(遼寧省本溪滿族自治縣水務(wù)局，遼寧 本溪 117100)

本溪滿族自治縣是遼寧省多山且水資源相對較豐富的地區(qū)，也是全國水電農(nóng)村電氣化的試點(diǎn)縣之一。由于地區(qū)內(nèi)多建設(shè)小水電，因機(jī)組小而往往被忽視，導(dǎo)致發(fā)電效率低、質(zhì)量差，并網(wǎng)時(shí)造成很大的電網(wǎng)沖擊[1]，影響地區(qū)電網(wǎng)的正常運(yùn)行，成為電網(wǎng)運(yùn)行中的“雞肋”。采取措施解決以上問題已迫在眉睫。

1 現(xiàn)狀分析

按照以往水電站小機(jī)組的運(yùn)行條件，通常采取手動并列方式運(yùn)行。多年的實(shí)際運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，手動并列不僅延誤并列時(shí)間，而且存在著重大安全隱患。因?yàn)槭謩訙?zhǔn)同步裝置一般是幾臺機(jī)組共用一套，為防止合閘人員誤發(fā)合閘指令造成非同步合閘，需要在控制回路中設(shè)置非同步合閘閉鎖裝置，裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各機(jī)組的控制電纜繁多，很難避免因線間信號串?dāng)_而導(dǎo)致的系統(tǒng)誤動，成為小水電站管理上極其棘手的問題。

2 并列基本條件

若采取準(zhǔn)同步或自動同步方法，在自動監(jiān)視電壓差、頻率差的前提下，選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)發(fā)出合閘脈沖，即斷路器在相位角為0°時(shí)合閘，同時(shí)采取具有自動調(diào)節(jié)電壓和頻率的單元裝置，將在小型電站運(yùn)行中破解以上難題。

當(dāng)電壓差和頻率差不滿足并列條件時(shí)自動發(fā)出回饋指令進(jìn)行整定[2]，當(dāng)頻率差不滿足要求時(shí)，自動通過水輪機(jī)調(diào)速器調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，提高或降低頻率；當(dāng)電壓差不滿足要求時(shí)，自動通過勵磁調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的輸出電壓，使其達(dá)到系統(tǒng)要求的整定電壓。

按照同期(并列)的理論條件，系統(tǒng)母線電壓U表示如下：

U=Umsin(ωt+φ)

式中Um——電壓最大值,V;

ωt——頻率,Hz;

φ——相位。

理想條件如下,有

Us=0

fs=0δ=0(合瞬間)

式中Us——電壓最大值，V；

fs——頻率，Hz；

δ——相位。

機(jī)組運(yùn)行中，實(shí)際允許的條件如下：

Us≤(5～10)%Uθ

fs≤(0.2～0.5)%Uθ=(0.1～0.25)Hz

δ≤10

因此，需要研究適用于小機(jī)組的并列開關(guān)，以保證小型機(jī)組并列條件的滿足。

3 自動并列開關(guān)構(gòu)成及工作原理

3.1 并列開關(guān)構(gòu)成框圖

根據(jù)對小型機(jī)組運(yùn)行條件的針對性分析，設(shè)計(jì)的并列開關(guān)構(gòu)成見圖1。

圖1 并列開關(guān)構(gòu)成框圖

3.2 并列開關(guān)工作原理

開關(guān)中，由多電量電力變送器采集包括電網(wǎng)端和同步發(fā)電機(jī)輸出端的電氣參數(shù)，經(jīng)過RS485總線傳送給CPU單元。CPU單元根據(jù)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)裝置和勵磁電流調(diào)節(jié)裝置提供的同步發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)值，調(diào)整及反饋運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，使其達(dá)到同步發(fā)電機(jī)組并列運(yùn)行條件。在符合并列運(yùn)行條件后由CPU發(fā)出并列執(zhí)行指令，實(shí)現(xiàn)同步發(fā)電機(jī)組準(zhǔn)同期并網(wǎng)運(yùn)行。

4 并列開關(guān)主要功能及實(shí)現(xiàn)方法

4.1 多電量電力變送器實(shí)現(xiàn)原理

并列開關(guān)設(shè)計(jì)中，電流采集回路的變送原理見圖2，電壓量采集回路見圖3。其中，CT及PT單元輸出4～20mA和0～5V的模擬量信號，經(jīng)由AD8604及外圍元件組成運(yùn)算放大電路放大后直接輸入給CPU模擬信號的輸入端，由CPU計(jì)算出電網(wǎng)及同步發(fā)電機(jī)側(cè)對應(yīng)的瞬時(shí)電流、電壓、頻率及初相角參數(shù)。

