小型同步发电机自动并列开关设计

(辽宁省本溪满族自治县水务局，辽宁 本溪 117100)

本溪满族自治县是辽宁省多山且水资源相对较丰富的地区，也是全国水电农村电气化的试点县之一。由于地区内多建设小水电，因机组小而往往被忽视，导致发电效率低、质量差，并网时造成很大的电网冲击[1]，影响地区电网的正常运行，成为电网运行中的“鸡肋”。采取措施解决以上问题已迫在眉睫。

1 现状分析

按照以往水电站小机组的运行条件，通常采取手动并列方式运行。多年的实际运行发现，手动并列不仅延误并列时间，而且存在着重大安全隐患。因为手动准同步装置一般是几台机组共用一套，为防止合闸人员误发合闸指令造成非同步合闸，需要在控制回路中设置非同步合闸闭锁装置，装置系统结构复杂，各机组的控制电缆繁多，很难避免因线间信号串扰而导致的系统误动，成为小水电站管理上极其棘手的问题。

2 并列基本条件

若采取准同步或自动同步方法，在自动监视电压差、频率差的前提下，选择适当的时机发出合闸脉冲，即断路器在相位角为0°时合闸，同时采取具有自动调节电压和频率的单元装置，将在小型电站运行中破解以上难题。

当电压差和频率差不满足并列条件时自动发出回馈指令进行整定[2]，当频率差不满足要求时，自动通过水轮机调速器调节发电机转速，提高或降低频率；当电压差不满足要求时，自动通过励磁调节装置调节发电机的输出电压，使其达到系统要求的整定电压。

按照同期(并列)的理论条件，系统母线电压U表示如下：

U=Umsin(ωt+φ)

式中Um——电压最大值,V;

ωt——频率,Hz;

φ——相位。

理想条件如下,有

Us=0

fs=0δ=0(合瞬间)

式中Us——电压最大值，V；

fs——频率，Hz；

δ——相位。

机组运行中，实际允许的条件如下：

Us≤(5～10)%Uθ

fs≤(0.2～0.5)%Uθ=(0.1～0.25)Hz

δ≤10

因此，需要研究适用于小机组的并列开关，以保证小型机组并列条件的满足。

3 自动并列开关构成及工作原理

3.1 并列开关构成框图

根据对小型机组运行条件的针对性分析，设计的并列开关构成见图1。

图1 并列开关构成框图

3.2 并列开关工作原理

开关中，由多电量电力变送器采集包括电网端和同步发电机输出端的电气参数，经过RS485总线传送给CPU单元。CPU单元根据转速调节装置和励磁电流调节装置提供的同步发电机组运行状态值，调整及反馈运行状态参数，使其达到同步发电机组并列运行条件。在符合并列运行条件后由CPU发出并列执行指令，实现同步发电机组准同期并网运行。

4 并列开关主要功能及实现方法

4.1 多电量电力变送器实现原理

并列开关设计中，电流采集回路的变送原理见图2，电压量采集回路见图3。其中，CT及PT单元输出4～20mA和0～5V的模拟量信号，经由AD8604及外围元件组成运算放大电路放大后直接输入给CPU模拟信号的输入端，由CPU计算出电网及同步发电机侧对应的瞬时电流、电压、频率及初相角参数。

图2 电流采集回路

图3 电压量采集回路

4.2 核心处理器(CPU)描述及实现功能

核心处理器(CPU)是其中关键的部件，直接反映了系统运行的寿命、功效和指令执行的准确程度，经过多实例筛选，CPU单元采用系统级混合信号芯片C8051F06x。该系列产品是高度集成的混合信号单片机[3]，具有2个独立的16位高速SAR ADC，每个速度都高达1Msps，是目前集成到单片机上的SAR ADC中精度最高的。凭借其片上VDD监视器、WDT以及时钟振荡器，使得该系列单片机成为真正独立的系统级芯片解决方案。所有模拟和数字外设都可以由用户固件启用/禁用和配置。Flash存储器可以在线编程，提供非易失性数据存储，并还允许8051固件的现场升级[4]。片上JTAG调试电路允许使用安装在最终产品上的单片机进行非侵入(不占用片上资源)、全速度、在线调试。 该调试系统支持检查和修改存储器和寄存器、设置断点和观察点、单步、运行和停止命令。在使用JTAG进行调试时，所有模拟和数字外设都可全功能工作。其内部关键指令系统见图4。

图4 8051内部关键指令系统框图

4.3 发电机转速调节装置描述

作为水轮发电机组重要附属设备之一的水轮机调速器，利用其调节控制和液压随动功能，通过随动装置对水轮机实施闭环控制，以达到调节发电机转速进而调控其频率的目的。

对于同步电机，其转速为

n=60f/p

式中n——电机转速;

f——频率,我国工频为50Hz;

p——极对数。

由上式可知，每台同步发电机的极对数是定值，为了达到工频50Hz的要求，就必须通过调整同步发电机的转速使其达到恒定值。因此，小型控制开关的设计采取由通信总线通过调速器进行连接，由核心处理器统一发出对应的调速指令。对水轮发电机组的开机、频率调节、频率跟踪、功率调节、导叶等的控制由CPU下达指令，完成并网参数的调制[5]。

由于许多小电站的机组运行年限较久，目前由于资金原因，还不能进行全面更新，因此，小型同步发电机并列开关的设计，通过人机交互界面，根据多年运行经验，在人工设定参数功能的支持下，实现对各机组的偏移参数进行修正，以达到统一整定的目标。这样，开机后调速器可自动监测并调整发电机组的运行转速为设定值，调整结束使该机组具备并列条件中的同频条件，实现小水电发电机组的高质量发电。

4.4 励磁电流调节装置描述

在合闸时电压幅值差对同步电机的电流冲击见图5。

图5 合闸时电压幅值差对同步电机的电流冲击

合闸相角差对同步电机的电流冲击见图6。

图6 合闸相角差对同步电机的电流冲击

由此可见，对于同步发电机转子中的励磁电流，正常运行时是由外部加在转子上的直流电压产生的，励磁直流电压是由直流电机输出，由可控硅整流后供给的，再通过对自动准同期装置中的电量检测，清楚地反映电网及发电机端的运行状态，为同期并列提供参数依据。

5 结 语

并列过程的合理性及科学性有利于减小并列瞬时对同步发电机的电流冲击。自动准同期设备的应用可以客观合理地监测电网及发电机端的电量参数，根据参数的变化及时准确地触发并列操作，降低冲击电流对设备及电网的损伤和干扰，是小型无人值守发电站控制方式的发展方向。

[1] 李光琦.电力系统暂态分析[M].北京：中国电力出版社，2007：33.

[2] 陈衍.电力系统稳态分析[M].北京：中国电力出版社，2007：6.

[3] 李光弟.单片机基础[M].北京：北京航空航天大学出版社，2000:57.

[4] 汪晓光，王艳丹，孙晓瑛，等.可编程控制原理及应用[M].北京：机械工业出版社，1994：133.

[5] 张汉杰.现代电标控制技术[M].哈尔滨工业大学出版杜，1996：102.