摘要：同期并列是实现水电站同步发电机快速并网的手段，是节约机组并网前空载能耗、机组故障时快速投入备用机组、系统安全稳定运行的重要保障。本文通过介绍同期的意义、同期的方式及同期并列实现的方法，并结合阿海水电厂SYN5201同期装置的特点及相关要求，为大型水电厂同期装置的操作使用提供一定的参考。
关键词：同期并列；同期装置；SYN5201
Abstract：Juxtaposition Hydropower synchronous generator quickly and network means saving unit grid-load power consumption，unit failure when put into standby unit，and an important guarantee for safe and stable operation. Through the introduction of the same period of significance，the way the same period of the same period in parallel to achieve，and combined with the the AHai hydropower plant SYN5201 year device characteristics and related requirements to provide a reference for the operation of large-scale hydropower plants over the same period the device.
Keywords：Juxtaposition Synchronization device SYN5201
引言
随着社会的发展，电力已成为人们生产生活中不可或缺的一环，这就对电力系统的稳定运行提出了更高的要求。在系统正常运行时，随着负荷的增加，要求将备用的发电机投入系统，以满足用户电量增长的需求；在系统发生事故时，要求将备用机组快速地投入以防止系统的崩溃。对于水电厂而言，由于水轮发电机组具有启停速度快的特点，故经常承担系统峰荷及事故备用作用，且机组的运行受水情影响，因此水电厂的并列操作相对其他电厂而言更加频繁。本文通过简要介绍同期系统相关知识，并结合阿海水电厂采用的ABB SYN5201同期装置相关特点和参数，为大型水电厂同期操作使用提供一定的参考指导。
1 同期的意义
同步发电机乃至各个电力系统联合起来并列运行，可以带来很大的经济效益。一方面，可提高供电的可靠性和电能质量；另一方面，可使负荷分配更加合理，减少系统的备用容量并充分利用各种动力资源，达到经济运行的目的。
提高同期的速度和控制精度，确保装置具有良好的均频、均压性能，快速促成同期条件的到来并可靠地捕捉同期条件的第一次出现是同期系统的最终目标。一个品质优越的同期系统对于延长机组使用寿命、保证系统安全、营造良好的并网环境是非常重要的。
随着电力系统容量的不断增大，同步发电机的单机容量也越来越大，对大型机组不恰当的并网操作将导致非常严重的后果。由于水电厂往往在系统中要担负调峰、调频任务，并网操作比较频繁，多次不良并网操作给发电机组带来的累积损伤是严重的，所以水电厂更要避免非同期并列的发生。
2 同期的方式
在电力系统中，同期并列方式分为准同期并列和自同期并列两种。
准同期方式是将发电机组调整到符合并网条件后，再发出断路器的合闸命令。具体步骤是：首先，通过调速器调节发电机组转速，使其接近同步转速；其次，通过励磁装置调节发电机组励磁电流，使发电机组端电压接近系统电压；最后，频率差和电压幅值差都满足给定条件时，选择在零相角差到来前的合适时刻合上断路器，控制断路器触点闭合瞬间引起的冲击电流小于允许值，发电机组迅速被拉入同步运行。
自同期并列的操作是将未加励磁电流的发电机组的转速升到接近额定转速，再闭合断路器，然后立即合上励磁开关供给励磁电流，在发电机电势逐渐增长的过程中由系统将发电机组拉入同步运行。
两种同期方式具有各自的优缺点。系统在正常运行情况下，一般采用准同期并列方式将发电机组投入运行；自同期并列方式操作简单，速度快，在系统发生故障、频率波动较大时，发电机组仍能并列操作并迅速投入电网运行，可避免故障扩大，有利于处理系统事故，只有当系统发生故障时，为了迅速投入水轮发电机组才采用，应用此方式时要求发电机定子绕组的绝缘及端部固定情况应良好，端部接头应无不良现象。
系统之间不能采用自同期并列。
3 同期并列的基本原理
3.1 同期条件分析
同步发电机并列时，需要满足一定的条件，当这些条件不满足时，对并列发电机和电网都会产生一定的影响，情况严重时，可能会造成事故。
