電力系統(tǒng)自動控制技術課件：發(fā)電機并列的基本原理

電力系統(tǒng)自動控制技術

發(fā)電機并列的基本原理2025/3/720引子電力系統(tǒng)正成為引領能源清潔低碳轉型的重要陣地2025/3/731.1電力系統(tǒng)含義電力系統(tǒng)：完成一次能源到電能的生產(chǎn)（轉換）、輸送、分配、消費的統(tǒng)一整體，通常由發(fā)電機、變壓器、電力線路和負荷等電力設備及信息控制組成的綜合系統(tǒng)。水電廠核電廠火電廠工廠電氣鐵路風電地區(qū)變電所配電變電所居民區(qū)輸電線路居民配電線路110500變電站500kV10kV樞紐變電所110kV2025/3/74電力系統(tǒng)世界最大人造系統(tǒng)；人類20世紀最偉大的20項發(fā)明之一；當今社會最龐大的工業(yè)之一?，F(xiàn)代電力系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展成為包括幾千臺同步發(fā)電機、數(shù)萬臺風力光伏新能源發(fā)電設備、幾十上百萬各類負荷及配套設備。主要特征產(chǎn)品不可大規(guī)模儲存，導致生產(chǎn)和消費的同時性產(chǎn)品質量不完全決定于生產(chǎn)環(huán)節(jié)生產(chǎn)體系易受自然環(huán)境影響惡性連鎖事故的破壞力巨大1.1電力系統(tǒng)含義2025/3/75按設計運行含義安全：各種穩(wěn)定（功角、電壓、頻率）、不越限可靠：供電可靠性，可轉移性，N-1校驗優(yōu)質：供電質量（電壓、頻率、諧波含量）經(jīng)濟：發(fā)輸電成本低如何保證如此復雜龐大系統(tǒng)按照設計穩(wěn)定運行？1.2電力系統(tǒng)控制2025/3/76電力系統(tǒng)自動化系統(tǒng)是保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定優(yōu)質高效運行的重要保證本質：控制理論在電網(wǎng)中的應用根本思想：分層分區(qū)、分而治之通信系統(tǒng)加持現(xiàn)代信息處理技術融合電力系統(tǒng)逐步發(fā)展成為物理信息融合的綜合能源自動管控系統(tǒng)1.2電力系統(tǒng)控制2025/3/772課程簡介——課程目標對電力系統(tǒng)運行與控制相關問題形成較為系統(tǒng)的認識熟悉發(fā)電機并列、勵磁、調速等設備控制原理；理解電力系統(tǒng)頻率調整及電壓調整的基本問題；理解電力系統(tǒng)功頻特性、自動發(fā)電控制、經(jīng)濟調度基本問題及解決思路；熟悉電網(wǎng)調度自動化、配電網(wǎng)自動化、變電站自動化等自動化子系統(tǒng)以及自動重合閘裝置、自動解列裝置、備用電源自動投入裝置、故障錄波裝置、小電流接地選線等自動裝置為今后從事電力系統(tǒng)調度、運行、控制等理論研究和實踐工作奠定基礎2025/3/782課程簡介——教材和參考書目【教材】張恒旭、石訪、施嘯寒（編著），電力系統(tǒng)自動化，2024年，機械工業(yè)出版社，

