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性能特点和作用说明 |
发电机组并列准同期装置的特点和逆功率调整 |
摘要∶我国是世界上微机准同期装置最早研制的国家之一，同期装置能自动地调整频率，至于电压调整，有些装置能自动地进行，也有一些装置没有电压自动调节功能，需要靠发电机的自动调节励磁装置或由运行人员手动进行调整。当同期条件满足后，同期装置能选择合适的时机自动地发出合闸脉冲。康明斯公司在本文简要介绍同步发电机的自动准同期并列基本原理，并说明了同期并列的基本基本条件，以及微机型自动准同期装置的功能和发展历程等内容。
一、准同期装置的发展
电力系统中的同期并列方式主要有自同期并列和准同期并列两种，其中自同期并列主要用于发电机组，作为处理系统事故的重要措施之一。但是由于自同期的使用不可避免地会出现较大的冲击电流并伴随母线电的下降，因此所使用的场合不多，相反应用最广泛的是准同期并列。
（1）第一代准同期装置
在二十世纪六十年代以前，我国大多采用“旋转灯光法”进行准同期并列操作。这是最原始的准同期方法。后来改用指针式电磁绕组的整步表构成的手动准同期装置。这种方法仍然应用在常规的设计中。
（2）第二代准同期装置
以zz03和ZZQS为代表的模拟式自动准同期装置。它用分立晶体管元件搭建硬件电路，对同期条件进行检测和处理。ZZQ 3和ZZQS自动准同期装置的出现，极大的提高了并网速度和可靠性，但由于模拟式同期装置用模拟电子元件拟合，必然带来诸如导前时间不稳定、阻容电路作为微分电路的条件约束、构成装置元器件参数漂移不稳定等问题。模拟式的同期装置合闸准确度比较低，它无法指示装置的运行状态，不能进行故障自检等，现在已经基本被淘汰。
（3）第三代准同期装置
采用微机式自动准同期装置，微处理器的诞生对自动准同期装置技术指标的提升产生了质的飞跃，深圳市智能设备开发有限公司研制的SID·2系列多功能微机自动准同期装置比较具有代表性。它是我国最早从事微机准同期控制器研究、开发、生产的企业之一，相继推出了QSA型、SID.1型、SID.2型、SID-2V系列发电机用微机准同期控制器及SID.2T系列线路用微机准同期控制器，具有高精度、高可靠性、人机界面友好、操作方便、接线简单等特点。在提高并网速度和可靠性的同时，大大提高了合闸准确度。
二、微机准同期装置的特点
1、频差、相角差鉴别电路
频差、相角差鉴别电路用以从外界输入装置的两侧电压互感器二次电压中提取与频率和相角差有关的量，进而实现对准同期三要素中频差及相角差的检查，以确定是否符合同期条件。来自并列点断路器两侧TVs及TVG的二次电压经过隔离电路后通过相敏电路将正弦波转化为相同频率的矩形波，通过对矩形波电压的过零检测，即可得出待并发电机侧及运行系统侧的频率fs、 fc的信息，进而就不难获得频差fD、角频率差WD。
2、压差鉴别电路
压差鉴别电路用以从外部输入装置的TVs及TVG两电压互感器二次侧电压中提取电压有效值，进而实现对准同期三要素中压差的检查，以确定是否符合同期条件。如不符合同期条件，则根据压差的大小和极性进行均压控制。
3、输入电路
自动准同期装置的输入信号除并列点两侧的TV二次电压外还要输入如下开关量信号∶
① 并列点选择信号。
自动准同期装置不论是单机型还是多机型，其参数存储器中都要预先存放好各台发电机的同期参数整定值，例如导前时间、允许频差、允许压差、均频控制系数、均压控制系数等。在确定即将执行并网的并列点后，首先要通过控制台上每个并列点的同期开关（或由上位机控制的相应继电器）从同期装置的并列点选择输入端送入一个开关量信号，这样同期装置接入后（或复位后）即会调出相应的整定值，进行并网条件检测。装置可供多台发电机并网共用，但每次只能为一台发电机服务。如同时给同期装置的并列点选择输入端送上一个以上的开关量信号时，装置将会给出并列点大于或等于2的出错信息。
② 断路器辅助节点信号。