圖2 電流采集回路

圖3 電壓量采集回路

4.2 核心處理器(CPU)描述及實(shí)現(xiàn)功能

核心處理器(CPU)是其中關(guān)鍵的部件，直接反映了系統(tǒng)運(yùn)行的壽命、功效和指令執(zhí)行的準(zhǔn)確程度，經(jīng)過多實(shí)例篩選，CPU單元采用系統(tǒng)級混合信號芯片C8051F06x。該系列產(chǎn)品是高度集成的混合信號單片機(jī)[3]，具有2個(gè)獨(dú)立的16位高速SAR ADC，每個(gè)速度都高達(dá)1Msps，是目前集成到單片機(jī)上的SAR ADC中精度最高的。憑借其片上VDD監(jiān)視器、WDT以及時(shí)鐘振蕩器，使得該系列單片機(jī)成為真正獨(dú)立的系統(tǒng)級芯片解決方案。所有模擬和數(shù)字外設(shè)都可以由用戶固件啟用/禁用和配置。Flash存儲器可以在線編程，提供非易失性數(shù)據(jù)存儲，并還允許8051固件的現(xiàn)場升級[4]。片上JTAG調(diào)試電路允許使用安裝在最終產(chǎn)品上的單片機(jī)進(jìn)行非侵入(不占用片上資源)、全速度、在線調(diào)試。 該調(diào)試系統(tǒng)支持檢查和修改存儲器和寄存器、設(shè)置斷點(diǎn)和觀察點(diǎn)、單步、運(yùn)行和停止命令。在使用JTAG進(jìn)行調(diào)試時(shí)，所有模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能工作。其內(nèi)部關(guān)鍵指令系統(tǒng)見圖4。

圖4 8051內(nèi)部關(guān)鍵指令系統(tǒng)框圖

4.3 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)裝置描述

作為水輪發(fā)電機(jī)組重要附屬設(shè)備之一的水輪機(jī)調(diào)速器，利用其調(diào)節(jié)控制和液壓隨動功能，通過隨動裝置對水輪機(jī)實(shí)施閉環(huán)控制，以達(dá)到調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)而調(diào)控其頻率的目的。

對于同步電機(jī)，其轉(zhuǎn)速為

n=60f/p

式中n——電機(jī)轉(zhuǎn)速;

f——頻率,我國工頻為50Hz;

p——極對數(shù)。

由上式可知，每臺同步發(fā)電機(jī)的極對數(shù)是定值，為了達(dá)到工頻50Hz的要求，就必須通過調(diào)整同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速使其達(dá)到恒定值。因此，小型控制開關(guān)的設(shè)計(jì)采取由通信總線通過調(diào)速器進(jìn)行連接，由核心處理器統(tǒng)一發(fā)出對應(yīng)的調(diào)速指令。對水輪發(fā)電機(jī)組的開機(jī)、頻率調(diào)節(jié)、頻率跟蹤、功率調(diào)節(jié)、導(dǎo)葉等的控制由CPU下達(dá)指令，完成并網(wǎng)參數(shù)的調(diào)制[5]。

由于許多小電站的機(jī)組運(yùn)行年限較久，目前由于資金原因，還不能進(jìn)行全面更新，因此，小型同步發(fā)電機(jī)并列開關(guān)的設(shè)計(jì)，通過人機(jī)交互界面，根據(jù)多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在人工設(shè)定參數(shù)功能的支持下，實(shí)現(xiàn)對各機(jī)組的偏移參數(shù)進(jìn)行修正，以達(dá)到統(tǒng)一整定的目標(biāo)。這樣，開機(jī)后調(diào)速器可自動監(jiān)測并調(diào)整發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行轉(zhuǎn)速為設(shè)定值，調(diào)整結(jié)束使該機(jī)組具備并列條件中的同頻條件，實(shí)現(xiàn)小水電發(fā)電機(jī)組的高質(zhì)量發(fā)電。

4.4 勵磁電流調(diào)節(jié)裝置描述

在合閘時(shí)電壓幅值差對同步電機(jī)的電流沖擊見圖5。

圖5 合閘時(shí)電壓幅值差對同步電機(jī)的電流沖擊

合閘相角差對同步電機(jī)的電流沖擊見圖6。

圖6 合閘相角差對同步電機(jī)的電流沖擊

由此可見，對于同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子中的勵磁電流，正常運(yùn)行時(shí)是由外部加在轉(zhuǎn)子上的直流電壓產(chǎn)生的，勵磁直流電壓是由直流電機(jī)輸出，由可控硅整流后供給的，再通過對自動準(zhǔn)同期裝置中的電量檢測，清楚地反映電網(wǎng)及發(fā)電機(jī)端的運(yùn)行狀態(tài)，為同期并列提供參數(shù)依據(jù)。

5 結(jié) 語

并列過程的合理性及科學(xué)性有利于減小并列瞬時(shí)對同步發(fā)電機(jī)的電流沖擊。自動準(zhǔn)同期設(shè)備的應(yīng)用可以客觀合理地監(jiān)測電網(wǎng)及發(fā)電機(jī)端的電量參數(shù)，根據(jù)參數(shù)的變化及時(shí)準(zhǔn)確地觸發(fā)并列操作，降低沖擊電流對設(shè)備及電網(wǎng)的損傷和干擾，是小型無人值守發(fā)電站控制方式的發(fā)展方向。

[1] 李光琦.電力系統(tǒng)暫態(tài)分析[M].北京：中國電力出版社，2007：33.

[2] 陳衍.電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析[M].北京：中國電力出版社，2007：6.

[3] 李光弟.單片機(jī)基礎(chǔ)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2000:57.

[4] 汪曉光，王艷丹，孫曉瑛，等.可編程控制原理及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994：133.

[5] 張漢杰.現(xiàn)代電標(biāo)控制技術(shù)[M].哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版杜，1996：102.