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發(fā)電機(jī)準(zhǔn)同期并列理想和實(shí)際條件分析 |
并列操作是發(fā)電的一項(xiàng)主要的操作內(nèi)容。因?yàn)閿嗦菲鞯膬啥司须娫?,電壓一般并不相等,因此必須進(jìn)行某些調(diào)整,使其符合同期的條件,以便順利地把發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)同步運(yùn)行。通過(guò)安裝于母線上的電壓互感器和發(fā)電機(jī)機(jī)端的電壓互感器,可以得到電網(wǎng)電壓和發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓,即同期斷路器兩側(cè)的電壓。通過(guò)比較,判斷是否符合并列條件,若符合條件,則進(jìn)行發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)的斷路器合閘操作,即進(jìn)行同期并列;若條件不滿足,則需要進(jìn)行調(diào)整。
一、準(zhǔn)同期并列理想條件
準(zhǔn)同期并列等值電路見(jiàn)圖1。并列前,QF斷路器兩側(cè)電壓分別為
式中 us、Ums、ws、4s——系統(tǒng)電壓、幅值、角頻率、相角;
uG、UmG、ωG、4G——發(fā)電機(jī)電壓、幅值、角頻率、相角。
圖1 準(zhǔn)同期并列等值電路圖 |
圖2 準(zhǔn)同期并列電路及相量圖 |
在發(fā)電機(jī)一變壓器組接線方式中,變壓器接線方式一般采用Y/Δ接線,發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓量測(cè)量可經(jīng)相位校正,使其可與系統(tǒng)電壓量測(cè)量進(jìn)行對(duì)比。
一個(gè)正弦交流量可由三個(gè)參數(shù)表達(dá),即電壓幅值Um、角頻率ω和初相角φ。若系統(tǒng)電壓和發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓各自的三個(gè)狀態(tài)參數(shù)對(duì)應(yīng)符合下列條件:
UmS=UmG(即電壓幅值相等)..............................................(5-2)
ωS=ωG或fS=fG(即頻率相等)..............................................(5-2)
φS=φG或δ=φG-φG=0(即相角差為零)..............................................(5-2)
則稱之為兩側(cè)電壓處于同步狀態(tài),若并列斷路器QF動(dòng)靜觸頭此時(shí)閉合,由于是等電位狀態(tài),斷路器中將沒(méi)有沖擊電流,對(duì)系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)不產(chǎn)生任何擾動(dòng),發(fā)電機(jī)平穩(wěn)并入系統(tǒng)。上述斷路器兩側(cè)電壓相量完全相等的條件稱為準(zhǔn)同期并列的理想條件。
由于調(diào)節(jié)誤差、器件慣性等因素的存在,并列裝置不可能把兩側(cè)電壓調(diào)整為三個(gè)條件同時(shí)滿足。實(shí)際上,QF動(dòng)靜觸頭閉合時(shí)兩側(cè)電壓由于幅值不等或有相位差,電壓差不為0,會(huì)有沖擊電流。
二、并列斷路器兩側(cè)電壓的分析
同步發(fā)電機(jī)組并列時(shí)遵循如下的原則。
(1)并列斷路器合閘時(shí),發(fā)電機(jī)的沖擊電流應(yīng)盡可能小,瞬時(shí)最大值一般不超過(guò)1~2倍的額定電流。
(2)發(fā)電機(jī)組并入電網(wǎng)后,應(yīng)能迅速進(jìn)入同步運(yùn)行狀態(tài),暫態(tài)過(guò)程要短,減小對(duì)電力系統(tǒng)的擾動(dòng)。
