SID-2CM微機準同期裝置的應用研究

陳文堅

廣州珠江電力有限公司，廣東 511457

引言

電力系統中，發電機在并列瞬間，往往會產生沖擊電流和沖擊力矩，這種沖擊將引起系統電壓瞬時下降。如果操作錯誤或者準同期裝置出現差錯，并網相差角度過大，就可能引起機組劇烈震動，甚至使發電機及汽輪機的機械部分損壞，發電機繞組部分燒毀，以至于引起電力系統震蕩而破壞電力系統安全，穩定運行,所以必須予以高度重視。提高并網操作的準確度和可靠性，對系統的可靠運行具有很大的現實意義，因此選用一臺性能穩定以及質量良好的準同期裝置就更加重要。

1 SID-2CM微機準同期裝置的工作原理

1.1 準同期裝置并網的工作原理

發電廠與電力系統并網原理：發電機出口斷路器聯接兩側電源（系統側電源與發電機電源）的合閘操作，將發電機并入電力系統稱為并網；把發電機投入系統參加并列運行的操作稱并列操作，它是單元機組運行中的一項重要操作。并網分為差頻并網和同頻并網，本文只針對發電機與系統的差頻并網的研究。差頻并網：發電機與系統并網和已解列兩系統間并網都屬差頻并網。并網時需符合三個條件：并列點兩側的電壓大小、頻率、相角差滿足要求。珠江電廠使用的是同頻并列方式，以準同期并列方式為例將發電機并入系統時應滿足以下兩個基本要求：

（1）發電機出口斷路器合閘時，流過發電機的沖擊電流應盡可能小，其瞬時最大值一般不超過1-2倍定子額定電流。

（2）發電機組并入電網后，應能進入同步運行狀態，其暫態過程要盡量短，以減少對電力系統的擾動。

1.2 差頻并網合閘角的數學模型

準同期并網的三個條件是電壓大小、頻率及相位的差值在允許值范圍內，發電機電壓與系統電壓通過準同期裝置調整后滿足允許范圍后發出合閘指令完成并網。一臺未投入系統參加并列運行的發電機與系統中其它發電機是不同步的。發電機在并列瞬間，往往會產生沖擊電流和沖擊力矩，這種沖擊將引起系統電壓瞬時下降。如果操作錯誤，沖擊過大，就可能引起機組劇烈震動，甚至使發電機及汽輪機的機械部分損壞，發電機繞組部分燒毀，以至于引起電力系統震蕩而破壞電力系統安全及穩定運行，所以必須予以高度重視。因此一個好的準同期裝置應確保在兩側的電壓差值接近零時完成并網。

在差頻并網時，特別是發電機對系統并網時[1]，發電機組的轉速在調速器的作用下不斷在變化，因此發電機對系統的頻差不是常數，而是包含有一階、二階或更高階的導數。加之并列點斷路器還有一個固有的合閘時間tk，同期裝置必須在聯測電壓相差為零出現前的tk時發出合閘命令，才能確保在ψ=00!時實現并網。也就是說準同期裝置應在ψ=00到來之前有一個角度ψk發出合閘指令，ψk與斷路器合閘時間tk、頻差ωs、頻差的一階導數dωs/dt及頻差的二階導數d2ωs/dt2等有關。其數學表達式為：

同期裝置在并網過程中需根據系統與發電機的電壓差值變化不斷快速求解該微分方程，在滿足三個并網條件下，提前計算合閘角ψk。并不斷快速測量當前并列點斷路器兩側的實際相差ψ，當ψ=ψk時裝置發出合閘命令，實現精確的電壓差為零時并網。

一般的同期控制器具有實測tk的功能，并儲存記憶功能。由于系統及發電機的電壓差在不斷變化，計算機對ψk的計算和對ψ的測量都不是連續進行的，而是離散進行的。實際運用中不一定能恰好捕獲ψk=ψ的時機，成功率較低，有可能會錯過最佳的并網機會，對于要求快速并網的發電廠來說，這是不能滿足要求的。

1.3 均頻與均壓控制的方式

實現快速并網對滿足發電廠與系統負荷供需平衡及減少發電廠機組空轉能耗有重要意義，如何捕捉第一次出現的并網時機是同期裝置能否實現快速并網的一項重要指標；用良好控制品質的算法實施均頻與均壓控制方式，可以使同期裝置盡快發出電壓與頻率調整指令，使壓差與頻差盡快調整在給定值范圍內，這需要引入更為先進的調整方式。SID-2CM控制器使用了模糊控制算法，其表達式為：

式中U—控制量，E—被控量對給定值的偏差，C—偏差的變化率，g—模糊控制算法。

圖1給出了系統的控制流圖[2]。

圖1 模糊控制流圖

模糊控制理論是根據模糊數學理論將獲取的被控量偏差E及其變化率C作為模糊控制決策，通過一系列模糊規則計算，將輸出指令作用于控制對象，使被控制量快速達到滿足要求的控制理論。下面的模糊控制推理規則表[3]可描述其本質。

