节，使它与电网的频率、电压间的差值减小。当满足并列条件时，自动选择合适时机发出合闸信号。UOTv自厂用电并列断路器OrvUG频率差元鑫期华元电源控制单元二升压降压增速减速图2-7准同期并列装置主要组成部件3、数字式并列装置用大规模集成电路微处理器（CPU）等器件构成的数字式并列装置，由于硬件简单，编程方便灵活，运行可靠，且技术上已日趋成熟，成为当前自动并列装置发展的主流。一般模拟式并列装置，为了简化电路，在一个滑差周期时间工内把の假设为恒定。而数字式并列装置可以克服这一假设的局限性，采用较为精确的公式，考虑相角差可能具有加速运动等问题，能按照当时的变化规律，选择最佳的越前时间发出合闸信号，可以缩短并列操作的过程，从而提高了自动并列装置的技术性能和运行可靠性。故本节介绍数字式并列装置的硬件构成及其检测方法，而不再介绍模拟式自动并列装置

（1）频率差控制单元。它的任务是检测UG ɺ 与Ux ɺ 间的滑差角频率ωs ，且调节发电机转速，是发电机电压的频率接近系统频率。（2）电压控制单元。它的功能是检测UG ɺ 与Ux ɺ 间的电压差，且调节发电机电压UG ɺ ，使它与Ux ɺ 间的电压差小于规定的允许值，促成并列条件的形成。（3）合闸信号控制单元。检查并列条件，当待并发电机的频率和电压都满足并列条件时，合闸控制单元就选择合适的时间，即在相角差 e δ 等于零的时刻，提前一个“恒定越前时间”发出合闸信号。 2、自动化程度分类同步发电机的准同期并列装置按自动化程度可分为以下两种。（1）半自动准同期并列装置。这种并列装置没有频差调节和电压调节功能，只有合闸信号控制单元。并列时，待并发电机的频率和电压由运行人员监视和调整，当频率和电压都满足并列条件时，并列装置就会在合适的时间发出合闸信号。它与手动并列的区别仅仅是合闸信号由该装置经判断后自动发出，而不是由运行人员手动发出。（2）自动并列装置。如图 2-7 所示，其中设置了频率差控制单元、电压差控制单元和合闸信号控制单元。当同步发电机并列时，发电机的频率和电压都由并列装置自动调节，使它与电网的频率、电压间的差值减小。当满足并列条件时，自动选择合适时机发出合闸信号。 UG ɺ Ux ɺ TVx TVG 图 2-7 准同期并列装置主要组成部件 3、数字式并列装置用大规模集成电路微处理器（CPU）等器件构成的数字式并列装置，由于硬件简单，编程方便灵活，运行可靠，且技术上已日趋成熟，成为当前自动并列装置发展的主流。一般模拟式并列装置，为了简化电路，在一个滑差周期时间Ts 内把ωs 假设为恒定。而数字式并列装置可以克服这一假设的局限性，采用较为精确的公式，考虑相角差 e δ 可能具有加速运动等问题，能按照当时的变化规律，选择最佳的越前时间发出合闸信号，可以缩短并列操作的过程，从而提高了自动并列装置的技术性能和运行可靠性。故本节介绍数字式并列装置的硬件构成及其检测方法，而不再介绍模拟式自动并列装置

《电力系统自动化》课程教学资源（讲义）第2章 发电厂自动化

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