性能特點(diǎn)和作用說(shuō)明

發(fā)電機組并列準同期裝置的特點(diǎn)和逆功率調整

 

摘要∶我國是世界上微機準同期裝置最早研制的國家之一，同期裝置能自動(dòng)地調整頻率，至于電壓調整，有些裝置能自動(dòng)地進(jìn)行，也有一些裝置沒(méi)有電壓自動(dòng)調節功能，需要靠發(fā)電機的自動(dòng)調節勵磁裝置或由運行人員手動(dòng)進(jìn)行調整。當同期條件滿(mǎn)足后，同期裝置能選擇合適的時(shí)機自動(dòng)地發(fā)出合閘脈沖?？得魉构驹诒疚暮?jiǎn)要介紹同步發(fā)電機的自動(dòng)準同期并列基本原理，并說(shuō)明了同期并列的基本基本條件，以及微機型自動(dòng)準同期裝置的功能和發(fā)展歷程等內容。

 

一、準同期裝置的發(fā)展

 

      電力系統中的同期并列方式主要有自同期并列和準同期并列兩種，其中自同期并列主要用于發(fā)電機組，作為處理系統事故的重要措施之一。但是由于自同期的使用不可避免地會(huì )出現較大的沖擊電流并伴隨母線(xiàn)電的下降，因此所使用的場(chǎng)合不多，相反應用最廣泛的是準同期并列。

（1）第一代準同期裝置

      在二十世紀六十年代以前，我國大多采用“旋轉燈光法”進(jìn)行準同期并列操作。這是最原始的準同期方法。后來(lái)改用指針式電磁繞組的整步表構成的手動(dòng)準同期裝置。這種方法仍然應用在常規的設計中。

（2）第二代準同期裝置

      以zz03和ZZQS為代表的模擬式自動(dòng)準同期裝置。它用分立晶體管元件搭建硬件電路，對同期條件進(jìn)行檢測和處理。ZZQ 3和ZZQS自動(dòng)準同期裝置的出現，極大的提高了并網(wǎng)速度和可靠性，但由于模擬式同期裝置用模擬電子元件擬合，必然帶來(lái)諸如導前時(shí)間不穩定、阻容電路作為微分電路的條件約束、構成裝置元器件參數漂移不穩定等問(wèn)題。模擬式的同期裝置合閘準確度比較低，它無(wú)法指示裝置的運行狀態(tài)，不能進(jìn)行故障自檢等，現在已經(jīng)基本被淘汰。

（3）第三代準同期裝置

      采用微機式自動(dòng)準同期裝置，微處理器的誕生對自動(dòng)準同期裝置技術(shù)指標的提升產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍，深圳市智能設備開(kāi)發(fā)有限公司研制的SID·2系列多功能微機自動(dòng)準同期裝置比較具有代表性。它是我國最早從事微機準同期控制器研究、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)的企業(yè)之一，相繼推出了QSA型、SID.1型、SID.2型、SID-2V系列發(fā)電機用微機準同期控制器及SID.2T系列線(xiàn)路用微機準同期控制器，具有高精度、高可靠性、人機界面友好、操作方便、接線(xiàn)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。在提高并網(wǎng)速度和可靠性的同時(shí)，大大提高了合閘準確度。

 

二、微機準同期裝置的特點(diǎn)

 

1、頻差、相角差鑒別電路

      頻差、相角差鑒別電路用以從外界輸入裝置的兩側電壓互感器二次電壓中提取與頻率和相角差有關(guān)的量，進(jìn)而實(shí)現對準同期三要素中頻差及相角差的檢查，以確定是否符合同期條件。來(lái)自并列點(diǎn)斷路器兩側TVs及TVG的二次電壓經(jīng)過(guò)隔離電路后通過(guò)相敏電路將正弦波轉化為相同頻率的矩形波，通過(guò)對矩形波電壓的過(guò)零檢測，即可得出待并發(fā)電機側及運行系統側的頻率fs、 fc的信息，進(jìn)而就不難獲得頻差fD、角頻率差WD。

2、壓差鑒別電路

      壓差鑒別電路用以從外部輸入裝置的TVs及TVG兩電壓互感器二次側電壓中提取電壓有效值，進(jìn)而實(shí)現對準同期三要素中壓差的檢查，以確定是否符合同期條件。如不符合同期條件，則根據壓差的大小和極性進(jìn)行均壓控制。