假設(shè)兩側(cè)電壓的三個(gè)參數(shù)均不相等,電壓差瞬時(shí)值ud為
ud=uG-uS=UmGsin(ωGt+φG)-UmSsin(ωSt+φs) ..............................................(5-3)
Ud=UG-US..............................................(5-4)
式中 Ud——脈動(dòng)電壓;其他參數(shù)同式(5-1)。
脈動(dòng)電壓相量圖和波形圖見(jiàn)圖3。
圖3 脈動(dòng)電壓相量圖 |
圖4 脈動(dòng)電壓波形圖 |
應(yīng)用三角公式可求得Ud的值為
式中 ωd——滑差角頻率。
取ud的波形包絡(luò)線見(jiàn)圖5。當(dāng)ωdt=0時(shí),Ud=|UmG-UmS|為兩側(cè)電壓幅值之差;當(dāng)ωdt=π時(shí),ud=|UmG+UmS|為兩側(cè)電壓幅值之和,見(jiàn)圖5(b)。
圖5 脈動(dòng)電壓波形圖 |
從圖3、圖4、圖5中可以看出,ud 仍然為正弦波,但其幅值Ud是脈動(dòng)的,故稱為脈動(dòng)電壓。Ud呈周期性變化,變化周期Td稱為脈動(dòng)周期,Td與滑差角頻率ωd。有關(guān),即
滑差角頻率ωd與滑差頻率fd=fG-fS關(guān)系
ωd = 2πfd ..............................................(5-7)
在脈動(dòng)電壓Ud波形中載有實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)同期并列所需的信息,包括電壓幅值差、角頻率差及相位差隨時(shí)間周期變化的規(guī)律,因此對(duì)兩側(cè)電壓量的測(cè)量可為自動(dòng)準(zhǔn)同期并列裝置提供并列條件的信息和合適的合閘控制信號(hào)發(fā)出時(shí)機(jī)。
三、準(zhǔn)同期并列的實(shí)際允許條件分析
由于發(fā)電機(jī)和系統(tǒng)均有一定的抗沖擊能力,允許有一定的偏差范圍存在,因此,稍偏離理想條件的并列在工程實(shí)用上是合理的。下面分析偏離理想條件并列時(shí)引起的后果。
待并入電網(wǎng)的發(fā)電機(jī)已啟動(dòng),轉(zhuǎn)速升至接近電網(wǎng)同步速,轉(zhuǎn)子已加入勵(lì)磁,并且發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓為UG,電壓幅值接近電網(wǎng)電壓。并列斷路器合閘之前,兩側(cè)電壓一般不相等,需要對(duì)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁和轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整,使其符合準(zhǔn)同期并列條件,然后在合適的時(shí)候發(fā)出斷路器合閘命令。準(zhǔn)同期并列等值電路參見(jiàn)圖5-2。
當(dāng)在滿足準(zhǔn)同期并列條件情況下,斷路器動(dòng)靜觸頭閉合時(shí),沖擊電流的大小和性質(zhì)取決于合閘瞬間的 Ud 值、發(fā)電機(jī)參數(shù)和電網(wǎng)參數(shù)。要求斷路器合閘瞬間的 Ud值盡量小,以減小對(duì)發(fā)電機(jī)的電動(dòng)力沖擊。應(yīng)該使沖擊電流小于發(fā)電機(jī)允許的最大電流,并且ωd也應(yīng)得到控制,希望能夠在斷路器合閘后,發(fā)電機(jī)在盡量短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)入與電網(wǎng)同步運(yùn)行狀態(tài)。若能做到 Ud=0,則沖擊電流將為零,而ωd很小時(shí),發(fā)電機(jī)能夠以短時(shí)過(guò)渡過(guò)程平穩(wěn)實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)行,基本不產(chǎn)生對(duì)電網(wǎng)的任何擾動(dòng)。
