浅析准同期装置工作原理

郭继祖

引言：简要介紹了电网并列概念，讨论了同步发电机安全并入电网所需的条件，并针对不同条件下的并网过程进行了推导分析，为自动准同期装置的研制提供了理论依据。

在电力系统中，有许多电源点并列在一起运行，每个发电机的相对角速度都在允许的极限值以内同步运行。电负荷的波动或电力系统中存在各种故障或运行方式的要求，部分电源或部分电网与主网解列后需要并入主网运行，如果将同步发电机投入到电力系统参加同步并列运行的操作不满足并列条件，将产生极大的冲击电流，会损坏系统中的发电机，引起系统电压严重下降，甚至可能使电力系统发生振荡，甚至系统解列。

一、准同期并列的概念

准同期并列

待并发电机组与同时刻的电网相序相同，电压、频率基本相同，电压相角差接近于零条件下经断路器并联运行的操作。

并网合闸瞬间，系统电压加在发电机定子上，由其产生的三相电流合成的以角速度Ws旋转的旋转磁场，将产生一个电磁转矩强迫发电机转子轴系的磁轴与其方向一致，在巨大的电磁转矩作用下，绕组线棒会变形松脱、出现转子一点或多点接地、联轴器螺栓扭曲、主轴裂纹等现象。电力系统的电气谐振频率fe有时低于工频许多，而发电机组转子轴系也有个比工频低得多的机械谐振频率fm。当电力系统以某时出现 fe+fm=50HZ时，只要有小的扰动，即将导致电气系统与发电机组转子轴系的次同步谐振。此时定子绕组的电磁转矩和转子轴系扭矩不断增长，它们相互间的这种能量交换最终引起转子轴系的严重损坏，还可能使主轴断裂。发电厂自动准同期并列具有相当重要的意义。

二、同步发电机并网运行的优点

三相同步发电机是常用的交流发电机，但是单一台三相同步发电机对电网供电不能保证供电质量（电压和频率的稳定性）和可靠性（发生故障就得停电） 且无法实现供电的灵活性和经济性。

为改善单机缺点，可将几台同步发电机或几个发电站并成一个电网。现代发电厂中都是把几台同步发电机并联起来接在共同的汇流排上，一个地区总是有好几个发电厂并联起来组成一个强大的电力系统。

三、准同期并列的条件

电力系统准同期并列的理想条件就是断路器两侧电压的频率、电压幅值及相角三个状态量全部相等，此时并列合闸的冲击电流等于零，并列后两个系统立即进入同步运行，不会产生任何扰动现象。实际运行中理想条件很难同时满足，并列合闸瞬间，电压高的一侧向电压低的一侧输送一定的无功功率，频率高的一侧则向频率低的一侧输送一定的有功功率。而发电机本身可以承受短路和线路自动重合的冲击，所以在自动准同期装置中，频率差、电压差要求不必十分严格，但必须在规定范围内有相角差并网，且必须相序相同，故并列的条件：

（1）双方应有一致的相序；

（2）应使待并发电机的频率接近系统频率。一般频差不超过0.4Hz ；

（3）应使待并发电机和系统电压接近相等，一般电压应在10%以内；

（4）应使得在并网合闸时刻，待并发电机与系统相角差趋于零。通常不宜超过10度；

四、同步发电机并网运行条件的分析

设同步发电机A相的瞬时电压为： ，设电网A相的瞬时电压为 。假设同步发电机与电网的相序一致，而同步发电机与电网的电压有效值和频率不同，那么同步发电机与电网之间的瞬时电压差应该用下式表示：

这个瞬时电压差称为滑差，并网运行时冲击电流大小就决定于此滑差。下面将讨论相位差、频率差和电压差对滑差的影响。

（一）相位差对滑差影响的分析

现在假设同步发电机的电压有效值与电网电压有效值相等。则式（1）将变为：

u表示滑差，其值越小，电网与发电机组成的回路内产生的瞬时冲击电流越小。从式（2）可以看出只要 ，那么滑差u=0。这只需 即可。

（二）频率差对滑差影响的分析

还是假设同步发电机电压的有效值与电网电压的有效值相等。这可以分4种情况讨论：（1）如果同步发电机A相的瞬时电压的频率 与电网A相瞬时电压的频率 不相等，则 ，并且同步发电机A相的瞬时电压的初相位 与电网A相瞬时电压的初相位 也不相等，那么分析的结果和相位差对滑差的影响的分析结果相同。（2）如果同步发电机A相的瞬时电压的频率 与电网A相瞬时电压的频率 相等，则 ，并且同步发电机A相的瞬时电压的初相位 与电网A相瞬时电压的初相位 也相等，那么根据式（2）可得滑差u=0。显然这是最理想的情况。（3）如果同步发电机A相的瞬时电压的频率 与电网A相瞬时电压的频率 相等，则 ，并且同步发电机A相的瞬时电压的初相位 与电网A相瞬时电压的初相位 不相等，那么根据式（2）可得滑差 。而 越接近零，滑差越小，同步发电机的并网开关闭合瞬间，产生的冲击电流越小。（4）如果同步发电机A相的瞬时电压的频率 与电网A相瞬时电压的频率 不相等，则 ，并且同步发电机A相的瞬时电压的初相位 与电网A相瞬时电压的初相位 相等，那么根据式（2）可得滑差 。而 越接近零，滑差越小，同步发电机的并网开关闭合瞬间，产生的冲击电流越小。

（三）电压差对滑差影响的分析

如果同步发电机的电压的有效值与电网电压的有效值不相等，从式（1）可以看出即使同步发电机A相的瞬时电压的频率 与电网A相瞬时电压的频率 相等，同步发电机A相的瞬时电压的初相位 与电网A相瞬时电压的初相位 也相等。滑差 。

通过上述分析，可得到这样的结论：控制同步发电机的并网开关在相位差过零点并网时冲击电流的大小取决于此时电网和发电机的电压差，电压差越大，冲击电流越大，电压差为零，则没有冲击电流。

利用计算机和准同期条件设计自动准同期装置以便实现发电机自动并网的智能控制。其装置必须能够自动检测电网和发电机的电压、频率和相位差，促使准同期条件得到满足，从而实现发电机的准确并网。由于发电机并网开关闭合需要一定的时间，因此，自动准同期装置所要完成的主要任务是：控制发电机的电压和频率，使发电机与电网的电压差和频差被限制在一定的范围内。在相位差的周期性变化过程中，通过动态测量其变化率，根据并网开关闭合所需时间的大小，捕捉合闸脉冲的发出时机，从而控制断路器在相位差过零点附近闭合。

参考文献

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[2] 李海争.准同期装置工作原理及其在我厂的应用. 2009年管理论丛与技术研究刊.471-475.

[3] 王天品.发电机微机自动准同期系统应用. 云南电力技术， V01. 34 No. 2Ap r. 2006：36-37 .

（作者单位：西北民族大学）