3、輸入電路

      自動(dòng)準同期裝置的輸入信號除并列點(diǎn)兩側的TV二次電壓外還要輸入如下開(kāi)關(guān)量信號∶

① 并列點(diǎn)選擇信號。

      自動(dòng)準同期裝置不論是單機型還是多機型，其參數存儲器中都要預先存放好各臺發(fā)電機的同期參數整定值，例如導前時(shí)間、允許頻差、允許壓差、均頻控制系數、均壓控制系數等。在確定即將執行并網(wǎng)的并列點(diǎn)后，首先要通過(guò)控制臺上每個(gè)并列點(diǎn)的同期開(kāi)關(guān)（或由上位機控制的相應繼電器）從同期裝置的并列點(diǎn)選擇輸入端送入一個(gè)開(kāi)關(guān)量信號，這樣同期裝置接入后（或復位后）即會(huì )調出相應的整定值，進(jìn)行并網(wǎng)條件檢測。裝置可供多臺發(fā)電機并網(wǎng)共用，但每次只能為一臺發(fā)電機服務(wù)。如同時(shí)給同期裝置的并列點(diǎn)選擇輸入端送上一個(gè)以上的開(kāi)關(guān)量信號時(shí)，裝置將會(huì )給出并列點(diǎn)大于或等于2的出錯信息。

② 斷路器輔助節點(diǎn)信號。

      并列點(diǎn)斷路器輔助節點(diǎn)是用米實(shí)時(shí)測量斷路器合閘時(shí)間（含中間繼電器動(dòng)作時(shí)間）的。同期裝置的導前時(shí)間整定值越是接近斷路器的實(shí)際合閘時(shí)間，并網(wǎng)時(shí)的相角差就越小。這也是為什么要實(shí)測斷路器合閘時(shí)間的理由。在同期裝置發(fā)出合閘命令的同時(shí)，即啟動(dòng)內部的一個(gè)毫秒計時(shí)器，直到裝置回收到斷路器輔助節點(diǎn)的變位信號后停止計時(shí)，這個(gè)計時(shí)值即為斷路器合閘時(shí)間。應該指出斷路器主觸頭的動(dòng)作不一定和輔助節點(diǎn)同步，因此這種測量合閘時(shí)間的方法是存在誤差的。彌補的方法是由錄波器在并網(wǎng)時(shí)通過(guò)記錄脈振電壓及同期裝置合閘繼電器節點(diǎn)動(dòng)作的波形圖，得到斷路器精確合閘時(shí)間，與由輔助節點(diǎn)測出的合閘時(shí)間的差值在軟件上進(jìn)行修正。也可通過(guò)同期瞬間并列點(diǎn)兩側電壓的突變這一信息精確計算出斷路器合閘時(shí)間。

③ 遠方復位信號。

      “復位”是使微機從頭再執行程序的一項操作，同期裝置在自檢或工作過(guò)程中如果出現硬件、軟件問(wèn)題或受干擾都可能導致出錯或死機。此時(shí)可通過(guò)按一下裝置面板上的復位按鈕或設在控制臺上的遠方復位按鈕使裝置復位，復位后裝置可能又正常工作了，也可能仍舊顯示出錯或死機。前者說(shuō)明是裝置受短暫的千擾，而本身無(wú)故障，后者則是裝置有故障應檢查。④面板的按鍵。同期裝置面板上裝有若千按鍵，這些按鍵也是開(kāi)關(guān)量形式的輸入量，與前述輸入開(kāi)關(guān)量不同的不是由裝置對外的插座輸入，而是由裝置面板直接輸入到并行輸入接口電路。

4、輸出電路

     微機型自動(dòng)準同期裝置輸出電路分為四類(lèi)，第一類(lèi)是控制類(lèi)，實(shí)現同期裝置對發(fā)電機組的均壓、均頻和合閘控制。第二類(lèi)是信號類(lèi)，裝置異?；螂娫聪?/span>報替。第三類(lèi)是錄波類(lèi)，對外提供反應同期過(guò)程的電量進(jìn)行錄波。第四類(lèi)是顯示類(lèi)，供使用人員監視裝置工況，實(shí)時(shí)參數，整定值及異常情況等提示信息?？刂泼钣杉铀?、減速、升壓、降壓、合閘、同期閉鎖等繼電器執行。裝置異常及失電信號也是由繼電器發(fā)出，同期裝置的任何軟件和硬件故障都將啟動(dòng)報警繼電器動(dòng)作，觸發(fā)中央音響信號，具體故障類(lèi)別同時(shí)在同期裝置的顯示器上顯示。

