2010年电力系统自动化(3学分)\2009年电力系统自动化课件\第一章

电力系统自动化王葵孙莹第一章　发电机的自动并列1.1概　述1.2准同期并列的基本原理1.3恒定越前时间并列装置1.4数字式并列装置一、并列操作的意义电力系统运行中，任一母线电压瞬时值可 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示为1.1概　述式中　—电压幅值；　　　　—电压的角速度；　　—初相角。反映了电网运行中该母线电压的幅值、频率和相角,这三个重要参数常被指定为运行母线电压的状态量。1.并列操作（并车、并网）1.1概　述一台发电机组在未投入系统运行之前，它的电压与并列母线电压的状态量往往不等，须对待并发电机组进行适当的操作，使之符合并列条件后才允许断路器QF合闸作并网运行。2.同步发电机的并列方法分为准同期并列和自同期并列两种。3.同步发电机组并列时遵循原则：并列断路器合闸时，冲击电流应尽可能的小，其瞬时最大值一般不超过１～２倍额定电流；发电机组并入电网后，应能迅速进入同步运行状态，其暂态过程要短，以减少对电力系统的扰动；1.1概　述二、准同期并列调节待并发电机组的状态参数使之符合并列条件的操作。QF为并列断路器1.1概　述图1-1准同期并列(a)电路示意图(b)相量图(c)等值电路1.设发电机电压的角频率为，电网电压的角频率为，它们间的相量差为;2.要求QF合闸瞬间的应尽可能的小，其最大值应使冲击电流不超过允许值;3.希望并列后能顺利进入同步运行状态，对电网无任何扰动;1.1概　述4.发电机并列的理想条件，即频率相等；，即电压幅值相等；，即相角差为零。并列合闸的冲击电流等于零，并且并列后发电机G与电网立即进入同步运行，不发生任何扰动现象。1.1概　述实际运行中待并发电机组的调节系统并不按理想条件调节,因此三个条件很难同时满足;在实际操作中也没有这样苛求的必要。因为并列合闸时只要冲击电流较小，不危及电气设备，合闸后发电机组就能迅速拉入同步运行，对待并发电机和电网运行的影响较小，不致引起任何不良后果。1.1概　述1.1概　述图1-2准同期条件分析(a)=0；(b)≠01.1概　述从上图可见，因为与夹角为90º，所以由电压幅值差产生的冲击电流主要为无功冲击电流。并列操作为正常运行操作，冲击电流最大瞬时值限制在1～2倍额定电流以下为宜;为了保证机组的安全，我国曾规定压差并列冲击电流不允许超过机端短路电流的二十分之一到十分之一;准同期并列的一个条件为：电压差不能超过额定电压的5～10％;1.1概　述1.1概　述从图1-2（b）可见，当很小时，可认为与夹角为0°，所以由合闸相角差产生的冲击电流主要为有功冲击电流；当相角差较小时，冲击电流主要为有功电流分量，说明合闸后发电机与电网间立刻交换有功功率，使机组联轴受到突然冲击，这对机组和电网运行都是不利的；1.1概　述（三）频率不相等频差、滑差、滑差周期频差：瞬时相角差：两个电压矢量间的夹角；滑差角频率（滑差）：电角频率之差1.1概　述图1-3滑差电压原理图是有正负值的，与所规定的参考矢量有关。频差、滑差和滑差周期都可以用来确定地表示待并发电机与系统之间频率差的大小；滑差大，则滑差周期短，并列时的冲击就越大；在有滑差的情况下，将机组投入电网，需要经过一段加速或减速的过程，才能使机组与系统在频率上“同步”。滑差周期：1.1概　述2.频率不相等对待并发电机组的影响1.1概　述图1-4并列的同步过程分析图1-4为待并发电机组进入同步运行的暂态过程示意图。当发电机组与电网间进行有功功率交换时，如果发电机的电压超前电网电压，发电机发出功率，则发电机将制动而减速；当落后时，发电机吸收功率，则发电机将加速；交换功率的方向与相角差的正负有关；发电机状态：发电机发出功率；电动机状态：发电机吸收功率；1.1概　述从暂态过程示意图中可知：进入同步状态的暂态过程与合闸时滑差角频率的大小有关；当较小时，可以很快进入同步运行；当较大时，需经历较长时间振荡才能进入同步运行；滑差大，暂态过程长；滑差小，暂态过程短。