大角度非準(zhǔn)同期并網(wǎng)試驗在水輪發(fā)電機電磁模型性能試驗系統(tǒng)中的實現(xiàn)

胡麗杰，劉 瑩，李金香，梁 彬，王洪泉，高 尚，韓 波

(水力發(fā)電設(shè)備國家重點實驗室，哈爾濱 150040)

大角度非準(zhǔn)同期并網(wǎng)試驗在水輪發(fā)電機電磁模型性能試驗系統(tǒng)中的實現(xiàn)

胡麗杰，劉 瑩，李金香，梁 彬，王洪泉，高 尚，韓 波

(水力發(fā)電設(shè)備國家重點實驗室，哈爾濱 150040)

本文論述了在水輪發(fā)電機電磁模型性能試驗系統(tǒng)中進(jìn)行非準(zhǔn)同期并網(wǎng)實驗的實現(xiàn)過程，并得出水輪發(fā)電機側(cè)與網(wǎng)側(cè) 0°～180°不同電壓相角差并網(wǎng)時對水輪發(fā)電機電壓、電流的沖擊數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)對水輪發(fā)電機設(shè)計及解決現(xiàn)場故障有一定的指導(dǎo)作用。

同期并網(wǎng)裝置；水輪發(fā)電機；非準(zhǔn)同期并網(wǎng)

0 前言

在水電站發(fā)電機并網(wǎng)操作是一項較頻繁而且十分重要的操作。如果并網(wǎng)操作不正確，發(fā)電機將承受很大的沖擊電流，使發(fā)電機和發(fā)電機串聯(lián)中的斷路器、主變等設(shè)備受損，甚至影響到系統(tǒng)的安全運行。非準(zhǔn)同期并網(wǎng)對水輪發(fā)電機組及電網(wǎng)的危害是不可估量的，所以，我們需要正確認(rèn)識非準(zhǔn)同期并網(wǎng)對水輪發(fā)電機組及電網(wǎng)的危害并掌握危害的程度。由于電站真機系統(tǒng)不允許做這樣的試驗，因此重點實驗室自主開發(fā)研制了水輪發(fā)電機電磁模型性能試驗系統(tǒng)，通過試驗獲得了非準(zhǔn)同期并網(wǎng)對水輪發(fā)電機組及電網(wǎng)危害的數(shù)據(jù)。此數(shù)據(jù)對水輪發(fā)電機設(shè)計及解決現(xiàn)場故障有一定的指導(dǎo)作用。

1 水輪發(fā)電機電磁模型性能試驗系統(tǒng)

為了深入地研究大型水輪發(fā)電機電磁性能、機網(wǎng)特性而建立水輪發(fā)電機電磁模型性能試驗系統(tǒng)，它主要是完成真實模擬大型水輪發(fā)電機各種正常運行工況及各種故障性工況的任務(wù)。水輪發(fā)電機電磁模型性能試驗系統(tǒng)由主回路部分、測控系統(tǒng)部分組成。水輪發(fā)電機電磁模型性能試驗系統(tǒng)如圖 1所示，主要由100kW水輪發(fā)電機、110kW異步電動機、160kW變頻器、西門子的6RA70系列全數(shù)字直流調(diào)速裝置、PLC采集控制部分、同期并網(wǎng)裝置、主回路各種電氣開關(guān)、測量儀器等組成。其中，110kW異步電動機模擬水輪發(fā)電機；160kW變頻器實現(xiàn)調(diào)速器的功能，對異步電動機轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)；西門子的6RA70系列全數(shù)字直流調(diào)速裝置實現(xiàn)發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)功能，用來調(diào)節(jié)100kW水輪發(fā)電機輸出的端電壓大小。