“十三五”國家重點出版物出版規(guī)劃項目教材?！緟⒖紩?、《電力系統(tǒng)自動化》，李先彬主編，中國電力出版社，2013年；2、《電力系統(tǒng)自動化》，李巖松主編，中國電力出版社，2013年。2025/3/792課程簡介——考察方式【考察方式】平時成績20%（作業(yè)，課堂表現(xiàn)等），實驗10%，期末考試70%。題型：論述+計算【教學思想】：問題驅動，應用導向【教學手段】：課堂學習，雨課堂作業(yè)與資料共享2025/3/710第一層：直接控制層從被控對象直接獲取狀態(tài)信息，并按給定值或給定規(guī)律控制。控制系統(tǒng)的基礎，結構可靠、動作迅速、效果明顯、數(shù)量最多。優(yōu)先采用該系統(tǒng)可以對發(fā)電廠、變電站及發(fā)、配電網(wǎng)絡的各種系統(tǒng)裝置進行直接控制。這些控制系統(tǒng)結構可靠、動作迅速。如發(fā)電機自動并列裝置、同步機自動勵磁裝置、饋電線路自動化裝置、繼電保護裝置、負荷控制裝置等都屬于這個范疇1112課程簡介——分層控制思想2025/3/711第二層：監(jiān)督控制層實現(xiàn)對被控對象的監(jiān)督功能，例如越限報警、越限緊急停車、緊急啟動等。一般由設在直接控制器中的專門部件執(zhí)行，其整定值由上級管理、控制環(huán)節(jié)來確定。電力系統(tǒng)裝置本地的異常切機、切負荷（過壓過流保護）、過勵/欠勵限制，通常附加在直接控制上2課程簡介——分層控制思想2025/3/712第三層：尋優(yōu)控制自尋穩(wěn)態(tài)最優(yōu)解多個設備運行時存在此問題最優(yōu)解作為下級控制設備的輸入如場站級無功控制第四層：協(xié)調控制全系統(tǒng)內的協(xié)調。協(xié)調結果為尋優(yōu)控制依據(jù)。如經(jīng)濟調度、無功優(yōu)化等第五層：經(jīng)營管理技術運行狀態(tài)作為經(jīng)營決策依據(jù)。市場、原料、人員及其素質、計劃安排等進行綜合分析。如發(fā)電計劃、檢修計劃等2課程簡介——分層控制思想第一章同步發(fā)電機同步并列運行。自動并列原理、裝置和同步機并列方式2課程簡介——內容提要第二章同步發(fā)電機的自動勵磁系統(tǒng)。發(fā)電機勵磁系統(tǒng)、勵磁調節(jié)器的原理勵磁穩(wěn)定器及電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）2課程簡介——內容提要第三章電力系統(tǒng)頻率控制。電力系統(tǒng)頻率控制的原理、頻率控制系統(tǒng)、自動低頻減載裝置等

2課程簡介——內容提要第四章電力系統(tǒng)無功和電壓的控制。電力系統(tǒng)電壓調整和無功功率控制的措施和方法。

2課程簡介——內容提要第五章電力系統(tǒng)的調度自動化重點介紹高壓調度自動化系統(tǒng)（即EMS系統(tǒng)）。內容涉及電力調度自動化的結構、功能。

2課程簡介——內容提要第六章配電自動化系統(tǒng)。低壓配電自動化系統(tǒng)（即DMS系統(tǒng)）結構、功能。2課程簡介——內容提要第七章變電站綜合自動化系統(tǒng)。變電站是電力系統(tǒng)中協(xié)調和控制的主要節(jié)點，它的自動化水平對于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定有著重要的意義。2課程簡介——內容提要2025/3/720本次課內容緒論電力系統(tǒng)自動控制課程定位和內容復雜大系統(tǒng)分層控制思想電力系統(tǒng)相關控制子系統(tǒng)與關鍵設備（內容提要）同步發(fā)電機自動并列同步發(fā)電機并列的含義并列的基本原則、條件并列方式的分類并列操作對待并發(fā)電機組進行適當?shù)牟僮鳎怪喜⒘袟l件后才允許斷路器QF合閘作并網(wǎng)運行。這一系列操作稱為并列操作或稱同期操作，有時也稱為“并車”、“并網(wǎng)”等電路示意圖3同步發(fā)電機并列——含義什么時候需要并列正常運行時，為了維持電力系統(tǒng)頻率、電壓在允許的范圍內，運行中要根據(jù)負荷波動必要時投入或切除發(fā)電機；在檢修完，要將機組重新投入；故障情況下，為了保護發(fā)電機（如過流、失磁等），或為了保持主系統(tǒng)的穩(wěn)定，需要切除發(fā)電機，并在合適時候將其重新投入運行；有時需要將備用發(fā)電機迅速投入運行。并列是同步機并聯(lián)運行和組網(wǎng)的基本操作，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行電力系統(tǒng)的容量在不斷增大，同步發(fā)電機的單機容量也越來越大，大型機組不恰當?shù)牟⒘胁僮鲗е聡乐睾蠊?。因此，對同步發(fā)電機的并列操作進行研究，提高并列操作的準確度和可靠性，對于系統(tǒng)的可靠運行具有很大的現(xiàn)實意義。不當?shù)牟⒘性斐傻奈：?/p>