根據(jù)發(fā)電機(jī)所能承受的最大電流4” imp.m,并且考慮斷路器合閘后發(fā)電機(jī)能迅速拉入同步運(yùn)行,從工程角度上忽略次要因素,分析準(zhǔn)同期并列的實(shí)際允許條件。
1.電壓幅值差允許值(ΔU)e
設(shè)并列時(shí)ωG=ωS,δ=δG-δS=0,ΔU=UG-US≠0,設(shè)4” imp.m為發(fā)電機(jī)允許沖擊電流,則由 Ud 產(chǎn)生的沖擊電流有效值為
式中X”d ——發(fā)電機(jī)次暫態(tài)電抗;
Xs——系統(tǒng)等值電抗。
則合閘沖擊電流為
要求該沖擊電流小于發(fā)電機(jī)允許沖擊電流值,可導(dǎo)出電壓差允許值為
由圖6(a)可見(jiàn),由電壓幅值差引起的沖擊電流主要為無(wú)功分量,發(fā)電機(jī)電壓高于系統(tǒng)電壓,則發(fā)電機(jī)輸出無(wú)功功率;反之,發(fā)電機(jī)從系統(tǒng)吸取無(wú)功功率。沖擊電流一般限制為1~2倍的額定電流,相應(yīng)電壓差不超過(guò)5%~10%UN。
2.合閘相角差允許值δe
設(shè)并列時(shí)ωG=ωx,ΔU=UG-Us=0,δ=δG-δs≠0,δ=δG-δs為相位差角。
發(fā)電機(jī)為空載,UG=E” q,由圖6(b)可見(jiàn)合閘時(shí)的沖擊電流有效值為
最大瞬時(shí)值(沖擊值)為
要求其小于發(fā)電機(jī)允許沖擊電流,可導(dǎo)出δ的允許值δ為
δ控制為較小,合閘相角差沖擊電流主要為有功電流分量,見(jiàn)圖5-5(b),并列后發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)即有有功功率的交換,若δG>δs,發(fā)電機(jī)超前電網(wǎng),機(jī)組立即帶有功負(fù)荷,反之則電網(wǎng)帶大電動(dòng)機(jī),對(duì)機(jī)組和電網(wǎng)均產(chǎn)生沖擊。從發(fā)電機(jī)并列時(shí)系統(tǒng)對(duì)有功功率和無(wú)功功率的需求看,選擇發(fā)電機(jī)電壓稍高于系統(tǒng)電壓和相位稍超前于系統(tǒng)電壓是合適的。
圖6 準(zhǔn)同期條件相量圖 |
3.滑差角頻率允許值ωd.set
討論滑差角頻率ωd允許值的主要目的是分析并列后的過(guò)渡過(guò)程。設(shè)并列時(shí)ωG≠ωs(fG≠fs),UG=Us=U;根據(jù)圖5-3(a)所示相量圖及式(5-3)可得斷路器兩側(cè)電壓差為
其中脈動(dòng)電壓為
其中
ωd=ωG-ωs
δ=ωdt
式中ωd——滑差角頻率;
δ——相角差。
電壓差ud仍為頻率近于工頻的交流電壓,其幅值即脈動(dòng)電壓Ud隨時(shí)間變化而周期變化,參見(jiàn)圖3。當(dāng)ωG>ωS時(shí),ωd>0;δ從0→π/2→π→3π/2→2π,Ud值從0變到最大值又變?yōu)?。
發(fā)電機(jī)并列要求電壓差小,以使沖擊電流盡可能小。此外,若滑差角頻率ωd較大將經(jīng)歷較長(zhǎng)的過(guò)渡過(guò)程,嚴(yán)重時(shí)甚至失步,造成并列失敗。
下面分析當(dāng)ωG不等于ωS時(shí),發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)拉入同步運(yùn)行的過(guò)渡過(guò)程。
