機組孤島運行方式下同期并網裝置的應用

【摘要】由于我國90年代初期，就已經進入大機組、大電網時代。電網供電可靠，頻率和電壓都非常穩定，常規設計時，基本可不考慮發電機孤島運行的方式。目前我院正在大力開拓海外設計市場，由于海外項目國家電網結構比較薄弱，在以往工程的EPC合同中，對于發電機孤島運行及機組甩負荷帶廠用電運行的方式提出了更高的要求。為提高電廠運行的可靠性和運行質量，結合原有的同期系統設計，完善發電機孤島運行及機組甩負荷帶廠用電運行方式下的同期并網。

【關鍵詞】孤島運行；同期并網

1、同期系統介紹

將一臺單獨運行的發電機投入到運行中的電力系統參加并列運行的操作，稱為發電機的并列操作。同步發電機的并列操作，必須按照準同期方法或自同期方法進行。否則，盲目地將發電機并入系統，將會出現沖擊電流，引起系統振蕩，甚至會發生事故、造成設備損壞。

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。a）發電機電壓相序與系統電壓相序相同；b）發電機電壓與并列點系統電壓相等；c）發電機的頻率與系統的頻率基本相等；d）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。

自同期法的優點：a）合閘迅速，自同期一般只需要幾分鐘就能完成，在系統急需增加功率的事故情況下，對系統穩定具有特別重要的意義；b）操作簡便，易于實現操作自動化。因為在發電機未加勵磁電流時合閘并網，不存在準同期條件的限制，不存在準同期法可能出現的問題；c）在系統電壓和頻率因故降低至不能使用難同期法并列操作時，自同期方法將發電機投入系統提供了可能性。

自同期法的缺點：未加勵磁的發電機合閘并入系統瞬間，相當一個大容量的電感線圈接入系統，必然會產生沖擊電流，導致局部系統電壓瞬間下降。一般自同期法使用于水輪發電機及發電機—變壓器組接線方式的汽輪發電機。在采用自同期法實施并列前，應經計算核對。

發電廠發電機的并列操作斷路器，稱為同期點。除了發電機的出口斷路器之外在一次電路中，凡有可能與發電機主回路串聯后與系統（或另一電源）之間構成唯一斷路點的斷路器，均可作為同期點。例如，發電機—變壓器組的高壓側斷路器，發電機—三繞組變壓器組的各側斷路器，高壓母線聯絡斷路器及旁路斷路器，都可作為同期點。在同期點應裝設準同期裝置。對于電壓在110kV以上的聯絡線路的斷路器，除裝設準同期裝置外，其重合閘裝置應具有檢查無壓、檢查同期的功能。

在發電廠，并列操作比較頻繁，在實施并列過程中可直接調節發電機的同期參數。一般同期點應裝設帶非同期閉鎖的手動準同期裝置和自動準同期裝置；在水電廠，除了裝設以上兩種準同期裝置之外，還應裝設自動自同期裝置。對于雙電源的變電站，一般只裝設帶非同期閉鎖的手動準同期裝置。

2、自動準同期裝置的工作原理

2.1 電力系統并網的兩種情況。并網的確切定義：斷路器聯接兩側電源的合閘操作稱之為并網，并網有以下兩種情況：

差頻并網：發電機與系統并網或已解列兩系統間聯絡線并網都屬差頻并網。并網時需實現并列點兩側的電壓相近、頻率相近、在相角差為0度時完成并網操作。

同頻并網：未解列兩系統間聯絡線并網屬同頻并網（或合環）。這是因并列點兩側頻率相同，但兩側會出現一個功角，的值與聯接并列點兩側系統其它聯絡線的電抗及傳送的有功功率成比例。這種情況的并網條件應是當并列點斷路器兩側的壓差及功角在給定范圍內時即可實施并網操作。并網瞬間并列點斷路器兩側的功角立即消失，系統潮流將重新分布。因此，同頻并網的允許功角整定值取決于系統潮流重新分布后不致引起新投入線路的繼電保護動作，或導致并列點兩側系統失步。

