机组孤岛运行方式下同期并网装置的应用

机组孤岛运行方式下同期并网装置的应用

由于我国90年代初期，就已经进入大机组、大电网时代。电网供电可靠，频率和电压都非常稳定，常规设计时，基本可不考虑发电机孤岛运行的方式。目前我院正在大力开拓海外设计市场，由于海外项目国家电网结构比较薄弱，在以往工程的EPC合同中，对于发电机孤岛运行及机组甩负荷带厂用电运行的方式提出了更高的要求。为提高电厂运行的可靠性和运行质量，结合原有的同期系统设计，完善发电机孤岛运行及机组甩负荷带厂用电运行方式下的同期并网。

标签：孤岛运行；同期并网

1、同期系统介绍

将一台单独运行的发电机投入到运行中的电力系统参加并列运行的操作，称为发电机的并列操作。同步发电机的并列操作，必须按照准同期方法或自同期方法进行。否则，盲目地将发电机并入系统，将会出现冲击电流，引起系统振荡，甚至会发生事故、造成设备损坏。

准同期并列操作，就是将待并发电机升至额定转速和额定电压后，满足以下四项准同期条件时，操作同期点断路器合闸，使发电机并网。a）发电机电压相序与系统电压相序相同；b）发电机电压与并列点系统电压相等；c）发电机的频率与系统的频率基本相等；d）合闸瞬间发电机电压相位与系统电压相位相同。

自同期并列操作，就是将发电机升速至额定转速后，在未加励磁的情况下合闸，将发电机并入系统，随即供给励磁电流，由系统将发电机拉入同步。

自同期法的优点：a）合闸迅速，自同期一般只需要几分钟就能完成，在系统急需增加功率的事故情况下，对系统稳定具有特别重要的意义；b）操作简便，易于实现操作自动化。因为在发电机未加励磁电流时合闸并网，不存在准同期条件的限制，不存在准同期法可能出现的问题；c）在系统电压和频率因故降低至不能使用难同期法并列操作时，自同期方法将发电机投入系统提供了可能性。

自同期法的缺点：未加励磁的发电机合闸并入系统瞬间，相当一个大容量的电感线圈接入系统，必然会产生冲击电流，导致局部系统电压瞬间下降。一般自同期法使用于水轮发电机及发电机—变压器组接线方式的汽轮发电机。在采用自同期法实施并列前，应经计算核对。

发电厂发电机的并列操作断路器，称为同期点。除了发电机的出口断路器之外在一次电路中，凡有可能与发电机主回路串联后与系统（或另一电源）之间构成唯一断路点的断路器，均可作为同期点。例如，发电机—变压器组的高压侧断路器，发电机—三绕组变压器组的各侧断路器，高压母线联络断路器及旁路断路器，都可作为同期点。在同期点应装设准同期装置。对于电压在110kV以上的联络线路的断路器，除装设准同期装置外，其重合闸装置应具有检查无压、检查

同期的功能。

在发电厂，并列操作比较频繁，在实施并列过程中可直接调节发电机的同期参数。一般同期点应装设带非同期闭锁的手动准同期装置和自动准同期装置；在水电厂，除了装设以上两种准同期装置之外，还应装设自动自同期装置。对于双电源的变电站，一般只装设带非同期闭锁的手动准同期装置。

2、自动准同期装置的工作原理

2.1 电力系统并网的两种情况。并网的确切定义：断路器联接两侧电源的合闸操作称之为并网，并网有以下两种情况：

差频并网：发电机与系统并网或已解列两系统间联络线并网都属差频并网。并网时需实现并列点两侧的电压相近、频率相近、在相角差为0度时完成并网操作。

同频并网：未解列两系统间联络线并网属同频并网（或合环）。这是因并列点两侧频率相同，但两侧会出现一个功角，的值与联接并列点两侧系统其它联络线的电抗及传送的有功功率成比例。这种情况的并网条件应是当并列点断路器两侧的压差及功角在给定范围内时即可实施并网操作。并网瞬间并列点断路器两侧的功角立即消失，系统潮流将重新分布。因此，同频并网的允许功角整定值取决于系统潮流重新分布后不致引起新投入线路的继电保护动作，或导致并列点两侧系统失步。

