陳文堅(jiān)

廣州珠江電力有限公司，廣東 511457

引言

電力系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)在并列瞬間，往往會(huì)產(chǎn)生沖擊電流和沖擊力矩，這種沖擊將引起系統(tǒng)電壓瞬時(shí)下降。如果操作錯(cuò)誤或者準(zhǔn)同期裝置出現(xiàn)差錯(cuò)，并網(wǎng)相差角度過大，就可能引起機(jī)組劇烈震動(dòng)，甚至使發(fā)電機(jī)及汽輪機(jī)的機(jī)械部分損壞，發(fā)電機(jī)繞組部分燒毀，以至于引起電力系統(tǒng)震蕩而破壞電力系統(tǒng)安全，穩(wěn)定運(yùn)行,所以必須予以高度重視。提高并網(wǎng)操作的準(zhǔn)確度和可靠性，對(duì)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行具有很大的現(xiàn)實(shí)意義，因此選用一臺(tái)性能穩(wěn)定以及質(zhì)量良好的準(zhǔn)同期裝置就更加重要。

1 SID-2CM微機(jī)準(zhǔn)同期裝置的工作原理

1.1 準(zhǔn)同期裝置并網(wǎng)的工作原理

發(fā)電廠與電力系統(tǒng)并網(wǎng)原理：發(fā)電機(jī)出口斷路器聯(lián)接兩側(cè)電源（系統(tǒng)側(cè)電源與發(fā)電機(jī)電源）的合閘操作，將發(fā)電機(jī)并入電力系統(tǒng)稱為并網(wǎng)；把發(fā)電機(jī)投入系統(tǒng)參加并列運(yùn)行的操作稱并列操作，它是單元機(jī)組運(yùn)行中的一項(xiàng)重要操作。并網(wǎng)分為差頻并網(wǎng)和同頻并網(wǎng)，本文只針對(duì)發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)的差頻并網(wǎng)的研究。差頻并網(wǎng)：發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)并網(wǎng)和已解列兩系統(tǒng)間并網(wǎng)都屬差頻并網(wǎng)。并網(wǎng)時(shí)需符合三個(gè)條件：并列點(diǎn)兩側(cè)的電壓大小、頻率、相角差滿足要求。珠江電廠使用的是同頻并列方式，以準(zhǔn)同期并列方式為例將發(fā)電機(jī)并入系統(tǒng)時(shí)應(yīng)滿足以下兩個(gè)基本要求：

（1）發(fā)電機(jī)出口斷路器合閘時(shí)，流過發(fā)電機(jī)的沖擊電流應(yīng)盡可能小，其瞬時(shí)最大值一般不超過1-2倍定子額定電流。

（2）發(fā)電機(jī)組并入電網(wǎng)后，應(yīng)能進(jìn)入同步運(yùn)行狀態(tài)，其暫態(tài)過程要盡量短，以減少對(duì)電力系統(tǒng)的擾動(dòng)。

1.2 差頻并網(wǎng)合閘角的數(shù)學(xué)模型

準(zhǔn)同期并網(wǎng)的三個(gè)條件是電壓大小、頻率及相位的差值在允許值范圍內(nèi)，發(fā)電機(jī)電壓與系統(tǒng)電壓通過準(zhǔn)同期裝置調(diào)整后滿足允許范圍后發(fā)出合閘指令完成并網(wǎng)。一臺(tái)未投入系統(tǒng)參加并列運(yùn)行的發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)中其它發(fā)電機(jī)是不同步的。發(fā)電機(jī)在并列瞬間，往往會(huì)產(chǎn)生沖擊電流和沖擊力矩，這種沖擊將引起系統(tǒng)電壓瞬時(shí)下降。如果操作錯(cuò)誤，沖擊過大，就可能引起機(jī)組劇烈震動(dòng)，甚至使發(fā)電機(jī)及汽輪機(jī)的機(jī)械部分損壞，發(fā)電機(jī)繞組部分燒毀，以至于引起電力系統(tǒng)震蕩而破壞電力系統(tǒng)安全及穩(wěn)定運(yùn)行，所以必須予以高度重視。因此一個(gè)好的準(zhǔn)同期裝置應(yīng)確保在兩側(cè)的電壓差值接近零時(shí)完成并網(wǎng)。