2.2 差頻并網合閘角的數學模型。準同期的三個條件是壓差、頻差在允許值范圍內時應在相角差為零時完成并網。壓差和頻差的存在將導致并網瞬間并列點兩側會出現一定無功功率和有功功率的交換，不論是發電機對系統，或系統對系統并網對這種功率交換都有相當承受力。因此，并網過程中為了實現快速并網，不必對壓差和頻差的整定值限制太嚴，以免影響并網速度。但發電機并網時相角差的存在將會導致機組的損傷，甚至會誘發后果更為嚴重的次同步諧振（扭振）。因此一個好的同期裝置應確保在相角差為零時完成并網。

在差頻并網時，特別是發電機對系統并網時，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，同期裝置必須在零相差出現前的tk時發出合閘命令，才能確保在=0時實現并網。或者說同期裝置應在=0到來前提前一個角度k發出合閘命令，k與斷路器合閘時間tk、頻差s、頻差的一階導數 及頻差的二階導數 等有關。

同期裝置在并網過程中需不斷快速求解該微分方程，獲取當前的理想提前合閘角k。并不斷快速測量當前并列點斷路器兩側的實際相差，當=k時裝置發出合閘命令，實現精確的零相差并網。從公式中可以看出獲得精確的斷路器合閘時間tk（含中間繼電器）是非常重要的，同時也也可得出計算機對k的計算和對的測量都不是連續進行的，而是離散進行的。

2.3 同期裝置的工作過程。目前，發電廠同期裝置的配置均采用微機同期裝置和微機同步表，實現發電廠的自動和手動同期功能。當采用自動同期裝置實現自動同期時，裝置進入正常工作模式后，首先進行裝置自檢，如果自檢不通過，裝置報警并進入閉鎖狀態。自檢通過后進行輸入量檢查，如果開入量或電壓不滿足條件，裝置報警并進入閉鎖狀態；

如果輸入量符合進入同期過程要求，裝置會輸出“就緒”信號，此時如果有“啟動同期工作”信號輸入，裝置自動進入同期過程；

進入同期過程后，先判定同期模式，可能的同期模式有單側無壓合閘，雙側無壓合閘，同頻并網，差頻并網；在確定同期模式后，進入同期過程。

在同期過程中，如果出現某種使裝置不能自動完成同期操作的情況（如非無壓合閘并網時，系統側或待并側無壓，同期時間超過整定值等），裝置報警并進入閉鎖狀態；當符合同期合閘條件時，裝置發出合閘令，完成同期操作；在發電機同期（整定設備輸出方式為控制）時，如果頻差或壓差超過整定值且允許調頻調壓，裝置能發出相關控制指令，以期快速滿足同期條件；

3、發電廠與系統解列成為孤島后的并網

當電力系統與發電廠聯系較薄弱時，例如發電廠與系統的聯絡線數量少，或是穩定貯備不足，這就導致在系統發生事故時使整個發電廠與系統解列成為孤島。如果發電廠與系統的聯線不配置自動同期裝置，要恢復發電廠與系統的聯系，唯一的辦法就是系統故障時，將所有發電機從母線上切除，再將聯絡線在母線無壓的情況下合到母線上，剩下的工作就是用各發電機的同期裝置一臺一臺的與系統并網。

在孤島電廠的系統并網的第一條線路肯定是差頻同期。因此，發電廠孤島后的并網所配置的同期裝置必須是配置具有自動識別同期性質的同期裝置。

為了加速孤島發電廠與系統并網的速度，同期裝置也可在與線路同期過程中實施對電廠某臺或若干臺發電機進行自動調頻和調壓控制。但這與單臺發電機對系統并網不同，是整個發電廠多臺發電機同時對系統并網，因此，線路同期裝置應實時測量各臺發電機的有功功率和無功功率，進而選擇當前有足夠有功和無功調節容量的發電機實施頻率及電壓的調節，以使發電廠更快地并入電網。各臺機組的有功功率和無功功率也可通過已有測控裝置的通訊接口發送給同期裝置。

4、總結

為了保證電力系統的安全，考慮發電廠與系統解列成為孤島后的并網是非常必要的。成為孤島后的電廠可以很快的通過同期裝置恢復與系統的聯系，這對系統也非常有利，對于制止系統故障快速蔓延的意義是重大的。

作者簡介：鄒虹霞（1980-）女，黑龍江望奎人，本科，浙江大唐國際江山新城熱電有限責任公司，工程師。研究方向：發電廠電氣一二次工作。