根據(jù)《電機(jī)學(xué)》知識(shí)可知,當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓UG超前于電網(wǎng)電壓Us時(shí),δ>0,發(fā)電機(jī)發(fā)出有功功率,電磁功率形成制動(dòng)轉(zhuǎn)矩;當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓UG滯后于電網(wǎng)電壓Us時(shí),δ<0,發(fā)電機(jī)吸收有功功率,電磁功率形成加速轉(zhuǎn)矩。
發(fā)電機(jī)并列前處于空載狀態(tài),原動(dòng)機(jī)輸入僅為克服發(fā)電機(jī)組摩擦阻力的機(jī)械功率,量很小。設(shè)斷路器合閘后,在發(fā)電機(jī)并列過(guò)渡過(guò)程中,原動(dòng)機(jī)的輸入功率恒定不變,合閘時(shí)的相角差為δ,并且為超前情況,即δ>0(圖7中a點(diǎn)),發(fā)電機(jī)角頻率高于電網(wǎng)角頻率,ωG>ωS,ωd>0??梢?jiàn)合閘后發(fā)電機(jī)處于“發(fā)電機(jī)狀態(tài)”,由于輸出電磁功率大于輸入機(jī)械功率而受到制動(dòng)減速,ωG減少。但ωG>ωS時(shí),δ仍會(huì)增大。
發(fā)電機(jī)運(yùn)行點(diǎn)沿功角特性到達(dá)圖7中b點(diǎn)時(shí),ωG=ωS,為δ最大值。若小于180°,這時(shí)發(fā)電機(jī)仍處于“發(fā)電機(jī)狀態(tài)”,所以ωG繼續(xù)減少,δ將逐漸減小,發(fā)電機(jī)功率沿特性曲線往回?cái)[。若δ在ωG=ωS之前已越過(guò)180°,則發(fā)電機(jī)將進(jìn)入“電動(dòng)機(jī)狀態(tài)”重新加速,而不能被拉入同步。
發(fā)電機(jī)運(yùn)行點(diǎn)沿功角特性回?cái)[到達(dá)坐標(biāo)原點(diǎn)前,輸出電磁功率大于輸入機(jī)械功率而受到制動(dòng)減速。ωG<ωS,δ持續(xù)減小?;?cái)[沖過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)后,輸出電磁功率小于輸入機(jī)械功率,交換功率變負(fù),發(fā)電機(jī)組處于“電動(dòng)機(jī)狀態(tài)”又重新加速,運(yùn)行點(diǎn)沿特性曲線變動(dòng)直到圖中的c點(diǎn),相角差δ又往反方向運(yùn)動(dòng)。這樣來(lái)回?cái)[動(dòng),由于系統(tǒng)阻尼等因素,δ擺動(dòng)幅度逐漸變小,直到進(jìn)入同步運(yùn)行時(shí)為止(見(jiàn)圖7)。
顯然,進(jìn)入同步狀態(tài)的暫態(tài)過(guò)程與合閘時(shí)滑差角頻率ωd的大小有關(guān)。如果ωd較大,則需經(jīng)歷較長(zhǎng)時(shí)間振蕩才能進(jìn)入同步運(yùn)行(如果ωd很大,δ超出180°,則將導(dǎo)致不能被拉入同步)。在一般情況下,發(fā)電廠與電網(wǎng)聯(lián)系較緊密時(shí),并列時(shí)的wd值遠(yuǎn)小于上述極限值,因此可以不必校核。但是,當(dāng)并列的發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)間的聯(lián)系較弱時(shí),需按系統(tǒng)穩(wěn)定條件進(jìn)行校驗(yàn)ωd是否小于允許值。若ωd較小,δ變化不超過(guò)180°,由阻尼作用,發(fā)電機(jī)拉入同步;若ωd較大,δ變化超過(guò)180°,發(fā)電機(jī)失步。
發(fā)電機(jī)并列同步過(guò)程分析曲線圖 |
綜上所述,準(zhǔn)同期并列的實(shí)際允許條件可表示為:
(1)允許電壓差:ΔU=UG-US<(ΔU)set ≈(5%~10%)UN;
(2)允許滑差角頻率:ωd=wG-wS<wd.set或Δf=fG-fS<(Δf)set ≈(0.2%~ 0.5)%fN;
(3)允許相角差:δ=δG-δS<δset≈10°。
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