5、基本功能

       微機型自動(dòng)準同期裝置如圖1所示，工作流程如圖2所示。

（1）能適應TV的不同相別和電壓值；

（2）應有良好的均頻與均壓控制品質(zhì)；

（3）應確保在相角差為零度時(shí)并網(wǎng)；

（4）應不失時(shí)機的捕獲第一次出現的同期時(shí)機；

（5）應具備低壓和高壓閉鎖功能

（6）應能及時(shí)消除同步過(guò)程中的同頻狀態(tài)；

（7）應具備接入發(fā)電廠(chǎng)分布式控制系統（DCS）和變電所微機監控系統（SN CS）的通信功能；

（8）應能自動(dòng)在線(xiàn)測量并列點(diǎn)斷路器合閘回路動(dòng)作時(shí)間；

（9）應賦予更多便于設計和使用的功能例如∶

① 自動(dòng)轉角功能；

② 復合同期表功能∶

③ 調試校驗功能∶

④ 提供錄波的相關(guān)電量。

 

圖1  發(fā)電機組雙微機自動(dòng)準同期控制柜

圖2  微機自動(dòng)準同期裝置工作流程圖

 

 

三、同期參數的測量

 

1、交流電壓有效值的測量

      交流電壓有效值的測量有兩種方法∶一種最簡(jiǎn)化的辦法是采用變送器把交流電壓轉化為直流電壓（其有效值），然后由A/D接口電路進(jìn)入主機；另一種是對交流電壓接采樣，然后通過(guò)計算求得其有效值。準同期裝置數據采集電路如圖3所示。

（1）直流采樣

      直流采樣采用電量變送器把交流電壓轉化為直流電壓（其有效值），然后經(jīng)A/D接口電路進(jìn)入主機，主機讀出的數值直接反映了所測變量之值。這種方法容易實(shí)現，也可保證足夠精度，但無(wú)法實(shí)現實(shí)時(shí)數據信號的采集。

（2）交流采樣

      對于一個(gè)周期信號f（t）=f（t+T），在滿(mǎn)足一定條件下可以展開(kāi)為富氏級數。

2、頻率的測量

      頻率是電力系統的重要參數。電力系統的頻率一方面是自動(dòng)準同期裝置以頻率或頻差作為合閘判據，另一方面在對交流電壓信號進(jìn)行同步采樣時(shí)，需要實(shí)時(shí)跟蹤電力系統的頻率。目前，頻率測量的方法主要有兩種∶以硬件電路為主的硬件測量法和基于交流采樣值處理的軟件測量法。

（1）頻率的硬件側量方法

      首先用前置低通濾波器濾除電壓信號中的諧波分量，以避免測量結果受諧波的影響。電壓比較器將正弦波信號變換成同頻率的方波信號，在方波信號的兩個(gè)相鄰下降沿，CPU通過(guò)內部的計數器來(lái)求取電壓信號周期，以此得到系統的頻率值。硬件測量法的實(shí)現電路簡(jiǎn)單，響應快，計算機計算量小。然而，它存在一些缺陷∶

① 諧波分量會(huì )給測量造成影響；

② 需占用微處理器外部定時(shí)器/計數器，而大多數微處理器（如單片機）的外部定時(shí)器/計數器是很少的。

      盡管如此，在電力系統的應用中，大多專(zhuān)門(mén)設置了測頻電路，并采用硬件測頻方法測量頻率。

（2）頻率的軟件測量方法

      軟件測頻方法不需要專(zhuān)用的硬件測頻電路，通過(guò)對交流采樣值的分析和計算，采用一定的算法來(lái)求取系統頻率。軟件測頻方法有很多，歸納起來(lái)有以下幾種∶

① 周期法

      原始的周期法（或稱(chēng)零交法）通過(guò)測量信號波形相繼過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間寬度來(lái)計算頻率，其原理與硬件測頻法相同。該方法物理概念清晰、易于實(shí)現，但精度低，受諧波、噪聲和非周期分量的影響，實(shí)時(shí)性不好。對它的改進(jìn)主要是為了提高測量的精度和實(shí)時(shí)性，典型的改進(jìn)算法有水平交（levelc rossing）算法、高次修正函數法和最小二乘多項式曲線(xiàn)擬合法，它們以增加計算量和復雜度來(lái)提高算法的精度和響應速度（原始的周期算法的時(shí)延決定于信號特征而非計算量），這在一定程度上喪失了原有算法的簡(jiǎn)明性。

② 解析法

      對信號觀(guān)測模型進(jìn)行數學(xué)變換，將待測量頻率.f或頻差叮表示為采樣值的函數來(lái)估計。解析法算法簡(jiǎn)明，計算量不大，較傳統的周期法有所改進(jìn)。用解析法測頻時(shí)，為簡(jiǎn)化分析與計算，一般采用較簡(jiǎn)單的信號數學(xué)模型，難以考慮諧波、非周期分量等的影響，因此往往要有前置濾波環(huán)節。如上述算法，當電網(wǎng)中諧波分量較高時(shí)，必須采用適當的數字濾波對采樣數據進(jìn)行預處理。