并列点断路器辅助节点是用米实时测量断路器合闸时间（含中间继电器动作时间）的。同期装置的导前时间整定值越是接近断路器的实际合闸时间，并网时的相角差就越小。这也是为什么要实测断路器合闸时间的理由。在同期装置发出合闸命令的同时，即启动内部的一个毫秒计时器，直到装置回收到断路器辅助节点的变位信号后停止计时，这个计时值即为断路器合闸时间。应该指出断路器主触头的动作不一定和辅助节点同步，因此这种测量合闸时间的方法是存在误差的。弥补的方法是由录波器在并网时通过记录脉振电压及同期装置合闸继电器节点动作的波形图，得到断路器精确合闸时间，与由辅助节点测出的合闸时间的差值在软件上进行修正。也可通过同期瞬间并列点两侧电压的突变这一信息精确计算出断路器合闸时间。
③ 远方复位信号。
“复位”是使微机从头再执行程序的一项操作，同期装置在自检或工作过程中如果出现硬件、软件问题或受干扰都可能导致出错或死机。此时可通过按一下装置面板上的复位按钮或设在控制台上的远方复位按钮使装置复位，复位后装置可能又正常工作了，也可能仍旧显示出错或死机。前者说明是装置受短暂的千扰，而本身无故障，后者则是装置有故障应检查。④面板的按键。同期装置面板上装有若千按键，这些按键也是开关量形式的输入量，与前述输入开关量不同的不是由装置对外的插座输入，而是由装置面板直接输入到并行输入接口电路。
4、输出电路
微机型自动准同期装置输出电路分为四类，第一类是控制类，实现同期装置对发电机组的均压、均频和合闸控制。第二类是信号类，装置异常或电源消失报替。第三类是录波类，对外提供反应同期过程的电量进行录波。第四类是显示类，供使用人员监视装置工况，实时参数，整定值及异常情况等提示信息。控制命令由加速、减速、升压、降压、合闸、同期闭锁等继电器执行。装置异常及失电信号也是由继电器发出，同期装置的任何软件和硬件故障都将启动报警继电器动作，触发中央音响信号，具体故障类别同时在同期装置的显示器上显示。
5、基本功能
微机型自动准同期装置如图1所示，工作流程如图2所示。
（1）能适应TV的不同相别和电压值；
（2）应有良好的均频与均压控制品质；
（3）应确保在相角差为零度时并网；
（4）应不失时机的捕获第一次出现的同期时机；
（5）应具备低压和高压闭锁功能
（6）应能及时消除同步过程中的同频状态；
（7）应具备接入发电厂分布式控制系统（DCS）和变电所微机监控系统（SN CS）的通信功能；
（8）应能自动在线测量并列点断路器合闸回路动作时间；
（9）应赋予更多便于设计和使用的功能例如∶
① 自动转角功能；
② 复合同期表功能∶
③ 调试校验功能∶
④ 提供录波的相关电量。
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图1 发电机组双微机自动准同期控制柜 |
图2 微机自动准同期装置工作流程图 |
三、同期参数的测量
1、交流电压有效值的测量
交流电压有效值的测量有两种方法∶一种最简化的办法是采用变送器把交流电压转化为直流电压（其有效值），然后由A/D接口电路进入主机；另一种是对交流电压接采样，然后通过计算求得其有效值。准同期装置数据采集电路如图3所示。
（1）直流采样
直流采样采用电量变送器把交流电压转化为直流电压（其有效值），然后经A/D接口电路进入主机，主机读出的数值直接反映了所测变量之值。这种方法容易实现，也可保证足够精度，但无法实现实时数据信号的采集。
（2）交流采样
对于一个周期信号f（t）=f（t+T），在满足一定条件下可以展开为富氏级数。
2、频率的测量
频率是电力系统的重要参数。电力系统的频率一方面是自动准同期装置以频率或频差作为合闸判据，另一方面在对交流电压信号进行同步采样时，需要实时跟踪电力系统的频率。目前，频率测量的方法主要有两种∶以硬件电路为主的硬件测量法和基于交流采样值处理的软件测量法。
（1）频率的硬件侧量方法
首先用前置低通滤波器滤除电压信号中的谐波分量，以避免测量结果受谐波的影响。电压比较器将正弦波信号变换成同频率的方波信号，在方波信号的两个相邻下降沿，CPU通过内部的计数器来求取电压信号周期，以此得到系统的频率值。硬件测量法的实现电路简单，响应快，计算机计算量小。然而，它存在一些缺陷∶
① 谐波分量会给测量造成影响；
② 需占用微处理器外部定时器/计数器，而大多数微处理器（如单片机）的外部定时器/计数器是很少的。
尽管如此，在电力系统的应用中，大多专门设置了测频电路，并采用硬件测频方法测量频率。
（2）频率的软件测量方法