并列瞬間，如果發(fā)電機的沖擊電流大，甚至超過允許值，所產(chǎn)生的電動力可能損壞發(fā)電機；且沖擊電流通過其他電氣設備，還會使其他電氣設備受損。并列后，當發(fā)電機在非同步的暫態(tài)過程時，發(fā)電機處于振蕩狀態(tài)，遭受振蕩沖擊，如果發(fā)電機長時間不能進入同步運行，可能導致失步，并列不成功。3同步發(fā)電機并列——含義避免不當并列造成的危害安全性：并列斷路器合閘時，沖擊電流應盡可能的小，其瞬時最大值一般不超過１～２倍的額定電流。穩(wěn)定性：發(fā)電機組并入電網(wǎng)后，應能迅速進入同步運行狀態(tài)，其暫態(tài)過程要短，以減少對電力系統(tǒng)的擾動。3同步發(fā)電機并列——原則基于并網(wǎng)原則，制定并網(wǎng)操作條件3同步發(fā)電機并列——條件這三個重要參數(shù)常被指定為運行母線的狀態(tài)量。電網(wǎng)的電壓也常用相量來表示。式中——電壓幅值

——電壓的角頻率

——初相角電力系統(tǒng)運行中，理想情況下，任一母線電壓瞬時值可表示為發(fā)電機側電壓相關參量：——

發(fā)電機電壓相量；——

發(fā)電機電壓角頻率；——

發(fā)電機電壓初相角；——

電網(wǎng)電壓相量；——

電網(wǎng)電壓角頻率；——

電網(wǎng)電壓初相角；——

發(fā)電機電壓幅值；——

電網(wǎng)電壓幅值；電網(wǎng)側電壓相關參量：相量差，又稱脈動電壓

幅值差

頻率差

相角差等值電路發(fā)電機并列的理想條件為并列斷路器兩側電源電壓的三個狀態(tài)量全部相等，即圖1-1（c）中的，兩個相量完全重合并且同步旋轉，所以并列的理想條件可表達為:3同步發(fā)電機并列——條件+相序相同理想條件下：發(fā)電機并列合閘沖擊電流等于零，并且并列后發(fā)電機與電網(wǎng)立即進入同步運行，不發(fā)生任何擾動理想的并列操作，極大地簡化并列過程3同步發(fā)電機并列——理想條件和實用條件實際運行中：理想條件中三個條件很難同時滿足不必苛求，只要沖擊電流較小，不危及電氣設備；合閘后發(fā)電機組能迅速拉入同步運行，則發(fā)電機并列操作不致引起任何不良后果在實際并列操作中，并列的實際條件允許偏離理想條件。

偏離多少是合理的？3同步發(fā)電機并列——實用條件分析等效幅值差相角差頻率差3同步發(fā)電機并列——幅值差、——

機端及電網(wǎng)電壓有效值——

發(fā)電機直軸次暫態(tài)電抗分析：沖擊電流主要為無功電流分量，電動力主要危害發(fā)電機定子繞組端部機械強度沖擊電流最大瞬時值限制在1～2倍額定電流以下；我國曾規(guī)定壓差沖擊并列電流不允許超過機端短路電流的1/20到1/10幅值差不能超過額定電壓的5～10％，巨型發(fā)電機組更規(guī)定在0.1％以下3同步發(fā)電機并列——相角差分析：沖擊電流主要為有功電流分量合閘后發(fā)電機與電網(wǎng)間立刻交換有功功率，使機組聯(lián)軸受到突然沖擊保證機組安全運行，一般將有功沖擊電流限制在較小數(shù)值