水輪發(fā)電機電磁模型性能實驗臺系統(tǒng)由6kV供電，由于引入兩種阻抗，模擬電站現(xiàn)場線路阻抗Z2和防止短路試驗時短路電流對變壓器沖擊的阻抗 Z1、Z3，所以選用降壓變壓器1（600kVA，6000/690，58A/502A）將6kV降為690V。又因為調(diào)節(jié)異步電動機轉(zhuǎn)速的變頻器需380V供電電源，所以再經(jīng)降壓變壓器2（250kVA，690/380，209A/380A）將690V降為380V，異步電動機帶動同軸水輪發(fā)電機旋轉(zhuǎn)，在發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的共同作用下建立旋轉(zhuǎn)磁場，水輪發(fā)電機的定子上發(fā)出380V交流電壓，當(dāng)水輪發(fā)電機發(fā)出電壓波形與網(wǎng)上電壓波形滿足并網(wǎng)三要素（電壓幅值、頻率、相位）時在同期并網(wǎng)裝置作用下進(jìn)行自動同期并網(wǎng)操作，將同步發(fā)電機并到電網(wǎng)上，向電網(wǎng)輸送電能。

圖1 水輪發(fā)電機電磁模型性能試驗系統(tǒng)

2 同期并網(wǎng)在試驗系統(tǒng)中的實現(xiàn)

同期并網(wǎng)包括準(zhǔn)同期并網(wǎng)和非準(zhǔn)同期并網(wǎng)。同期并網(wǎng)是發(fā)電機并網(wǎng)前先將轉(zhuǎn)速調(diào)到額定轉(zhuǎn)速，加勵磁調(diào)節(jié)發(fā)電機端電壓，當(dāng)發(fā)電機輸出電壓的相位、頻率、幅值與網(wǎng)側(cè)電壓的相位、頻率、幅值符合并網(wǎng)三要素時，發(fā)電機斷路器合閘，完成發(fā)電機并網(wǎng)操作。

準(zhǔn)同期并網(wǎng)又分為手動準(zhǔn)同期并網(wǎng)與自動準(zhǔn)同期并網(wǎng)兩種方式，本試驗系統(tǒng)采用自動準(zhǔn)同期并網(wǎng)。準(zhǔn)同期并網(wǎng)應(yīng)具備的理想條件和實際條件[1]。

（1）發(fā)電機電壓與網(wǎng)側(cè)電壓有效值相等，其誤差允許范圍5%～10%。

（2）發(fā)電機頻率與網(wǎng)側(cè)頻率相等，其誤差允許范圍 0.2Hz～0.5Hz。

（3）發(fā)電機電壓與網(wǎng)側(cè)電壓相角相同，其誤差允許范圍小于10°。

水輪發(fā)電機并入電網(wǎng)時可能發(fā)生非準(zhǔn)同期并網(wǎng)情況，只要沒有滿足并網(wǎng)條件中的一項或多項都屬于非同期并網(wǎng)。由于發(fā)電機側(cè)與網(wǎng)側(cè)對壓差和頻差導(dǎo)致并網(wǎng)瞬間并列點兩側(cè)出現(xiàn)一定的無功功率和有功功率的交換都有相當(dāng)?shù)某惺芰Γl(fā)電機并網(wǎng)時相角差的存在會導(dǎo)致機組損傷，所以不滿足并網(wǎng)條件（3）是非同期并網(wǎng)中最為嚴(yán)重的[2]。本文中發(fā)電機電磁模型性能試驗系統(tǒng)對發(fā)電機系統(tǒng)危害最嚴(yán)重的情況進(jìn)行試驗，即滿足并網(wǎng)條件（1）、（2），不滿足并網(wǎng)條件（3），使發(fā)電機與網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)瞬間電壓相角差為 0°～180°準(zhǔn)同期與非準(zhǔn)同期并網(wǎng)的試驗。

2.1 同期并網(wǎng)裝置及調(diào)試試驗

同期并網(wǎng)裝置是水輪發(fā)電機電磁模型性能試驗系統(tǒng)中同期并網(wǎng)試驗的核心裝置。同期并網(wǎng)裝置在差頻并網(wǎng)過程中出現(xiàn)同頻時，裝置將自動給出加速控制命令，消除同頻狀態(tài)，并且同期并網(wǎng)裝置應(yīng)用自身精確的控制數(shù)學(xué)模型確保裝置能絕不遺漏地捕捉到第一次出現(xiàn)的并網(wǎng)時機，并精確地在用戶所要求的相角差時完成并網(wǎng)。