软件测频方法不需要专用的硬件测频电路，通过对交流采样值的分析和计算，采用一定的算法来求取系统频率。软件测频方法有很多，归纳起来有以下几种∶
① 周期法
原始的周期法（或称零交法）通过测量信号波形相继过零点的时间宽度来计算频率，其原理与硬件测频法相同。该方法物理概念清晰、易于实现，但精度低，受谐波、噪声和非周期分量的影响，实时性不好。对它的改进主要是为了提高测量的精度和实时性，典型的改进算法有水平交（levelc rossing）算法、高次修正函数法和最小二乘多项式曲线拟合法，它们以增加计算量和复杂度来提高算法的精度和响应速度（原始的周期算法的时延决定于信号特征而非计算量），这在一定程度上丧失了原有算法的简明性。
② 解析法
对信号观测模型进行数学变换，将待测量频率.f或频差叮表示为采样值的函数来估计。解析法算法简明，计算量不大，较传统的周期法有所改进。用解析法测频时，为简化分析与计算，一般采用较简单的信号数学模型，难以考虑谐波、非周期分量等的影响，因此往往要有前置滤波环节。如上述算法，当电网中谐波分量较高时，必须采用适当的数字滤波对采样数据进行预处理。
③ DFT类算法
该类算法利用前后数据窗的DFT计算结果求取频率偏移来估计频率值。它可通过自适应调整采样时间间隔或自适应调整采样数据窗长度的方法来提高测量范围、精度和算法稳定性。此外，还有最小二乘算法等多种算法。
3、相角差的测量
把电压互感器二次侧的交流电压信号转换为同频、同相的方波，两路方波信号接到异或门，当两路方波输入电平不同时，异或门输出为高电平，用于控制可编程定时计数器的计数时间，其计数值与两波形间的相角差氏相对应图，如图4所示，是系统电压与发电机电压相角差的硬件测量电路示意图。相角差硬件测量的原理和特点与频率的硬件测量很相似。
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图3 发电机组准同期装置数据采集电路图 |
图4 发电机组自动准同期并网实验图 |
五、调整逆功现象的调整
当两台发电机组空载并列后，会在两台发电机组之间，产生一个频率差与电压差的问题。并且在两台发电机组的监视仪表上（电流表、功率表、功率因数表），反应出实际的逆功情况，一种是转速（频率）不一致造成的逆功，另一种是电压不等造成的逆功，其调整如下：
1、频率造成逆功现象的调整：
如果两台发电机组的频率不等，相差较大时，在仪表上（电流表、功率表）显示出，转速高的发电机组电流显示正值，功率表指示为正功 率，反之，电流指示负值，功率指示负值。这时调整其中一台发电机组的转速（频率），视功率表的指示进行调整，把功率表的指示调整为零即可。使两台发电机组的功率指 示均为零，这样两台机的转速（频率）基本上一致。但是，这时电流表仍有指示时，这就是电压差造成的逆功现象了。
2、电压差造成逆功现象的调整：
当两台发电机组的功率表指示均为零时，而电流表仍然有电流指示（即一反一正指示）时，可调整其中一台发电机组的电压调整旋 钮，调整时，视电流表与功率因数的指示进行。将电流表的指示消除（即调整为零），电流表无指示后，这时视功率因数表的指示，把功率因数调至滞后0.5以上 即可.一般可调整至0.8左右，为最佳状态。
总结：
将同步发电机投入电力系统并列运行的操作称为并列操作，并列操作是电力系统运行中的一项重要操作，是发电机机组开机运行中的关键工序。发电机同期装置是发电厂二次系统的重要组成部分，它实现发电机与电网系统的并列运行，并网的条件是发电机与系统的相序、频率、电压都要相同时即所谓同期时才能并网，将发电机机组安全、可靠、准确快速的投入，从而保证系统的可靠，经济运行和发电机组的安全。
本文以微机同期装置的调试及并网情况。该装置不仅可以用于发电机与电网之间的差频并网，同时也可用于线路的差频和同频并网，具有自动识别并列点并网性质的功能。当装置自动识别出当前并网性质时，精确的控制数学模型能快速的捕捉到第一个快速并网的时机，当发电机与系统的角差为零时可靠的完成无冲击并网。在发电机并网过程中，按照模糊控制理论算法，对发电机的频率和电压进行快速调节，确保频差和压差又快又平稳的达到整定范围，从而实现快速并网。
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