为了避免在发电机组投入电网是产生很大的冲击电流，应该使待并发电机组每一相的电压瞬时值与电网电压瞬时值一直保持相等，因此，在保证两侧相序一致的前提下，允许断路器并列的理想条件为：
（1）电压幅值相等；
（2）电压角频率相等或电压频率相等；
（3）合闸瞬间的相角差为零。
3.2 准同期基本原理
同步发电机的并网操作是发电厂的一项重要操作，不恰当的并网操作将导致严重的后果。因此必须提高同步发电机并网操作的准确度和可靠性，以保证安全。将发电机并入系统时应遵循如下两个原则
（l）出口断路器合闸时，冲击电流应尽可能小，其瞬间最大值一般不超过1~2倍定子额定电流。
（2）发电机组并入电网后，应能迅速进入同步运行状态，其暂态过程要短，以减少对电力系统的扰动。
由于装置从发出合闸命令到断路器合闸有一定的延时，为了准确的在同步点相位差为0的时机重合，需要设置一个导前时间和导前角度允许误差范围，导前时间和角差限值由用户整定，在断路器的状态位置接入到装置的开入量DL位置情况下，装置在合闸成功时会自动记录此导前时间以及导前角，用户可以根据此记录时间来合理设置导前时间和导前角误差，需要注意的是，装置记录下来的导前时间包括断路器位置信号的返回时间，因此，此导前时间还必须减去断路器位置信号的返回时间。
另外，准同期装置还会设置一些必要的逻辑闭锁功能，如：滑差闭锁逻辑，以防止自动准同期装置在发电机或系统频率波动厉害的情况下同期合闸；系统低压闭锁逻辑，当系统低压时装置自动闭锁准同期功能；频率异常闭锁逻辑，当系统频率低于47Hz或系统频率高于53Hz时，自动闭锁准同期功能。
3.3 自同期基本原理
由于在合闸时两侧电压的幅值相差很大，所以自同期并列不可避免地要引起很大的冲击电流。在自同期并列时发电机需要从系统吸收大量的无功功率，这将会导致电网电压大幅度下降，对其它用电设备的正常工作造成不利影响。经常使用自同期方式对发电机定子绝缘等也造成损害。因此自同期并列方式只在系统发生事故，需要迅速投入备用机组时才被采用。自同期时要求在冷状态下，冲击电磁力矩不超过发电机出口三相突然短路时由发电机供给的短路电流引起的电磁力矩数值的一半。同时冲击电流在定子绕组端部引起电动力，要求不超过出口三相突然短路时所产生的电动力的一半。
4 同期点的选择和同期电压的引入
用于同期并列的断路器，即称为同期点。一般说来，如果一个断路器断开后，两侧都有电源且不同步时，即两侧电压幅值、频率或相位不同时，则这个断路器就应该是同期点。选择合理的同期点、同期方式及其相应的接线，便于可靠迅速地完成待并发电机与电力系统的同步运行。下面分别介绍水电站同期点的选择和同期电压的引入。
4.1 同期点的选择
同期点的选择应能够满足水电厂正常的操作要求，并在系统发生故障时，能够进行灵活的操作，满足系统正常的需求。对水电站来说，同期点可以有很多，可以分为发电机同期、变压器同期及线路与母线同期这三种，每种同期点均具有自己的特点。
在水电厂中，发电机出口断路器和发电机-双绕组变压器组的高压侧断路器都是操作比较频繁的，所以他们都应该是同期点。
4.2 同期电压的引入
4.2.1发电机出口同期电压的引入
这种情况引入的同期电压可取自发电机断路器两侧互感器的二次绕组。
4.2.2变压器高低压侧同期电压引入
采用发电机单元接线时，当高压侧断路器为同期点时，其两侧电压需取自安装在变压器高、低压侧的互感器。
4.2.3线路断路器同期电压的引入
由于电气主接线的形式多样，因此线路断路器的同期电压获取方式也具有多样性。对于中性点直接接地系统，一般建议采取主二次绕组采用中性点接地的方式，同期系统接入主二次绕组或辅助二次绕组。对于中性点非直接接地的系统，由于一般不装设距离保护和零序方向保护，B相接地对保护的影响小，而且本系统接地时，中性点电压会偏移，所以在没有接地矛盾时建议电压互感器二次绕组采用B相接地方式，同期电压采用主二次绕组的线电压。
5 阿海水电厂同期装置
5.1 阿海水电厂同期装置介绍
阿海水电厂采用发电机-变压器单元接线方式，500kVGIS开关站电气主接线侧采用一串3/2、两串4/3接线方式。同期装置采用瑞士ABB公司SYN 5021型SYNCHROTACT5同期装置。阿海水电厂同期装置分为5套机组出口开关同期装置和3套500kV开关站同期装置。机组同期装置支持一个同期点，开关站的同期装置可以最多支持7个同期点。每套机组出口开关同期装置设有2套自动同期装置及1套手动同期装置，500kV开关每一串设有2套自动同期装置及1套手动同期装置。
机组同期方式以机组出口开关自动准同期方式作为主要同期方式，机组出口开关自动准同期装置故障或特殊情况下，采用500kV开关站边开关捕捉同期方式作为机组同期方式。500kV开关站采用自动捕捉同期方式，同期装置承担机组并列同期、线路同期以及合环运行等同期任务。