同期并網(wǎng)裝置工作是否正常決定發(fā)電機組是否能夠順利和安全并入電網(wǎng)，所以發(fā)電機組并網(wǎng)試驗前對并網(wǎng)裝置的動、靜態(tài)調(diào)試顯得尤為重要。由于某些試驗人員往往忽略同期裝置一些重要的真并網(wǎng)前調(diào)試試驗的細(xì)節(jié)，導(dǎo)致在有些試驗發(fā)生假并網(wǎng)或真并網(wǎng)試驗中出現(xiàn)故障停機的現(xiàn)象，從而延誤整個試驗進(jìn)程。所以同期并網(wǎng)裝置應(yīng)用到水輪發(fā)電機電磁模型性能試驗系統(tǒng)的并網(wǎng)系統(tǒng)中，首先進(jìn)行真并網(wǎng)前的各項試驗，如自測試試驗、導(dǎo)前時間測試試驗、調(diào)速脈沖檢查試驗、調(diào)壓脈沖檢查試驗、外回路檢查試驗、核相試驗、假同期試驗[3]等。這樣不僅能夠檢驗同期并網(wǎng)裝置的工作是否正常，還可以檢驗整個并網(wǎng)系統(tǒng)的回路是否存在故障。

2.2 同期并網(wǎng)實現(xiàn)過程

水輪發(fā)電機電磁模型性能試驗系統(tǒng)在發(fā)電機進(jìn)行同期并網(wǎng)過程中由上位計算機對同期并網(wǎng)裝置進(jìn)行設(shè)置，同期并網(wǎng)裝置與上位機的信息傳輸是通過以太網(wǎng)UDP協(xié)議進(jìn)行傳輸?shù)?。對同期并網(wǎng)裝置進(jìn)行設(shè)置的上位機同期并網(wǎng)監(jiān)控界面如圖 2所示，包括裝置參數(shù)初始化、同期參數(shù)初始化、運行監(jiān)視、錄波事件。點擊進(jìn)入裝置參數(shù)初始化或同期參數(shù)初始化界面，按試驗要求對裝置參數(shù)、同期參數(shù)進(jìn)行初始化設(shè)置；點擊進(jìn)入運行界面，可以監(jiān)測到發(fā)電機側(cè)與網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)的全過程，當(dāng)運行界面的“就緒”指示燈變綠，啟動同期并網(wǎng)[4]。此時由同期并網(wǎng)裝置對機組頻率及電壓進(jìn)行控制發(fā)出調(diào)節(jié)的信號。調(diào)節(jié)信號以干接點方式輸出，送給PLC作為數(shù)字輸入。PLC接收到裝置發(fā)出的信號后，對其脈沖信號進(jìn)行計數(shù)，并在PLC系統(tǒng)中分別生成電壓和頻率兩種升降微調(diào)脈沖計數(shù)值。上位機通過OPC將脈沖數(shù)讀到上位機監(jiān)控系統(tǒng)中，并根據(jù)試驗工況，確定合適的微調(diào)步長，生成微調(diào)指令，從而修正原轉(zhuǎn)速和電壓給定指令，確保最快最平穩(wěn)地使頻差及壓差進(jìn)入整定范圍以滿足并網(wǎng)三要素中的兩要素。當(dāng)電壓與轉(zhuǎn)速符合并網(wǎng)條件后，并網(wǎng)裝置等待符合試驗要求的相角差出現(xiàn)，自動捕捉發(fā)出合閘脈沖，閉合斷路器，發(fā)電機并入電網(wǎng)，同期并網(wǎng)裝置閉鎖退出系統(tǒng)。