1.1概　述三、自同期并列未加励磁电流的发电机升速到接近于电网频率，不超过允许值，且加速度小于给定值条件下，先合并列断路器,接着合励磁开关，给转子加上励磁电流，在发电机电动势增长过程中，由电力系统将并列发电机组拉入同步运行;自同期并列方式不能用于两个系统间并列操作；在投入瞬间，不可避免地要引起冲击电流;自同期并列方法现已很少采用;1.1概　述在满足并列条件的情况下，采用准同期并列方法将待并发电机组投入电网运行，只要控制得当就可使冲击电流很小且对电网扰动甚微;准同期并列是电力系统运行中的主要并列方式;1.2准同期并列的基本原理设并列断路器QF两侧电压分别为和；并列断路器QF闭合瞬间所出现的冲击电流值以及进入同步运行的暂态过程，决定于合闸时的脉动电压差和滑差角频率；准同期并列主要对脉动电压和滑差角速度进行检测和控制，并选择合适的时间发出合闸信号；检测的信息取自QF两侧的电压，而且主要是对进行检测；1.2准同期并列的基本原理一、脉动电压（一）与两电压幅值相等设待并发电机电压与电网电压的幅值相等，而与不等，这时断路器QF两侧间电压差为：1.2准同期并列的基本原理设初始角＝＝０，并应用和差化积公式得：令为电压的幅值，则由上式可知波形可以看成是幅值为、频率接近于工频的交流电压波形。为滑差角频率，两电压相量间的相角差为，于是1.2准同期并列的基本原理的相量图及其瞬时值波形如图1-5(a)、(b)所示。1.2准同期并列的基本原理如用相量分析，则可设想系统电压固定，而待并发电机的电压以滑差角频率对转动；当相角差从０到变动时，的幅值相应地从零变到最大值；当从到(重合)变动时，的幅值又从最大值回到零；转动一圈的时间为脉动周期；1.2准同期并列的基本原理（二）与两电压幅值不相等由图1-1(b)的相量图,应用三角公式可求:当时，为两电压幅值差；当时，为两电压幅值和;由于脉动周期只与有关，两电压幅值不等，脉动电压周期相同;1.2准同期并列的基本原理1.2准同期并列的基本原理（三）利用脉动电压检测准同期并列的条件脉动电压有时也称作滑差电压。1、电压幅值差电压幅值差为对应于脉动电压波形的最小幅值:通过对的测量，就可判断与间的电压幅值差是否超出允许值。1.2准同期并列的基本原理2、频率差与间频率差就是脉动电压的频率，滑差角频率,反映了频率差的大小;要求小于某一允许值，就相当于要求脉动电压周期大于某一个给定值;1.2准同期并列的基本原理3、合闸相角差的控制最理想的合闸瞬间是在与两电压相量重合的瞬间;考虑到断路器操作机构和合闸回路控制电器的固有动作时间，必须在两电压相量重合之前发出合闸信号，即取一提前量,称为“越前时间”。由于该越前时间只需按断路器合闸时间（准同期装置动作时间可忽略）进行整定，整定值和滑差及压差无关，故称其为“恒定越前时间”。1.2准同期并列的基本原理二、自动准同期装置为了使待并发电机组满足并列条件，自动准同期装置设置了三个控制单元。频率差控制单元:它的任务是检测与间的滑差角频率，且调节发电机转速，使发电机电压的频率接近于系统频率;1.2准同期并列的基本原理电压差控制单元:它的功能是检测与间电压差，且调节发电机电压使该电压差值小于规定允许值，促使并列条件的形成;合闸信号控制单元:检查并列条件，当待并机组的频率和电压都满足并列条件时，合闸控制单元就在相角差等于零的时刻，提前一个“恒定越前时间”,发出合闸信号;1.2准同期并列的基本原理自动准同期装置的组成如图1-8表示，1.2准同期并列的基本原理图1-8自动准同期并列装置组成同步发电机准同期并列装置按自动化程度分为：（1）半自动准同期并列装置没有频差调节和电压调节功能，只有合闸信号控制单元；并列时，待并发电机的频率和电压由运行人员监视和调整；当频率和电压都满足并列条件时，并列装置就会在合适的时间发出合闸信号；1.2准同期并列的基本原理（2）自动准同期并列装置设置了频率差控制单元、电压差控制单元和合闸信号控制单元；待并发电机的频率或电压都由并列装置自动调节；当满足并列条件时，自动选择合适时机发出合闸信号；1.2准同期并列的基本原理三、准同期并列合闸信号的控制1.2准同期并列的基本原理图1-9准同期并列合闸信号控制的逻辑结构框图控制原则是当频率和电压满足并列条件情况下，在与要重合之前发出合闸信号，称为提前量信号。