——系統(tǒng)電壓有效值；

——發(fā)電機交軸次暫態(tài)電抗3同步發(fā)電機并列——頻率差兩者間的電角頻率之差稱為滑差角頻率，簡稱滑差，用表示：兩者頻率之差稱為頻差，用表示:滑差周期定義為：角速度頻差、滑差有正負3同步發(fā)電機并列——頻率差分析：滑差頻率就是頻率差，表示待并發(fā)電機與系統(tǒng)之間頻率差滑差可以反映頻率差，兩者是2π倍數(shù)關系滑差周期為滑差頻率的倒數(shù)；因此滑差周期可以反映頻率差，即滑差周期大則頻率差小、滑差周期小則頻率差大有滑差的情況下，將機組投入電網(wǎng)后，需要經(jīng)過一段加減速過程，才能使機組與系統(tǒng)在頻率上“同步”。加速或減速力矩會對機組造成沖擊，滑差越大，并列時的沖擊就越大，因而應該嚴格限制并列時的允許滑差我國在發(fā)電廠進行正常人工手動并列操作時，一般取滑差周期在10～16s之間并列的同步過程加速過程減速過程同步機拉入同步過程：（1）發(fā)電機的電壓超前電網(wǎng)電壓，發(fā)電機發(fā)出有功功率，則發(fā)電機將制動而減速；（2）發(fā)電機的電壓落后電網(wǎng)電壓，發(fā)電機吸收有功功率，則發(fā)電機將加速；（3）所以交換功率的方向與相角差的正負有關。（4）并列時滑差的極限值應根據(jù)發(fā)電機能否進入同步運行的穩(wěn)定條件進行校驗。在一般情況下，并列時ωs

值遠小于上述極限值，因此可以不必校驗。但是，當并列的發(fā)電機組與電網(wǎng)間的聯(lián)系較弱時，也有可能需按穩(wěn)定條件對ωs進行校驗。3同步發(fā)電機并列——頻率差準同期和自同期兩種，對并列條件的滿足程度不同4同步發(fā)電機并列——準同期方式準同期：又稱準同步并列操作，是指發(fā)電機在并列合閘前已勵磁，當發(fā)電機頻率、電壓相角、電壓幅值分別和并列點系統(tǒng)側對應值接近相同時，將發(fā)電機斷路器合閘，完成并列操作合閘后發(fā)電機與電網(wǎng)間立刻交換有功功率，使機組聯(lián)軸受到突然沖擊4同步發(fā)電機并列——準同期方式特點：沖擊電流小，不會引起系統(tǒng)電壓降低；并列操作過程中需要對發(fā)電機電壓、頻率進行調整，并列時間較長且操作復雜。適用場合：正常情況下發(fā)電機的并列，是發(fā)電機的主要并列方式早期并列時間較長且操作復雜，不適于緊急情況的發(fā)電機并列現(xiàn)在準同期并列自動化裝置完善，故障下快速機組投入也使用這種方式4同步發(fā)電機并列——自同期方式自同期：將一臺未加勵磁電流的發(fā)電機組升速到接近于電網(wǎng)頻率，滑差角頻率不超過允許值，且機組加速度小于某一給定值首先合上并列斷路器DL接著立刻合上勵磁開關KE，給轉子加上勵磁電流在發(fā)電機電動勢增長的過程中，由電力系統(tǒng)將并列的發(fā)電機組拉入同步運行4同步發(fā)電機并列——自同期方式特點：控制操作非常簡單；沖擊電流大，投入瞬間，未經(jīng)勵磁的發(fā)電機接入電網(wǎng)，相當于電網(wǎng)經(jīng)發(fā)電機次暫態(tài)電抗短路，因而不可