圖2 上位機同期并網(wǎng)監(jiān)控界面

3 試驗結(jié)果

水輪發(fā)電機電磁模型系統(tǒng)成功實現(xiàn)了相角差 0°～180°同期并網(wǎng)實驗，本文著重介紹對發(fā)電機影響較嚴(yán)重的120°和180°相角差非準(zhǔn)同期并網(wǎng)工況的實驗數(shù)據(jù)。圖3～6中上邊框T即下邊框0us時刻為發(fā)生并網(wǎng)的時刻。圖3為相角差120o電機端電壓波形，在并網(wǎng)點時刻對發(fā)電機端電壓的最大峰值沖擊達(dá)到880V；圖5為相角差180o電機端電壓波形，在并網(wǎng)點時刻對發(fā)電機端電壓的最大峰值沖擊達(dá)到730V。對比圖3和圖5得出相角差120o對發(fā)電機端電壓沖擊比較大。圖4所示相角差120o電機電流波形，在并網(wǎng)點時刻對發(fā)電機電流最大峰值的沖擊達(dá)到1900A；圖6為相角差180o電機峰值電流波形，在并網(wǎng)點時刻對發(fā)電機電流最大峰值的沖擊達(dá)到2700A。對比圖4和圖6得出相角差180o對發(fā)電機電流沖擊比較大。不同系統(tǒng)相同相角差工況下電流具體數(shù)值通常是不同的，與系統(tǒng)線路及主變壓器的參數(shù)大小有直接關(guān)系。

4 結(jié)束語

本文論述了水輪發(fā)電機電磁模型電機相角差 0°～180°同期并網(wǎng)試驗，實現(xiàn)了水電站現(xiàn)場不能進(jìn)行的非準(zhǔn)同期并網(wǎng)試驗，特別是較為嚴(yán)重的120°和180°相角差對電機危害比較大的同期并網(wǎng)實驗工況。120°相角差并網(wǎng)瞬時最大電壓可達(dá)880V，是水輪發(fā)電機額定電壓最大值537V的1.64倍；180°相角差并網(wǎng)瞬時最大電流可達(dá)2700A，是水輪發(fā)電機額定電流最大值267A的10倍。水輪發(fā)電機電磁模型性能試驗數(shù)據(jù)的獲得對電機設(shè)計及現(xiàn)場故障的處理有一定的指導(dǎo)作用。

圖3 相角差120o電機端電壓波形

圖4 相角差120o電機電流波形

圖5 相角差180o電機端電壓波形

圖6 相角差180o電機電流波形

[1] 王瑩. 電力系統(tǒng)及其自動化[M]. 中國電力出版社，2007.

[2] 龔炳林. 發(fā)電機非同期并列的危害與對策[J].電氣時代, 2005, (3).

[3] 胡征東, 劉宇, 鐘磊. 發(fā)電機同期系統(tǒng)試驗及并網(wǎng)過程分析[J]. 湖南電力, 2008, (6).

[4] 胡麗杰, 等. 水輪發(fā)電機并網(wǎng)裝置通訊與測控軟件的開發(fā)[J]. 大電機技術(shù), 2012, (5).

審稿人：畢純輝

Application Performance of Synchronous Device for the Hydro-generators Electromagnetic Model Test Bed

HU Lijie, LIU Ying, LI Jinxiang, LIANG Bin, WANG Hongquan, GAO Shang, HAN Bo
(State Key Laboratory of Hydro-power Equipment, Harbin 150040, China)

Based on the synchronous device in synchronous system really before commissioning test in this paper, the synchronization process description and the application in the system of electromagnetic model performance test-bed of hydro- generator. The generator side and grid side 0 °～180° different voltage phase angle difference grid of water wheel generator voltage, current impact data, this data has the certain instruction function to the hydro-generator design and on-site to solve fault.

synchronous device; hydro-generator; non synchronization

TM312

A

1000-3983(2014)03-0013-03 基金項目：國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目（973項目）（2012CB724402）

2013-07-16

胡麗杰（1977-），2006年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)電機與電器專業(yè)，碩士研究生，現(xiàn)從事電機測試與控制工作，工程師。