1、越前时间越前时间采用的提前量为恒定时间信号，理论上可以使合闸相角差等于零。―自动准同期装置的动作时间；―并列断路器的合闸时间；主要决定于，其值随断路器的类型而不同。1.2准同期并列的基本原理2、允许滑差角速度在等于零之前的恒定时间发出合闸信号，它对应的越前相角随而变化。1.2准同期并列的基本原理图1-10恒定越前时间原理1.2准同期并列的基本原理由于，当为定值时，发出合闸脉冲时的越前相角与成正比。由于得由于越前信号时间、出口继电器动作时间以及断路器合闸时间存在着分散性，因而并列时仍难免具有合闸相角误差，这就使并列时的允许滑差角速度受到限制。设为发电机组允许合闸相角，最大允许滑差、分别为自动并列装置、断路器动作误差时间；决定于发电机的允许最大冲击电流值，当给定值后，可求得将求得的值代入上式，即可求得允许滑差。1.2准同期并列的基本原理例1-1某发电机采用自动准同期并列方式与系统进行并列，系统的参数已归算到以发电机额定容量为基准的标幺值。一次系统的参数为：发电机交轴次暂态电抗为0.125；系统等值机组交轴次暂态电抗与线路电抗为0.25；断路器合闸时间＝0.5s，它的最大可能误差时间为±20％；自动并列装置最大误差时间为±0.05s；待并发电机允许的冲击电流值为。试计算允许合闸误差角、允许滑差角频率，与相应的脉动电压周期。1.2准同期并列的基本原理解（1）允许合闸误差角即为。其中考虑并列时电压可能超过额定电压值的5％，故按1.05计算。（2）允许滑差角频率断路器合闸动作误差时间（s）自动并列装置的误差时间（s）1.2准同期并列的基本原理所以（rad/s）如果滑差角速度采用标么值表示，则（3）脉动电压周期（s）1.2准同期并列的基本原理1.3恒定越前时间并列装置脉动电压含有同期合闸所需要的所有信息：电压幅值差、频率差和合闸相角差。它的幅值与发电机电压和系统电压有关，在实际装置中不能利用它检测并列条件。否则会引入电压影响的因素，造成越前时间信号时间误差不准，产生合闸误差。一、线性整步电压指其幅值在一周期内与角差分段按比例变化的电压，一般呈三角形波形。其特点如下：当在0～区间时，线性整步电压与相角差成反比；当时，为最大值；当在区间时，与成正比；与是分段线性关系，与幅值无关。1.3恒定越前时间并列装置1.3恒定越前时间并列装置1.3恒定越前时间并列装置图1-12全波线性整步电压线性整步电压可用两个直线方程表示为：式中—三角波的顶值电压。线性整步电压形成电路是由整形电路、相敏电路、滤波电路三部分组成。1.3恒定越前时间并列装置整形电路是将和正弦波转换成与之频率和相位相同的一系列方波，方波幅值与、的幅值无关；相敏电路是在两个输入信号电平相同时输出为高电平“1”，不同时输出为低电平“0”；滤波电路是由低通滤波器和射极跟随器组成;采用滤波器平滑波形，获得与线性关系；采用射极跟随器输出，提高整步电压信号的负载能力。1.3恒定越前时间并列装置二、恒定越前时间恒定越前时间部分是由R、C组成的比例-微分回路和电平检测器构成1.3恒定越前时间并列装置图1-13恒定越前时间部分当整步电压加至比例－微分回路后，在电阻上的输出电压可以利用叠加原理求出，经推导可知，在区间，翻转时间为，则动作的临界条件为：上式表明，电平检测器翻转瞬间的值与无关，而是仅与及有关的常量，负号表示与所取时间标尺的方向相反，即为“越前”时间，故为恒定越前时间。