在差頻并網(wǎng)時(shí)，特別是發(fā)電機(jī)對(duì)系統(tǒng)并網(wǎng)時(shí)[1]，發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速在調(diào)速器的作用下不斷在變化，因此發(fā)電機(jī)對(duì)系統(tǒng)的頻差不是常數(shù)，而是包含有一階、二階或更高階的導(dǎo)數(shù)。加之并列點(diǎn)斷路器還有一個(gè)固有的合閘時(shí)間tk，同期裝置必須在聯(lián)測(cè)電壓相差為零出現(xiàn)前的tk時(shí)發(fā)出合閘命令，才能確保在ψ=00!時(shí)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。也就是說準(zhǔn)同期裝置應(yīng)在ψ=00到來之前有一個(gè)角度ψk發(fā)出合閘指令，ψk與斷路器合閘時(shí)間tk、頻差ωs、頻差的一階導(dǎo)數(shù)dωs/dt及頻差的二階導(dǎo)數(shù)d2ωs/dt2等有關(guān)。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

同期裝置在并網(wǎng)過程中需根據(jù)系統(tǒng)與發(fā)電機(jī)的電壓差值變化不斷快速求解該微分方程，在滿足三個(gè)并網(wǎng)條件下，提前計(jì)算合閘角ψk。并不斷快速測(cè)量當(dāng)前并列點(diǎn)斷路器兩側(cè)的實(shí)際相差ψ，當(dāng)ψ=ψk時(shí)裝置發(fā)出合閘命令，實(shí)現(xiàn)精確的電壓差為零時(shí)并網(wǎng)。

一般的同期控制器具有實(shí)測(cè)tk的功能，并儲(chǔ)存記憶功能。由于系統(tǒng)及發(fā)電機(jī)的電壓差在不斷變化，計(jì)算機(jī)對(duì)ψk的計(jì)算和對(duì)ψ的測(cè)量都不是連續(xù)進(jìn)行的，而是離散進(jìn)行的。實(shí)際運(yùn)用中不一定能恰好捕獲ψk=ψ的時(shí)機(jī)，成功率較低，有可能會(huì)錯(cuò)過最佳的并網(wǎng)機(jī)會(huì)，對(duì)于要求快速并網(wǎng)的發(fā)電廠來說，這是不能滿足要求的。

1.3 均頻與均壓控制的方式

實(shí)現(xiàn)快速并網(wǎng)對(duì)滿足發(fā)電廠與系統(tǒng)負(fù)荷供需平衡及減少發(fā)電廠機(jī)組空轉(zhuǎn)能耗有重要意義，如何捕捉第一次出現(xiàn)的并網(wǎng)時(shí)機(jī)是同期裝置能否實(shí)現(xiàn)快速并網(wǎng)的一項(xiàng)重要指標(biāo)；用良好控制品質(zhì)的算法實(shí)施均頻與均壓控制方式，可以使同期裝置盡快發(fā)出電壓與頻率調(diào)整指令，使壓差與頻差盡快調(diào)整在給定值范圍內(nèi)，這需要引入更為先進(jìn)的調(diào)整方式。SID-2CM控制器使用了模糊控制算法，其表達(dá)式為：

式中U—控制量，E—被控量對(duì)給定值的偏差，C—偏差的變化率，g—模糊控制算法。

圖1給出了系統(tǒng)的控制流圖[2]。

圖1 模糊控制流圖

模糊控制理論是根據(jù)模糊數(shù)學(xué)理論將獲取的被控量偏差E及其變化率C作為模糊控制決策，通過一系列模糊規(guī)則計(jì)算，將輸出指令作用于控制對(duì)象，使被控制量快速達(dá)到滿足要求的控制理論。下面的模糊控制推理規(guī)則表[3]可描述其本質(zhì)。