對于發電機與電力系統的并網操作，頻率和電壓的調節，特別是對發電機頻率的調節，并網的過程中，頻率的變化可以當成一個隨機過程，根據待并系統頻率及頻率變化率作為模糊控制的兩個變量，將頻率范圍和頻率變化率范圍按實際情況按表1劃分為正大到負大七個范圍。表中將偏差E的模糊值分成正大到負大共八檔，將偏差變化率C的模糊值分成正大到負大共七檔，與它們對應的控制器發出的控制量U的模糊值就有56個，從正大到負大共七類值。以調頻控制為例，如控制器測量的頻差ωS=ωF-ωX（ωF、ωX分別為待并發電機及系統的角頻率）為負大，而頻差變化率dωS/dt也是負大，則控制量U為零。這表明盡管發電機較之系統頻率很低，但當前發電機頻率正以很高的速度向升高方向變化，因此無需控制發電機頻率就能恢復到正常值。

表1 模糊控制推理規則表

在控制過程中模糊控制量的值應該有個量化的環節，例如變成控制器發出控制信號的脈沖寬度和脈沖間隔。SID-2CM控制器正是通過均頻控制系數Kf和均壓控制系數Kv兩個整定值來對控制量進行量化的，Kf及Kv的選取是在發電機運行過程中人工手動將頻差或壓差控制超出頻差及壓差定值的工況下進行，根據SID-2CM控制器在糾正頻差及壓差的過程中所表現的控制質量來修改Kf及Kv，當發現糾正偏差的過程太慢，則應加大Kf或KV，反之，如糾正偏差過快并出現反復過調，則應減小Kf或KV，直到找到最佳值。我們不難看到SID-2CM控制器實際上是針對發電機組調速系統及勵磁調節系統的具體特性來整定控制系數的。

2 SID-2CM準同期裝置運用

2.1 自動轉角

珠江電廠的升壓變壓器采用Y/Δ-11的接線，導致星形側與三角形側的對應的相電壓有300角度差，為此，接入同期裝置的兩側同期電壓須對角度差進行補償。實際做法是發電機選用UBC電壓，系統側用UC電壓，通過恰當選擇TV次級補償相移的輸出，來補償這一相移。SID-2CM同期裝置內部已設置該選項功能，為了簡化設計，提供了對每個通道（共8或12個）都可以用軟件來實現相位轉角，且不論選取相電壓或是線電壓都可以，電壓大小也同樣可以通過設備參數設置進行比較，無需在輸入裝置前變換電壓大小。SID-2CM同期裝置提供了超前300（-300）、00、滯后300（+300）三種選擇。如同期裝置兩輸入TV二次電壓是對應相的電壓，則應將系統側電壓設置為進行超前300的轉角，即設置為-300。在設置完畢后一定要在通過現場進行相應核相測試及發電機并列前假并網試驗進一步確認設置無誤才能正式使用。

2.2 調速控制

同期裝置的自動調速功能在機組調速器控制品質很好時可以退出，但也要敷設同期裝置至調速器的加、減速控制電纜，特別是加速控制電纜。因為現在調速器的跟蹤調節功能很強，很容易使待并機組與系統達到同頻狀態，此時同期裝置不論是否選用自動調頻功能，都會對機組實施加速控制，以盡快擺脫同頻狀態；待并系統兩側電壓同頻意味兩種情況：一是兩側電壓已經滿足要求，可以并網；二是由于接線錯誤、電壓短接等情況，不經同期裝置的動態調整就將發電機并入系統，將會造成發電機非同期并列。因此同頻閉鎖功能是非常有必要的，如果調速器切斷了同期裝置的加速控制回路，將無法實現并網。

2.3 實現正向功率并網

若并列前，發電機電壓相位比系統電壓相位稍有超前，發電機電壓頻率比系統電壓頻率略高，這樣，合閘后發電機既可帶上有功負荷，產生一個制動力距，有利于將發電機快速牽入同步。SID-2CM型微機準同期裝置以精確的數學模型，確保了差頻并網時捕捉到第1次出現的零相差，進行無沖擊并網，并可實現正向功率并網，避免出現短時間逆功率運行。

3 結論

發電機快速并網是發電廠基于系統的需要，也是節能降耗的要求，因此要求發電機準確地、快速地并入電網，對系統和發電廠都是有利的。而快速及準確地并網的具體指標就是盡快將發電機電壓與系統電壓的壓差與頻差控制在允許值范圍內，并運用先進計算理論提前一定的角度或時間發出合閘指令，確保發電機與系統的電壓相差在=0時將發電機并入電網。將發電機快速及準確地并入電網不僅滿足了系統日益競爭激烈的要求，同時也節約了并網前需要維持發電機廠用電的大量的能源，經濟效益也是明顯的。

我們相信，隨著同步過程中的理論研究的不斷深入，SID-2CM型微機準同期裝置等先進的微機型自動準同期裝置將會不斷地推出，它將會為高速發展的電力系統的并網操作提供更加高效、可靠、安全的有力保證。

[1]胡國強，賀仁睦，涂曄海.基于模糊控制的數字式自動準同期裝置[J].華北電力大學學報，2004，31(4)：10.15.

[2]卓友樂，葉念國.微機型自動準同步裝置的設計和應用[M].北京：中國電力出版社,2002.

[3]翁樂陽.用于分布式控制系統的自動準同期裝置[J].2000年全國遠動及廠站自動化學術年會,2000.

[4]董占旺等.SID -2CM微機同期裝置的應用[J].內蒙古電力技術，2003.

[5]李娜 等.SID-2CM微機同期裝置在30MW發電機組中的應用[C].2010年全國冶金熱電專業年會.2010