1.3恒定越前时间并列装置三、滑差检测利用比较恒定越前时间电平检测器和恒定越前相角电平检测器的动作次序来实现滑差检查，1.3恒定越前时间并列装置图1-16恒定越前相角电平检测器工作原理图恒定越前相角电平检测器输入，当等于或大于时，检测器动作，输出低电平.随着滑差减小，即，恒定越前相角检测器动作时间随之不断加大。如果将图中按允许滑差下恒定越前时间的相角差进行整定，则有如下关系：,即当时，1.3恒定越前时间并列装置只有当，即恒定越前相角电平检测器先于恒定越前时间电平检测器动作时，才说明这时的小于允许滑差的频率，从而作出频率差符合并列条件的判断;如果信号到来时尚未获得恒定越前相角电平检测器的翻转信号，就可作出频率差不符合并列条件的判断;1.3恒定越前时间并列装置四、电压差检测由于线性整步电压不载有并列点两侧电压幅值的信息，所以它就无法作为电压差的检测；电压差检测可直接用和的幅值进行比较，两电压分别经变压器、整流桥和一个电压平衡电路后检测电压差的绝对值;当此电压差小于允许值时,发出“电压差合格允许合闸”的信号。1.3恒定越前时间并列装置五、合闸信号控制逻辑并列装置合闸控制逻辑框图如图1-171.3恒定越前时间并列装置图1-17合闸控制逻辑框图当并列条件检测元件测得信号符合允许并列时，即频率差、电压差在允许范围内，当越前时间信号测得的瞬间，发出合闸控制信号；当不符合并列条件时，即频率差或电压差两个条件中任一条件不符（超出允许值），它就发出闭锁信号，阻止信号输出，不让发出合闸信号，即不允许并列。1.3恒定越前时间并列装置如果频率差或电压差条件不符合，相角差在-π～0区间，与门相应输入端（或端）出现高电平，闭锁合闸控制信号输出；当频率差、电压差均满足并列条件，与门输入端中的记忆元件输出和均为低电平，一旦越前时间信号出现低电平时，与门输入端全为低电平，即允许信号通过，输出合闸信号进行并列。1.3恒定越前时间并列装置六、频差控制任务是调整待并发电机的频率，使频率差趋向并列条件允许的范围，以促成并列的实现；如果待并发电机频率低于电网频率，则发升速脉冲使发电机升速；反之，应发减速脉冲；发出的调节量与频率差值成正比变化，以配合并列操作的工作；1.3恒定越前时间并列装置频率差控制单元可由频率差方向测量环节和频率调整执行环节两部分组成；频率差方向测量环节判别和间频率的高低，作为发升速脉冲或减速脉冲的依据；频率调整执行环节按比例调节的要求，调整发电机组的转速。1.3恒定越前时间并列装置（一）滑差方向的检测原理当时，在相角自0到的过程中，始终超前；当时，在相角自0到的过程中，始终超前；1.3恒定越前时间并列装置图1-18滑差方向检测原理图要判断方向，只需在自0到的过程中的任一时间，比较和的超前与滞后；如果超前，则，发电机减速；如果超前，则，发电机增速。该原理通过越前鉴别与区间鉴别来实现；越前鉴别就是判定和谁是越前电压；区间鉴别就是判定正处在0~π区间；的下倾侧就是所要求的鉴别区间，这区间的任一点都可用来进行越前鉴别。1.3恒定越前时间并列装置（二）频差控制框图1.区间鉴别：只在时发一个恒宽脉冲使与门开放一段时间，发出调速脉冲；其余时间被闭锁，不发调速脉冲。1.3恒定越前时间并列装置图1-19频差控制框图2.越前鉴别越前鉴别是判定和谁是越前电压；在越前相角为0~π区间内，当，系统方波由高变低时，发电机仍为高电平，因此增速脉冲回路输出正脉冲，表示系统频率高；反之，若，减速脉冲回路输出正脉冲，表示发电机频率高。3.比例调节在每个滑差周期内发一次恒宽增或减速脉冲，均频脉冲时间占用率与频差成正比，称为比例脉冲调节制。1.3恒定越前时间并列装置1.3恒定越前时间并列装置图1-20频差控制波形图七、压差控制电压差控制单元的任务是在并列操作过程中，自动调节待并发电机的电压，使电压差条件符合并列的要求;它的构成框图与频率差控制的相似;它由电压差方向测量环节和脉冲展宽电路组成;1.3恒定越前时间并列装置一、概述用集成电路等器件构成的数字式并列装置，由于硬件简单，编程方便灵活，运行可靠，成为当前自动并列装置发展的主流；模拟式并列装置为简化电路，把假设为恒定。