對(duì)于發(fā)電機(jī)與電力系統(tǒng)的并網(wǎng)操作，頻率和電壓的調(diào)節(jié)，特別是對(duì)發(fā)電機(jī)頻率的調(diào)節(jié)，并網(wǎng)的過程中，頻率的變化可以當(dāng)成一個(gè)隨機(jī)過程，根據(jù)待并系統(tǒng)頻率及頻率變化率作為模糊控制的兩個(gè)變量，將頻率范圍和頻率變化率范圍按實(shí)際情況按表1劃分為正大到負(fù)大七個(gè)范圍。表中將偏差E的模糊值分成正大到負(fù)大共八檔，將偏差變化率C的模糊值分成正大到負(fù)大共七檔，與它們對(duì)應(yīng)的控制器發(fā)出的控制量U的模糊值就有56個(gè)，從正大到負(fù)大共七類值。以調(diào)頻控制為例，如控制器測(cè)量的頻差ωS=ωF-ωX（ωF、ωX分別為待并發(fā)電機(jī)及系統(tǒng)的角頻率）為負(fù)大，而頻差變化率dωS/dt也是負(fù)大，則控制量U為零。這表明盡管發(fā)電機(jī)較之系統(tǒng)頻率很低，但當(dāng)前發(fā)電機(jī)頻率正以很高的速度向升高方向變化，因此無需控制發(fā)電機(jī)頻率就能恢復(fù)到正常值。

表1 模糊控制推理規(guī)則表

在控制過程中模糊控制量的值應(yīng)該有個(gè)量化的環(huán)節(jié)，例如變成控制器發(fā)出控制信號(hào)的脈沖寬度和脈沖間隔。SID-2CM控制器正是通過均頻控制系數(shù)Kf和均壓控制系數(shù)Kv兩個(gè)整定值來對(duì)控制量進(jìn)行量化的，Kf及Kv的選取是在發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中人工手動(dòng)將頻差或壓差控制超出頻差及壓差定值的工況下進(jìn)行，根據(jù)SID-2CM控制器在糾正頻差及壓差的過程中所表現(xiàn)的控制質(zhì)量來修改Kf及Kv，當(dāng)發(fā)現(xiàn)糾正偏差的過程太慢，則應(yīng)加大Kf或KV，反之，如糾正偏差過快并出現(xiàn)反復(fù)過調(diào)，則應(yīng)減小Kf或KV，直到找到最佳值。我們不難看到SID-2CM控制器實(shí)際上是針對(duì)發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)及勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的具體特性來整定控制系數(shù)的。

2 SID-2CM準(zhǔn)同期裝置運(yùn)用

2.1 自動(dòng)轉(zhuǎn)角

珠江電廠的升壓變壓器采用Y/Δ-11的接線，導(dǎo)致星形側(cè)與三角形側(cè)的對(duì)應(yīng)的相電壓有300角度差，為此，接入同期裝置的兩側(cè)同期電壓須對(duì)角度差進(jìn)行補(bǔ)償。實(shí)際做法是發(fā)電機(jī)選用UBC電壓，系統(tǒng)側(cè)用UC電壓，通過恰當(dāng)選擇TV次級(jí)補(bǔ)償相移的輸出，來補(bǔ)償這一相移。SID-2CM同期裝置內(nèi)部已設(shè)置該選項(xiàng)功能，為了簡化設(shè)計(jì)，提供了對(duì)每個(gè)通道（共8或12個(gè)）都可以用軟件來實(shí)現(xiàn)相位轉(zhuǎn)角，且不論選取相電壓或是線電壓都可以，電壓大小也同樣可以通過設(shè)備參數(shù)設(shè)置進(jìn)行比較，無需在輸入裝置前變換電壓大小。SID-2CM同期裝置提供了超前300（-300）、00、滯后300（+300）三種選擇。如同期裝置兩輸入TV二次電壓是對(duì)應(yīng)相的電壓，則應(yīng)將系統(tǒng)側(cè)電壓設(shè)置為進(jìn)行超前300的轉(zhuǎn)角，即設(shè)置為-300。在設(shè)置完畢后一定要在通過現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行相應(yīng)核相測(cè)試及發(fā)電機(jī)并列前假并網(wǎng)試驗(yàn)進(jìn)一步確認(rèn)設(shè)置無誤才能正式使用。