③ DFT類(lèi)算法

      該類(lèi)算法利用前后數據窗的DFT計算結果求取頻率偏移來(lái)估計頻率值。它可通過(guò)自適應調整采樣時(shí)間間隔或自適應調整采樣數據窗長(cháng)度的方法來(lái)提高測量范圍、精度和算法穩定性。此外，還有最小二乘算法等多種算法。

3、相角差的測量

      把電壓互感器二次側的交流電壓信號轉換為同頻、同相的方波，兩路方波信號接到異或門(mén)，當兩路方波輸入電平不同時(shí)，異或門(mén)輸出為高電平，用于控制可編程定時(shí)計數器的計數時(shí)間，其計數值與兩波形間的相角差氏相對應圖，如圖4所示，是系統電壓與發(fā)電機電壓相角差的硬件測量電路示意圖。相角差硬件測量的原理和特點(diǎn)與頻率的硬件測量很相似。

 

圖3  發(fā)電機組準同期裝置數據采集電路圖

圖4  發(fā)電機組自動(dòng)準同期并網(wǎng)實(shí)驗圖

 

五、調整逆功現象的調整

 

      當兩臺發(fā)電機組空載并列后，會(huì )在兩臺發(fā)電機組之間，產(chǎn)生一個(gè)頻率差與電壓差的問(wèn)題。并且在兩臺發(fā)電機組的監視儀表上（電流表、功率表、功率因數表），反應出實(shí)際的逆功情況，一種是轉速（頻率）不一致造成的逆功，另一種是電壓不等造成的逆功，其調整如下：

1、頻率造成逆功現象的調整：

      如果兩臺發(fā)電機組的頻率不等，相差較大時(shí)，在儀表上（電流表、功率表）顯示出，轉速高的發(fā)電機組電流顯示正值，功率表指示為正功 率，反之，電流指示負值，功率指示負值。這時(shí)調整其中一臺發(fā)電機組的轉速（頻率），視功率表的指示進(jìn)行調整，把功率表的指示調整為零即可。使兩臺發(fā)電機組的功率指 示均為零，這樣兩臺機的轉速（頻率）基本上一致。但是，這時(shí)電流表仍有指示時(shí)，這就是電壓差造成的逆功現象了。

2、電壓差造成逆功現象的調整：

      當兩臺發(fā)電機組的功率表指示均為零時(shí)，而電流表仍然有電流指示（即一反一正指示）時(shí)，可調整其中一臺發(fā)電機組的電壓調整旋 鈕，調整時(shí)，視電流表與功率因數的指示進(jìn)行。將電流表的指示消除（即調整為零），電流表無(wú)指示后，這時(shí)視功率因數表的指示，把功率因數調至滯后0.5以上 即可.一般可調整至0.8左右，為最佳狀態(tài)。

總結：

      將同步發(fā)電機投入電力系統并列運行的操作稱(chēng)為并列操作，并列操作是電力系統運行中的一項重要操作，是發(fā)電機機組開(kāi)機運行中的關(guān)鍵工序。發(fā)電機同期裝置是發(fā)電廠(chǎng)二次系統的重要組成部分，它實(shí)現發(fā)電機與電網(wǎng)系統的并列運行，并網(wǎng)的條件是發(fā)電機與系統的相序、頻率、電壓都要相同時(shí)即所謂同期時(shí)才能并網(wǎng)，將發(fā)電機機組安全、可靠、準確快速的投入，從而保證系統的可靠，經(jīng)濟運行和發(fā)電機組的安全。

      本文以微機同期裝置的調試及并網(wǎng)情況。該裝置不僅可以用于發(fā)電機與電網(wǎng)之間的差頻并網(wǎng)，同時(shí)也可用于線(xiàn)路的差頻和同頻并網(wǎng)，具有自動(dòng)識別并列點(diǎn)并網(wǎng)性質(zhì)的功能。當裝置自動(dòng)識別出當前并網(wǎng)性質(zhì)時(shí)，精確的控制數學(xué)模型能快速的捕捉到第一個(gè)快速并網(wǎng)的時(shí)機，當發(fā)電機與系統的角差為零時(shí)可靠的完成無(wú)沖擊并網(wǎng)。在發(fā)電機并網(wǎng)過(guò)程中，按照模糊控制理論算法，對發(fā)電機的頻率和電壓進(jìn)行快速調節，確保頻差和壓差又快又平穩的達到整定范圍，從而實(shí)現快速并網(wǎng)。

 

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