機組孤島運行方式下同期并網(wǎng)裝置的應(yīng)用

【摘要】由于我國90年代初期，就已經(jīng)進入大機組、大電網(wǎng)時代。電網(wǎng)供電可靠，頻率和電壓都非常穩(wěn)定，常規(guī)設(shè)計時，基本可不考慮發(fā)電機孤島運行的方式。目前我院正在大力開拓海外設(shè)計市場，由于海外項目國家電網(wǎng)結(jié)構(gòu)比較薄弱，在以往工程的EPC合同中，對于發(fā)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(zhì)量，結(jié)合原有的同期系統(tǒng)設(shè)計，完善發(fā)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(wǎng)。

【關(guān)鍵詞】孤島運行；同期并網(wǎng)

1、同期系統(tǒng)介紹

將一臺單獨運行的發(fā)電機投入到運行中的電力系統(tǒng)參加并列運行的操作，稱為發(fā)電機的并列操作。同步發(fā)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(fā)電機并入系統(tǒng)，將會出現(xiàn)沖擊電流，引起系統(tǒng)振蕩，甚至會發(fā)生事故、造成設(shè)備損壞。

準同期并列操作，就是將待并發(fā)電機升至額定轉(zhuǎn)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(fā)電機并網(wǎng)。a）發(fā)電機電壓相序與系統(tǒng)電壓相序相同；b）發(fā)電機電壓與并列點系統(tǒng)電壓相等；c）發(fā)電機的頻率與系統(tǒng)的頻率基本相等；d）合閘瞬間發(fā)電機電壓相位與系統(tǒng)電壓相位相同。

自同期并列操作，就是將發(fā)電機升速至額定轉(zhuǎn)速后，在未加勵磁的情況下合閘，將發(fā)電機并入系統(tǒng)，隨即供給勵磁電流，由系統(tǒng)將發(fā)電機拉入同步。

自同期法的優(yōu)點：a）合閘迅速，自同期一般只需要幾分鐘就能完成，在系統(tǒng)急需增加功率的事故情況下，對系統(tǒng)穩(wěn)定具有特別重要的意義；b）操作簡便，易于實現(xiàn)操作自動化。因為在發(fā)電機未加勵磁電流時合閘并網(wǎng)，不存在準同期條件的限制，不存在準同期法可能出現(xiàn)的問題；c）在系統(tǒng)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(fā)電機投入系統(tǒng)提供了可能性。

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

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

在發(fā)電廠，并列操作比較頻繁，在實施并列過程中可直接調(diào)節(jié)發(fā)電機的同期參數(shù)。一般同期點應(yīng)裝設(shè)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(shè)以上兩種準同期裝置之外，還應(yīng)裝設(shè)自動自同期裝置。對于雙電源的變電站，一般只裝設(shè)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(tǒng)并網(wǎng)的兩種情況。并網(wǎng)的確切定義：斷路器聯(lián)接兩側(cè)電源的合閘操作稱之為并網(wǎng)，并網(wǎng)有以下兩種情況：

差頻并網(wǎng)：發(fā)電機與系統(tǒng)并網(wǎng)或已解列兩系統(tǒng)間聯(lián)絡(luò)線并網(wǎng)都屬差頻并網(wǎng)。并網(wǎng)時需實現(xiàn)并列點兩側(cè)的電壓相近、頻率相近、在相角差為0度時完成并網(wǎng)操作。

同頻并網(wǎng)：未解列兩系統(tǒng)間聯(lián)絡(luò)線并網(wǎng)屬同頻并網(wǎng)（或合環(huán)）。這是因并列點兩側(cè)頻率相同，但兩側(cè)會出現(xiàn)一個功角，的值與聯(lián)接并列點兩側(cè)系統(tǒng)其它聯(lián)絡(luò)線的電抗及傳送的有功功率成比例。這種情況的并網(wǎng)條件應(yīng)是當并列點斷路器兩側(cè)的壓差及功角在給定范圍內(nèi)時即可實施并網(wǎng)操作。并網(wǎng)瞬間并列點斷路器兩側(cè)的功角立即消失，系統(tǒng)潮流將重新分布。因此，同頻并網(wǎng)的允許功角整定值取決于系統(tǒng)潮流重新分布后不致引起新投入線路的繼電保護動作，或?qū)е虏⒘悬c兩側(cè)系統(tǒng)失步。

