小灣電廠機組同期失敗原因分析及處理

紀正堂 王遠洪

摘 要：同期裝置是在電力系統運行過程中用來完成兩個不同系統之間并列運行的裝置。本文主要介紹小灣電廠同期裝置的配置及原理，分析小灣電廠4號機組出現同期失敗的原因，簡述同期失敗的解決方法，對水電廠出現類似問題有指導借鑒意義。

關鍵詞：同期裝置；同期失敗；研究

1 同期裝置原理及作用

1.1 同期裝置定義

同期裝置一種在電力系統運行過程中執行并網時使用的指示、監視、控制裝置，它可以檢測并網點兩側的電網頻率、電壓幅值、電壓相位是否達到條件，以輔助手動并網或實現自動并網。

1.2 同期裝置的說明

電力系統運行過程中常需要把系統的聯絡線或聯絡變壓器與電力系統進行并列，這種將小系統通過斷路器等開關設備并入大系統的操作稱為同期操作。所謂同期即開關設備兩側電壓大小相等、頻率相等、相位相同，同期裝置的作用是用來判斷斷路器兩側是否達到同期條件，從而決定能否執行合閘并網的專用裝置；一般情況下，變電站對于需要經常并列或解列的斷路器裝設手動準同期裝置，一般采用集中同期方式。

1.3 同期裝置的分類

準同期并列操作就是將待并發電機升至額定轉速和額定電壓后，滿足以下四項準同期條件時，操作同期點斷路器合閘，使發電機并網。（1）發電機電壓相序與系統電壓相序相同；（2）發電機電壓與并列點系統電壓相等；（3）發電機的頻率與系統的頻率基本相等；（4）合閘瞬間發電機電壓相位與系統電壓相位相同。自同期并列操作，就是將發電機升速至額定轉速后，在未加勵磁的情況下合閘，將發電機并入系統，隨即供給勵磁電流，由系統將發電機拉入同步。

2 小灣電廠同期裝置配置

小灣水電廠同期裝置分為6套機組出口開關同期裝置和3套500kV開關站同期裝置，同期方式有手動準同期和自動準同期兩種。

每臺機組出口開關設有1套自動準同期/手動準同期裝置，安裝在機旁監控PLC控制A4柜上，裝置同期對象為機組出口開關。

500kV開關站每一串設有1套自動準同期/手動準同期裝置，分別安裝在開關站監控遠程同期操作柜A1、A2和A3柜上。遠程同期操作柜A1同期對象為500kV第一串的4臺開關，遠程同期操作柜A2同期對象為500kV第二串的4臺開關，遠程同期操作柜A3同期對象為500kV第三串的4臺開關，如表1。

表1 自動準同期整定參數

3 4號機同期失敗現象

2011年7月、9月小灣電廠4號機組2次出現同期失敗情況，導致機組開機流程退出，4號機組同期時曲線分別如圖1、圖2所示。

4 原因分析及處理

4.1 原因分析

電壓、頻率、相位角三個因素影響同期并網。從曲線圖中可以看出機端電壓曲線平穩，滿足同期并網條件（±2%Un）。相位角為同期裝置自動捕捉。從圖中看到頻率波動比較大，從49.70Hz到50.21Hz之間波動，不能滿足同期并網條件（±0.1Hz），因此，頻率不滿足同期條件便是此次同期失敗的主要因素。

根據曲線看出在第一次投入同期后的幾秒內頻率是依然升高的，最大接近50.2Hz，這是因為機組剛結束開機過程中的1.5倍空載開度向空載開度過度過程，機組的慣性機組頻率繼續升高，后上升到50.2Hz。此時4號機組開機流程到投同期投入過程，在同期控制的影響下此時的機組導葉除了受機組調速器頻率的自身調節外，同期裝置也參與了對機組頻率的調節。由于機組頻率上升較高高，機組自身的調節力度比較大，也就是Ypid值比較大（Gv_Give=Ynld+Ypid），同時同期裝置對機組頻率的調節力度也是大，機組自身頻率調節和同期對機組調節疊加，于是機組頻率產生了超調，這就是機組頻率在調節過程中上下波動大的原因。相位捕捉周期、同期裝置檢測周期、調速器運行周期不同，加上頻率波動大可能是造成機組在規定同期時間（180s）內沒捕捉到同期信號點的原因。

綜上所述，引起小灣電廠4號機組同期并網不成功的原因為調速器系統與監控系統配合不當，調速器開機過程中導葉開度過大使機組頻率升高較高，導致調速器調節過程中超調量大，機組頻率調節穩定時間長。在同期啟動時調速器頻率未調節穩定，不能滿足同期對頻率偏差的要求，同期裝置與調速器系統同時作用對機組頻率進行調節，導致超調量大，同期超時退出。

4.2 解決辦法

4.2.1 優化調速器開機規律

小灣調速器開機過程是導葉三分階段。當調速器接到監控或手動開機令后，從靜止態先以空載開度（Gv_Start0）加上5%的導葉開度使機組轉動起來，當機組頻率達到15Hz之后，調速器開出1.5倍的空載開度使機組的轉速加快增加，直到機組的頻率到達47.5Hz之后，調速器電柜開出的當前水頭下的空載開度Gv_Start0，使機組的轉速加速度下降，直至機組頻率維持到50Hz。

由于開機過程中導葉開度較大便會造成開機過程中頻率沖的較高，隨后機組在往50Hz頻率調節時，導葉開度減小幅度較大，機組穩定時可能頻率比較低，有時會接近49.9Hz，若機組穩定時頻率較高，機頻與網頻頻差在0.1Hz之內，同期裝置便不會參與機組頻率調節，為避免同期裝置調節機組頻率，可適當減小開機過程中導葉開限。

4.2.2 優化監控系統開機規律

在監控開機流程中同期投入點延后，在調速器頻率穩定后再投同期裝置。這樣避免開機頻率過高造成超調。根據調速器系統空載試驗結果，監控開機流程中同期投入點延后120s。

4.2.3 優化調速器、監控系統參數

當機頻與網頻偏差超過同期要求的0.1Hz，同期裝置通過計算下發不同長度的增減脈沖令對機組頻率進行調節，調速器進行PID計算調節，若調節過程中頻率給定調整步長設定大，則會引起機組頻超調，會導致頻率的往復調節。由于我廠水頭變幅較大，在當前水頭下該參數可能不是最優匹配參數，為減小同期過程中機組超調，可將該參數適當調小。

當機頻和網頻偏差在0.1Hz以內時，同期裝置是不參與機組調節的，此時機組同期并網用時較短，在當前參數下，當同期裝置參與調節時機組可能產生超調，合理的放寬同期裝置的“轉差率極限”值，可減少機組同期裝置動作次數，便可有效避免同期并網失敗的次數。將同期裝置參與調節的門檻稍微降低，這樣也有助于機組的同期并網，參數修改情況如表2所示。

表2

4.3 試驗

各參數修改完成后，進行了4號機組同期并網試驗，對4號機組導葉開度、機組頻率及有功功率進行了錄波，對4號機組共開機并網3次，同期情況如表3所示。

表3 4號機組同期情況表

圖3 第一次開機試驗情況

圖4 第二次開機情況

圖5 第三次開機情況

5 結束語

經過邏輯及參數優化之后，小灣電廠4號機組未再出現同期失敗情況，機組運行情況良好。小灣電廠4號機組同期失敗的分析與處理，為其他電廠類似的問題提供了參考，具有實際的指導借鑒意義。