正常并网操作应以自动准同期方式操作，紧急情况下可以手动准同期并网。手动准同期的操作人员和监护人员必须由阿海水电厂批准的人员担任。线路并列时，待并两系统电压偏差应小于10%，频率差小于0.2Hz，相角差小于15°。
5.2 SYN5201型同期装置简要说明
SYNCHROTACT5数字式同期装置用于发电机与电网之间的同期并列，以及用于已经同步的电网之间的并列。其中SYN5201型数字式同期装置是一种单通道同期装置，其组成部件和软件设计都十分可靠，从而是该同期装置具有非常高的安全性，能防止非同期合闸。
并列所需的全部参数都存放在一个参数集中，该参数集给出了并列所需的条件以及电压匹配器与频率匹配器的特性等。通过给出7组不同的参数集，同一台同期装置可以在不同的并列条件下以及不同的电压及频率匹配器特性下实现并列。可以通过7个可配置的数字输入和数字输出端来选用不同的参数集。对同期装置调试和控制起重要作用的数据可以通过PC软件-SynView或通过同期装置面板上的键盘来进行上传或下载。
同期对象的参数必须逐项设置，并认真审核无误后，装置才能投入运行。
整个自动并列过程可以划分为一下四个基本功能模块：
1.测量；
2.电压匹配与频率匹配；
3.并列条件监视；
4.并列指令生成。
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5.3 正常操作模式、同步操作序列
初始化
使用辅助电压后，软件被初始化。通常需要一直使用辅助电压（不论是否选择了同步操作），而且处理器处于工作状态。
参数集选择
对于提供了多参数集选项的同期装置，需要在开始同步操作前通过数字输入来对参数集进行选择。起动信号发出后，选中的参数集和用于选择并列点的继电器都处于激活状态。
在无故障锁定状态，选定的参数集处于激活状态，而且用于并列点选择的继电器也被接通。这使得实际值校准、并列时间测量和匹配器测试等功能等可以十分方便地进行。
选择同步操作（起动）
通过在准备就绪状态（READY）下选择同步，可以开始同步过程，同期装置开始发出相应指令并开始同步操作。
停止同步操作（停止）
用“停止”指令可以中断当前同步过程，该功能通常在已发出并列指令之后使用。
5.4 技术参数
5.4.1 输入
辅助电压
额定电压范围 范围1 24~48VDC
范围2 100~125VAC/VDC
范围3 220~250VDC
许可电压范围 0.75~1.25*Un
最大功耗 12W/18VA
测量输入U1、U2
额定电压范围 50~130VAC
电压范围 0~130%Un
额定频率 162/3或50/60Hz
频率范围 10~100Hz
每个通道最大电流消耗 <10mVA
数字输入
额定电压 24/48VDC
电流消耗 6~8mA
5.4.2 输出
并列继电器
最大开关电压 250VAC/VDC
最大开关电流，连续 5AAC/ADC
最大开关功率 ON AC/DC 1000VA/W
最大开关功率 OFF AC/DC 30VA/W
调节指令和信号继电器
最大开关电压 250VAC/VDC
最大开关电流，连续 1.5AAC/ADC
最大开关功率 ON/OFF AC/DC 50VA/W
数字输入的辅助电压输出
最大输出功率 4W
5.4.3 传输变量值
测量范围
电压U1、U2 0~1.30*Un
相角差 α -179o~+180o
频率 f1、f2 10~100Hz
转差率 s 0~50%
加速度 ds/dt 0~10%/s
并列时间 t ON 0~1s
测量精度
电压 U1、U2 ≤1%
电压差 ∆U ≤0.15%Un≤5%设定值
相角差 α ≤1o（转差率≤2%且≤300时）
频率 f1、f2 ≤50 mHz
转差率 s ≤0.02%
并列时间 t ON ≤10ms
其他时间 ≤1%设定值
需要注意的是，投运前必须对开关“假同期”一次，并录波、测量提前时间准确无误，“假同期”时开关两侧隔离开关必须拉开，并做相应安全措施，以防止刀闸误动。
6 结束语
鉴于目前水电站同期装置的自动化程度已经很高，设备的安全稳定运行已经得到极大的保障，但运行人员对于同期装置的结构原理、同期装置操作以及同期装置可能出现的各种故障都必须有清醒的认识，只有这样才能提前发现各种隐患，正确处理各种突发事故，为电厂的稳定运行奠定坚实的基础。
参考文献：
[1]陈启卷，南海鹏．水电厂自动运行．北京：中国水利水电出版社，2009
[2]阿海水电厂运行规程．阿海水电厂
[3]SYNCHROTACE5操作说明书 ABB瑞士有限公司
作者简介：胡磊，1987.12，男，湖北安陆，学士，主要从事水电厂运行工作。
论文作者:胡磊
论文发表刊物:《电力设备》2018年第27期
论文发表时间:2019/3/14
标签：同期论文; 电压论文; 装置论文; 机组论文; 发电机论文; 断路器论文; 操作论文; 《电力设备》2018年第27期论文;