棒電源系統同步控制方法優化

張波

摘 要：本文介紹了一種基于PLC控制以及的同步發電機同步控制方法，解決了在不帶調速裝置情況下的發電機組同步控制問題，并給出了并車電組選擇方法以及控制邏輯，簡化了控制過程，提高了并車成功率，取得了良好的效果。

關鍵詞：棒電源；電動發電機組；同步控制；并車電阻

中圖分類號：TM76 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）07-0076-02

1 概述

核電站的控制棒驅動機構電源系統（簡稱棒電源系統），是由兩列電動發電機組構成，每一列電動發電機組由一臺交流異步電動機作為原動機，通過傳動軸帶動一臺同步發電機向下游負載供電。其主要功能是向控制棒驅動機構進行供電，其系統單線圖如圖1所示。

從圖1可以看出，棒電源系統由兩列獨立的電動發電機組組成，原動機為380VAC交流異步電動機，發電機由原動機帶動發電，向下游負載提供電源。其正常的運行工況需要兩列電動發電機組先在沒有任何外部負載的條件下進行空載并車，帶待兩列電動發電機組正常并列運行后，在投入負載系統，進入正常運行階段，因此要求棒電源系統在沒有外部負載條件下的并車操作成為該系統必須解決的一個問題。本文提出了一種基于PLC控制策略，增加專用并車電阻的方式實現電動發電機組的空載（不連接棒電源系統的實際負載）并車，對原有的并車方式進行改進，取得了良好的效果。

2 原有并車方式

由于棒電源機組的原動機為三相交流異步電動機，未設置調速裝置的情況下固有轉速相同，而且兩列電動發電機組無法在同一時刻完成啟動，從而導致兩列電動發電機組的輸出電壓長時間無法滿足并車條件，從而不能順利完成并車以滿足運行條件。因此在電動發電機組不帶其他負載的情況下，由于無法通過調速的方式實現兩列發電機的同步，在以往核電廠實際運行過程中，兩列電動發電機組機組的空載并車有兩種解決辦法：（1）首先啟動兩列電動發電機組后，接著手動停止其中一臺MG機組的電動機，等待一定時間后，再次啟動；（2）首先啟動兩臺MG機組后，接著由程序控制其中一臺MG機組的電動機的自動啟停。上述兩種方法本質相同，都是采用一臺發電機組正常運行，待并車組在通過啟停上游電源開關，在待并車組加減速過程中制造并車條件從而實現空載并車，但其成功率非常低且時間不可控，存在時間機會成本及人力成本。同時該方式需要在短時間內頻繁啟停待并車組，在機組的長期使用過程中存在降低機組壽命的風險。

3 發電機的并車條件分析

兩列發電機的并列運行需要滿足的條件如表1所示。

只有當上述條件全部滿足的情況下才能完成正常的并車。

在兩列電動發電機組完成啟動達到額定轉速，進入空載運行工況以后，其波形、相序、電壓、頻率均保持一致，相位差保持穩定，據此進行棒電源系統并車條件分析，可以得出下表2的分析結果。

通過上表的分析可以看出，并車需要滿足的5個條件有4個已經滿足，唯一不一定滿足的是相位條件。不一定滿足并車條件，其主要參數關系如下所示：

（1）U待-U主≤±5%；

（2）f待=f主；

（3）Ф待-Ф主≤±10°的概率為1/18（Ф待-Ф主取值范圍為0～±180°）。

4 并車方案設計

為了在沒有調速裝置的情況下滿足并車的全部條件，需要將其中的一臺機組進行加速或減速，使兩臺機組出現頻差，以在某個時間點兩臺機組出現同步條件。由于原動機頻率50Hz是無法提升，因此本方案中考慮將已經連接至母線發電機進行加載減速，加載后該發電機組頻率略微降低，但兩臺機組頻差不超過0.1Hz，在兩臺機組一快一慢的情況下由自動同期裝置選擇同步點實現兩臺機組的同步，合理設置同期裝置的參數，可以同時滿足電壓、頻率以及相位的并車條件，實現雙機組的同步。

對于圖2所示的并車接線原理圖，本方案的工作原理為：首先啟動一臺發電機，在發電機輸出電壓穩定后閉合一臺發電機的輸出斷路器，是一臺發電機處于電網的在線狀態；接著啟動另一臺發電機，在發電機輸出電壓穩定后發出閉合該臺發電機輸出斷路器的指令，此時同步檢測器檢測兩臺發電機輸出電壓的相位。如果相位一致，同步檢測器向PLC發出同步信號，PLC閉合未在線的發電機輸出斷路器，達到并車。如果不一致，則通過操作屏上的“空載并機”按鈕，在電網上接入并機電阻，并機電組消耗在線發電機功率，對在線發電機起制動作用，在一定范圍內降低在線發電機轉速，為后啟動的發電機的轉速高于在線發電機的轉速，從而使兩臺機組相位能在一定時間段內能達到一致。

5 并車電阻選擇

并車電阻阻值過小，會導致頻差過小，長時間不能達到并車條件，阻值過大，頻差太大，同步裝置無法及時捕捉同步點而導致無法同步，因此并車電阻的選擇是實現高效并車的關鍵。

本方案中的發電機，其空載頻率為49.95Hz（驅動電源為50Hz，由于采用異步電動機，存在一定的轉差率，因此其實際空載頻率約為49.95Hz），額定同步轉速為1485rpm，即額定負載條件下頻率為49.5Hz，因此該發電機的調差系數σ計算公式如下：

由此可以計算出在49.85Hz時需要的有功功率為：

在49.90Hz時需要的有功功率為：

在項目的實際實施過程中，利用已有控制系統的有限空間，在發電機下游出線斷路器屏內增加了專用并車電阻，根據計算結果，選取的并車電阻阻值為5kW×3=15kW，讓先并入母線的發電機連接并車電阻，此時其頻率會略低于未并入母線的發電機頻率，由于雙列機組具有一定的頻差且滿足頻差條件，此時由于頻差的存在，在固定時間內就會滿足相位差條件從而滿足全部并車條件，實現雙機組的并車。

6 結語

在項目實施之前，空載并車試驗需連續多次反復啟停MG機組，并車試驗時間可能花費大量時間，還不一定能達到預期效果，同時連需反復啟停發電機組也存在降低機組壽命的風險。該方案實施后，在正常的空載并車試驗中，當機組并車指令發出后，在1min之內可以并車成功，一次性并車成功率可達100%，且機柜內的溫升小于2K，不會導致機柜內的溫升過高，達到了很好的效果。

該并車方案在提高并車成功率的同時避免了了反復啟停機組降低機組壽命的風險，大大提高了工作效率。同時此方案可以推廣至沒有調速裝置的且需要空載并車的發電機組的并車控制中。

參考文獻

[1]尹小龍，等.基于電動發電機組的核電站棒電源系統設計[J].電機控制與應用，2015，第7期（第42卷 總第307期）：67-70.