2.2 差频并网合闸角的数学模型。准同期的三个条件是压差、频差在允许值范围内时应在相角差为零时完成并网。压差和频差的存在将导致并网瞬间并列点两侧会出现一定无功功率和有功功率的交换，不论是发电机对系统，或系统对系统并网对这种功率交换都有相当承受力。因此，并网过程中为了实现快速并网，不必对压差和频差的整定值限制太严，以免影响并网速度。但发电机并网时相角差的存在将会导致机组的损伤，甚至会诱发后果更为严重的次同步谐振（扭振）。因此一个好的同期装置应确保在相角差为零时完成并网。

在差频并网时，特别是发电机对系统并网时，发电机组的转速在调速器的作用下不断在变化，因此发电机对系统的频差不是常数，而是包含有一阶、二阶或更高阶的导数。加之并列点断路器还有一个固有的合闸时间tk，同期装置必须在零相差出现前的tk时发出合闸命令，才能确保在=0时实现并网。或者说同期装置应在=0到来前提前一个角度k发出合闸命令，k与断路器合闸时间tk、频差s、频差的一阶导数 及频差的二阶导数 等有关。

同期装置在并网过程中需不断快速求解该微分方程，获取当前的理想提前合闸角k。并不断快速测量当前并列点断路器两侧的实际相差，当=k时装置发出合闸命令，实现精确的零相差并网。从公式中可以看出获得精确的断路器合闸时间tk（含中间继电器）是非常重要的，同时也也可得出计算机对k的计算和对的测量都不是连续进行的，而是离散进行的。

2.3 同期装置的工作过程。目前，发电厂同期装置的配置均采用微机同期装置和微机同步表，实现发电厂的自动和手动同期功能。当采用自动同期装置实现自动同期时，装置进入正常工作模式后，首先进行装置自检，如果自检不通过，装置报警并进入闭锁状态。自检通过后进行输入量检查，如果开入量或电压不满足条件，装置报警并进入闭锁状态；

如果输入量符合进入同期过程要求，装置会输出“就绪”信号，此时如果有“启动同期工作”信号输入，装置自动进入同期过程；

进入同期过程后，先判定同期模式，可能的同期模式有单侧无压合闸，双侧无压合闸，同频并网，差频并网；在确定同期模式后，进入同期过程。

在同期过程中，如果出现某种使装置不能自动完成同期操作的情况（如非无压合闸并网时，系统侧或待并侧无压，同期时间超过整定值等），装置报警并进入闭锁状态；当符合同期合闸条件时，装置发出合闸令，完成同期操作；在发电机同期（整定设备输出方式为控制）时，如果频差或压差超过整定值且允许调频调压，装置能发出相关控制指令，以期快速满足同期条件；

3、发电厂与系统解列成为孤岛后的并网

当电力系统与发电厂联系较薄弱时，例如发电厂与系统的联络线数量少，或是稳定贮备不足，这就导致在系统发生事故时使整个发电厂与系统解列成为孤岛。如果发电厂与系统的联线不配置自动同期装置，要恢复发电厂与系统的联系，唯一的办法就是系统故障时，将所有发电机从母线上切除，再将联络线在母线无压的情况下合到母线上，剩下的工作就是用各发电机的同期装置一台一台的与系统并网。

在孤岛电厂的系统并网的第一条线路肯定是差频同期。因此，发电厂孤岛后的并网所配置的同期装置必须是配置具有自动识别同期性质的同期装置。

为了加速孤岛发电厂与系统并网的速度，同期装置也可在与线路同期过程中实施对电厂某台或若干台发电机进行自动调频和调压控制。但这与单台发电机对系统并网不同，是整个发电厂多台发电机同时对系统并网，因此，线路同期装置应实时测量各台发电机的有功功率和无功功率，进而选择当前有足够有功和无功调节容量的发电机实施频率及电压的调节，以使发电厂更快地并入电网。各台机组的有功功率和无功功率也可通过已有测控装置的通讯接口发送给同期装置。

4、总结

為了保证电力系统的安全，考虑发电厂与系统解列成为孤岛后的并网是非常必要的。成为孤岛后的电厂可以很快的通过同期装置恢复与系统的联系，这对系统也非常有利，对于制止系统故障快速蔓延的意义是重大的。

作者简介：邹虹霞（1980-）女，黑龙江望奎人，本科，浙江大唐国际江山新城热电有限责任公司，工程师。研究方向：发电厂电气一二次工作。