数字式并列装置可采用较为精确的公式，按照的变化规律，选择最佳越前时间发出合闸信号，提高了自动并列装置的技术性能和运行可靠性。1.4数字式并列装置二、硬件电路1.4数字式并列装置图1-21数字式并列装置硬件框图（一）主机微处理器（CPU）是控制装置的核心。（二）输入、输出接口电路在计算机控制系统中，输入、输出过程通道的信息不能直接与主机的总线相接，它必须由接口电路来完成信息传递的任务。（三）输入、输出过程通道为了实现发电机自动并列操作，须将电网和待并发电机的电压、频率等状态量按要求送到接口电路进入主机。1.4数字式并列装置1.4数字式并列装置图1-22电压和频率测量(a)电压测量(b)频率测量1．输入通道按发电机并列条件，分别从发电机和母线电压互感器二次侧交流电压信号中提取电压幅值、频率和相角差等信息，作为并列操作的依据。（1）交流电压幅值测量采用变送器，把交流电压转换成直流电压，然后由A／D接口电路进入主机。对交流电压信号直接采样，通过计算求得它的有效值。（2）频率测量测量交流信号波形的周期T。把交流电压正弦信号转化为方波，经二分频后，它的半波时间即为交流电压的周期T。1.4数字式并列装置(3)相角差测量两方波信号接到异或门，控制定时计数器的计数时间，其计数值N即与两波形间的相角差相对应。1.4数字式并列装置图1-23相角差测量2．输出通道自动并列装置的输出控制信号有：①发电机转速调节的增速、减速信号；②调节发电机电压的升压、降压信号；③并列断路器合闸脉冲控制信号。这些控制信号可由并行接口电路输出，经放大后驱动继电器用触点控制相应的电路。1.4数字式并列装置（四）人一机联系主要用于程序调试，设置或修改参数；装置运行时，用于显示发电机并列过程中主要变量，如相角差、频率差、电压差的大小和方向以及调速、调压的情况；常用的设备有：键盘、按钮、显示器、数码和发光二极管显示；1.4数字式并列装置三、数字式并列装置的软件（一）电压检测交流电压变送器输出的直流电压与输入的交流电压值成正比。设机组并列时，电压偏差设定的阈值为，装置内对应的设定值为,当时，不允许合闸信号输出；当时，允许合闸信号输出;如时，并行口输出升压信号，输出调节信号的宽度与其差值成比例；反之，则发降压信号。1.4数字式并列装置（二）频率检测由可编程定时计数器计数，主机读取计数脉冲值和；求取和；把频率差的绝对值与设定的允许频率偏差阈值比较，作出是否允许并列的判断；按发电机频率高于或低于电网频率来输出减速或增速信号;选择在0到期间，调节量按差值比例进行调节;1.4数字式并列装置1.4数字式并列装置图1-24相角差测量波形分析（三）越前时间检测设系统频率为额定值50Hz，待并发电机频率低于50Hz。电压互感器二次侧的电压波形如图1-24(a)所示，经削波限幅后得到图1-24(b)所示的方波，两方波异或后得到图1-24(c)中的一系列宽度不等的矩形波。显然，这一系列矩形波宽度与相角差相对应。1.4数字式并列装置系统电压方波的宽度为已知，它等于二分之一周期（或），因此可按下式求得：式中和的值，CPU可以从定时计数器读入求得。1.4数字式并列装置1.4数字式并列装置理想的导前合闸相角计算（含有加速度）：（1-19）（1-20）式中：—计算点的滑差角速度，、—分别是计算点和上一个计算点的角度值；—两计算点的时间;—发出合闸信号到主触头闭合时经历时间;设为出口继电器动作时间，则据式（1-19）可以求出最佳的合闸越前相角值，该值与本计算点的相角按下式进行比较（下式中为计算允许误差）若满足，则发出合闸信号；若且则继续进行下一点计算，直到逐渐逼近符合第一个条件为止。1.4数字式并列装置1.4数字式并列装置图1-25计算轨迹