淺析準同期裝置工作原理

郭繼祖

引言：簡要介紹了電網并列概念，討論了同步發電機安全并入電網所需的條件，并針對不同條件下的并網過程進行了推導分析，為自動準同期裝置的研制提供了理論依據。

在電力系統中，有許多電源點并列在一起運行，每個發電機的相對角速度都在允許的極限值以內同步運行。電負荷的波動或電力系統中存在各種故障或運行方式的要求，部分電源或部分電網與主網解列后需要并入主網運行，如果將同步發電機投入到電力系統參加同步并列運行的操作不滿足并列條件，將產生極大的沖擊電流，會損壞系統中的發電機，引起系統電壓嚴重下降，甚至可能使電力系統發生振蕩，甚至系統解列。

一、準同期并列的概念

準同期并列

待并發電機組與同時刻的電網相序相同，電壓、頻率基本相同，電壓相角差接近于零條件下經斷路器并聯運行的操作。

并網合閘瞬間，系統電壓加在發電機定子上，由其產生的三相電流合成的以角速度Ws旋轉的旋轉磁場，將產生一個電磁轉矩強迫發電機轉子軸系的磁軸與其方向一致，在巨大的電磁轉矩作用下，繞組線棒會變形松脫、出現轉子一點或多點接地、聯軸器螺栓扭曲、主軸裂紋等現象。電力系統的電氣諧振頻率fe有時低于工頻許多，而發電機組轉子軸系也有個比工頻低得多的機械諧振頻率fm。當電力系統以某時出現 fe+fm=50HZ時，只要有小的擾動，即將導致電氣系統與發電機組轉子軸系的次同步諧振。此時定子繞組的電磁轉矩和轉子軸系扭矩不斷增長，它們相互間的這種能量交換最終引起轉子軸系的嚴重損壞，還可能使主軸斷裂。發電廠自動準同期并列具有相當重要的意義。

二、同步發電機并網運行的優點

三相同步發電機是常用的交流發電機，但是單一臺三相同步發電機對電網供電不能保證供電質量（電壓和頻率的穩定性）和可靠性（發生故障就得停電） 且無法實現供電的靈活性和經濟性。

為改善單機缺點，可將幾臺同步發電機或幾個發電站并成一個電網。現代發電廠中都是把幾臺同步發電機并聯起來接在共同的匯流排上，一個地區總是有好幾個發電廠并聯起來組成一個強大的電力系統。

三、準同期并列的條件

電力系統準同期并列的理想條件就是斷路器兩側電壓的頻率、電壓幅值及相角三個狀態量全部相等，此時并列合閘的沖擊電流等于零，并列后兩個系統立即進入同步運行，不會產生任何擾動現象。實際運行中理想條件很難同時滿足，并列合閘瞬間，電壓高的一側向電壓低的一側輸送一定的無功功率，頻率高的一側則向頻率低的一側輸送一定的有功功率。而發電機本身可以承受短路和線路自動重合的沖擊，所以在自動準同期裝置中，頻率差、電壓差要求不必十分嚴格，但必須在規定范圍內有相角差并網，且必須相序相同，故并列的條件：

（1）雙方應有一致的相序；

（2）應使待并發電機的頻率接近系統頻率。一般頻差不超過0.4Hz ；

（3）應使待并發電機和系統電壓接近相等，一般電壓應在10%以內；

（4）應使得在并網合閘時刻，待并發電機與系統相角差趨于零。通常不宜超過10度；

四、同步發電機并網運行條件的分析

設同步發電機A相的瞬時電壓為： ，設電網A相的瞬時電壓為 。假設同步發電機與電網的相序一致，而同步發電機與電網的電壓有效值和頻率不同，那么同步發電機與電網之間的瞬時電壓差應該用下式表示：

這個瞬時電壓差稱為滑差，并網運行時沖擊電流大小就決定于此滑差。下面將討論相位差、頻率差和電壓差對滑差的影響。

（一）相位差對滑差影響的分析

現在假設同步發電機的電壓有效值與電網電壓有效值相等。則式（1）將變為：

u表示滑差，其值越小，電網與發電機組成的回路內產生的瞬時沖擊電流越小。從式（2）可以看出只要 ，那么滑差u=0。這只需 即可。

（二）頻率差對滑差影響的分析

還是假設同步發電機電壓的有效值與電網電壓的有效值相等。這可以分4種情況討論：（1）如果同步發電機A相的瞬時電壓的頻率 與電網A相瞬時電壓的頻率 不相等，則 ，并且同步發電機A相的瞬時電壓的初相位 與電網A相瞬時電壓的初相位 也不相等，那么分析的結果和相位差對滑差的影響的分析結果相同。（2）如果同步發電機A相的瞬時電壓的頻率 與電網A相瞬時電壓的頻率 相等，則 ，并且同步發電機A相的瞬時電壓的初相位 與電網A相瞬時電壓的初相位 也相等，那么根據式（2）可得滑差u=0。顯然這是最理想的情況。（3）如果同步發電機A相的瞬時電壓的頻率 與電網A相瞬時電壓的頻率 相等，則 ，并且同步發電機A相的瞬時電壓的初相位 與電網A相瞬時電壓的初相位 不相等，那么根據式（2）可得滑差 。而 越接近零，滑差越小，同步發電機的并網開關閉合瞬間，產生的沖擊電流越小。（4）如果同步發電機A相的瞬時電壓的頻率 與電網A相瞬時電壓的頻率 不相等，則 ，并且同步發電機A相的瞬時電壓的初相位 與電網A相瞬時電壓的初相位 相等，那么根據式（2）可得滑差 。而 越接近零，滑差越小，同步發電機的并網開關閉合瞬間，產生的沖擊電流越小。

（三）電壓差對滑差影響的分析

如果同步發電機的電壓的有效值與電網電壓的有效值不相等，從式（1）可以看出即使同步發電機A相的瞬時電壓的頻率 與電網A相瞬時電壓的頻率 相等，同步發電機A相的瞬時電壓的初相位 與電網A相瞬時電壓的初相位 也相等。滑差 。

通過上述分析，可得到這樣的結論：控制同步發電機的并網開關在相位差過零點并網時沖擊電流的大小取決于此時電網和發電機的電壓差，電壓差越大，沖擊電流越大，電壓差為零，則沒有沖擊電流。

利用計算機和準同期條件設計自動準同期裝置以便實現發電機自動并網的智能控制。其裝置必須能夠自動檢測電網和發電機的電壓、頻率和相位差，促使準同期條件得到滿足，從而實現發電機的準確并網。由于發電機并網開關閉合需要一定的時間，因此，自動準同期裝置所要完成的主要任務是：控制發電機的電壓和頻率，使發電機與電網的電壓差和頻差被限制在一定的范圍內。在相位差的周期性變化過程中，通過動態測量其變化率，根據并網開關閉合所需時間的大小，捕捉合閘脈沖的發出時機，從而控制斷路器在相位差過零點附近閉合。

參考文獻

[1] 付巍.同步發電機并網運行的研究. 機械管理開發， 2005.10第5期（總第86期）：23-24.

[2] 李海爭.準同期裝置工作原理及其在我廠的應用. 2009年管理論叢與技術研究刊.471-475.

[3] 王天品.發電機微機自動準同期系統應用. 云南電力技術， V01. 34 No. 2Ap r. 2006：36-37 .

（作者單位：西北民族大學）