2.2 調(diào)速控制

同期裝置的自動(dòng)調(diào)速功能在機(jī)組調(diào)速器控制品質(zhì)很好時(shí)可以退出，但也要敷設(shè)同期裝置至調(diào)速器的加、減速控制電纜，特別是加速控制電纜。因?yàn)楝F(xiàn)在調(diào)速器的跟蹤調(diào)節(jié)功能很強(qiáng)，很容易使待并機(jī)組與系統(tǒng)達(dá)到同頻狀態(tài)，此時(shí)同期裝置不論是否選用自動(dòng)調(diào)頻功能，都會(huì)對(duì)機(jī)組實(shí)施加速控制，以盡快擺脫同頻狀態(tài)；待并系統(tǒng)兩側(cè)電壓同頻意味兩種情況：一是兩側(cè)電壓已經(jīng)滿足要求，可以并網(wǎng)；二是由于接線錯(cuò)誤、電壓短接等情況，不經(jīng)同期裝置的動(dòng)態(tài)調(diào)整就將發(fā)電機(jī)并入系統(tǒng)，將會(huì)造成發(fā)電機(jī)非同期并列。因此同頻閉鎖功能是非常有必要的，如果調(diào)速器切斷了同期裝置的加速控制回路，將無法實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。

2.3 實(shí)現(xiàn)正向功率并網(wǎng)

若并列前，發(fā)電機(jī)電壓相位比系統(tǒng)電壓相位稍有超前，發(fā)電機(jī)電壓頻率比系統(tǒng)電壓頻率略高，這樣，合閘后發(fā)電機(jī)既可帶上有功負(fù)荷，產(chǎn)生一個(gè)制動(dòng)力距，有利于將發(fā)電機(jī)快速牽入同步。SID-2CM型微機(jī)準(zhǔn)同期裝置以精確的數(shù)學(xué)模型，確保了差頻并網(wǎng)時(shí)捕捉到第1次出現(xiàn)的零相差，進(jìn)行無沖擊并網(wǎng)，并可實(shí)現(xiàn)正向功率并網(wǎng)，避免出現(xiàn)短時(shí)間逆功率運(yùn)行。

3 結(jié)論

發(fā)電機(jī)快速并網(wǎng)是發(fā)電廠基于系統(tǒng)的需要，也是節(jié)能降耗的要求，因此要求發(fā)電機(jī)準(zhǔn)確地、快速地并入電網(wǎng)，對(duì)系統(tǒng)和發(fā)電廠都是有利的。而快速及準(zhǔn)確地并網(wǎng)的具體指標(biāo)就是盡快將發(fā)電機(jī)電壓與系統(tǒng)電壓的壓差與頻差控制在允許值范圍內(nèi)，并運(yùn)用先進(jìn)計(jì)算理論提前一定的角度或時(shí)間發(fā)出合閘指令，確保發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)的電壓相差在=0時(shí)將發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)。將發(fā)電機(jī)快速及準(zhǔn)確地并入電網(wǎng)不僅滿足了系統(tǒng)日益競(jìng)爭(zhēng)激烈的要求，同時(shí)也節(jié)約了并網(wǎng)前需要維持發(fā)電機(jī)廠用電的大量的能源，經(jīng)濟(jì)效益也是明顯的。

我們相信，隨著同步過程中的理論研究的不斷深入，SID-2CM型微機(jī)準(zhǔn)同期裝置等先進(jìn)的微機(jī)型自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置將會(huì)不斷地推出，它將會(huì)為高速發(fā)展的電力系統(tǒng)的并網(wǎng)操作提供更加高效、可靠、安全的有力保證。

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