2.2 差頻并網(wǎng)合閘角的數(shù)學模型。準同期的三個條件是壓差、頻差在允許值范圍內(nèi)時應(yīng)在相角差為零時完成并網(wǎng)。壓差和頻差的存在將導(dǎo)致并網(wǎng)瞬間并列點兩側(cè)會出現(xiàn)一定無功功率和有功功率的交換，不論是發(fā)電機對系統(tǒng)，或系統(tǒng)對系統(tǒng)并網(wǎng)對這種功率交換都有相當承受力。因此，并網(wǎng)過程中為了實現(xiàn)快速并網(wǎng)，不必對壓差和頻差的整定值限制太嚴，以免影響并網(wǎng)速度。但發(fā)電機并網(wǎng)時相角差的存在將會導(dǎo)致機組的損傷，甚至會誘發(fā)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(yīng)確保在相角差為零時完成并網(wǎng)。

在差頻并網(wǎng)時，特別是發(fā)電機對系統(tǒng)并網(wǎng)時，發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速在調(diào)速器的作用下不斷在變化，因此發(fā)電機對系統(tǒng)的頻差不是常數(shù)，而是包含有一階、二階或更高階的導(dǎo)數(shù)。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(xiàn)前的tk時發(fā)出合閘命令，才能確保在=0時實現(xiàn)并網(wǎng)?；蛘哒f同期裝置應(yīng)在=0到來前提前一個角度k發(fā)出合閘命令，k與斷路器合閘時間tk、頻差s、頻差的一階導(dǎo)數(shù) 及頻差的二階導(dǎo)數(shù) 等有關(guān)。

同期裝置在并網(wǎng)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(cè)的實際相差，當=k時裝置發(fā)出合閘命令，實現(xiàn)精確的零相差并網(wǎng)。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(xù)進行的，而是離散進行的。

2.3 同期裝置的工作過程。目前，發(fā)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(xiàn)發(fā)電廠的自動和手動同期功能。當采用自動同期裝置實現(xiàn)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(tài)。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(tài)；

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(cè)無壓合閘，雙側(cè)無壓合閘，同頻并網(wǎng)，差頻并網(wǎng)；在確定同期模式后，進入同期過程。

在同期過程中，如果出現(xiàn)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(wǎng)時，系統(tǒng)側(cè)或待并側(cè)無壓，同期時間超過整定值等），裝置報警并進入閉鎖狀態(tài)；當符合同期合閘條件時，裝置發(fā)出合閘令，完成同期操作；在發(fā)電機同期（整定設(shè)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(diào)頻調(diào)壓，裝置能發(fā)出相關(guān)控制指令，以期快速滿足同期條件；

3、發(fā)電廠與系統(tǒng)解列成為孤島后的并網(wǎng)

當電力系統(tǒng)與發(fā)電廠聯(lián)系較薄弱時，例如發(fā)電廠與系統(tǒng)的聯(lián)絡(luò)線數(shù)量少，或是穩(wěn)定貯備不足，這就導(dǎo)致在系統(tǒng)發(fā)生事故時使整個發(fā)電廠與系統(tǒng)解列成為孤島。如果發(fā)電廠與系統(tǒng)的聯(lián)線不配置自動同期裝置，要恢復(fù)發(fā)電廠與系統(tǒng)的聯(lián)系，唯一的辦法就是系統(tǒng)故障時，將所有發(fā)電機從母線上切除，再將聯(lián)絡(luò)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(fā)電機的同期裝置一臺一臺的與系統(tǒng)并網(wǎng)。

在孤島電廠的系統(tǒng)并網(wǎng)的第一條線路肯定是差頻同期。因此，發(fā)電廠孤島后的并網(wǎng)所配置的同期裝置必須是配置具有自動識別同期性質(zhì)的同期裝置。

為了加速孤島發(fā)電廠與系統(tǒng)并網(wǎng)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(fā)電機進行自動調(diào)頻和調(diào)壓控制。但這與單臺發(fā)電機對系統(tǒng)并網(wǎng)不同，是整個發(fā)電廠多臺發(fā)電機同時對系統(tǒng)并網(wǎng)，因此，線路同期裝置應(yīng)實時測量各臺發(fā)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(diào)節(jié)容量的發(fā)電機實施頻率及電壓的調(diào)節(jié)，以使發(fā)電廠更快地并入電網(wǎng)。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(fā)送給同期裝置。

4、總結(jié)

為了保證電力系統(tǒng)的安全，考慮發(fā)電廠與系統(tǒng)解列成為孤島后的并網(wǎng)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(fù)與系統(tǒng)的聯(lián)系，這對系統(tǒng)也非常有利，對于制止系統(tǒng)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(fā)電廠電氣一二次工作。