同步方式与并行方式的比较

同期（也称同步）操作是发电厂、变电站中重要的工作，通过操作可以实现单台发电机与电力系统并列运行，以及实现两个电力系统之间的并列运行。同期操作的正确与否，直接关系到发电机和电力系统的安全，应充分认识同期操作的重要性。

对同期操作的理想要求是：

（1）合闸瞬间冲击电流和冲击力矩为零。

（2）并列后系统间维持稳定的同步运行。

对同期操作的实际要求是：

（1）并列时，冲击电流和冲击力矩不超过允许值。

（2）并列后，系统间应能迅速拉入同步。

任何电气设备允许通过的冲击电流都有一定的限值，冲击电流超过限值将有可能导致电气设备的损坏。两个单独运行的电力系统并列瞬间（待并发电机在并列前，从广义上来讲也是一个容量相对较小的电力系统），都会产生一定的冲击电流ich，冲击电流与合闸瞬间断路器两侧的电压相量差成正比，而与两个并列运行系统间的等效阻抗成反比。在实际进行同期并列操作的过程中，并列运行系统间的等效阻抗已经确定，因此只要合闸瞬间断路器两侧对应相的电压相量差小于一定值，合闸瞬间的冲击电流就不会超过允许值。并列后，并列运行的系统能否尽快地进入同步运行状态，取决于两个并列运行系统的相序和频率差。相序不一致的系统永远不能进入同步运行，决不允许并列。相序一致的两个系统并列后，能否进入同步运行以及进入同步运行状态的快慢决定于系统间的频率差，只要频率差满足一定的要求，就能顺利地进入同步运行状态。因此，只要合闸瞬间断路器两侧对应相的电压相量大小、相序、相位、频率全部相同，就能达到同期操作的理想要求。

一、同期并列的方式

同期（也称为同步）并列的方式有两种，即准同期方式和自同期方式。

（一）准同期并列

1.准同期方式

准同期方式是将待并发电机在投入系统前通过调速器调节原动机转速，使发电机转速接近同期转速，经过励磁调整装置调节发电机励磁电流，使发电机端电压接近系统电压，在频差及压差满足给定条件时，选择在零相角差到来前的适当时刻向断路器发出合闸脉冲，在相角差为零时完成并列操作。

准同期并列的特点是并列时间较长，还可能由于操作人员失误，发生误操作，造成非同期并列。但是由于并列时冲击电流较小，不会引起系统电压降低，从而获得广泛应用。准同步并列不仅适用于发电机并入系统，而且也适用于两个系统之间的并列，所以一般火力发电厂和变电站都采用准同步并列。

2.准同期并列的原理

发电机并列主电路示意图如图8-1（a）所示。G1为待并发电机，当同期点断路器QF1合闸使发电机G1并网后，如果断路器QF2跳闸，QF2两侧为不同系统的电源，也必须按照准同期条件合闸。图8-1（b）为待并发电机电压与系统电压波形图；图8-1（c）为滑差电压波形图。

图8-1　发电机并列示意图

（a）主电路；（b）uS、uG波形；（c）滑差电压ud波形

图8-1中运行的各台发电机都处于同步并联运行状态，此时系统任一母线电压均为

式中　USm——系统电压幅值；

ωS——系统角频率；

φS0——系统电压初相角；

φS——系统电压t时刻的相角。

在并列前，同步点（断路器QF1）一侧为运行系统电压uS，另一侧为待并发电机（或待并系统）电压uG，即

式中　UGm——待并发电机电压幅值；

ωG——待并发电机电压角频率；

φG0——待并发电机电压初相角；

φG——待并发电机电压t时刻的相角。(www.xing528.com)

式（8-1）和式（8-2）反映了运行系统和待并发电机电压的幅值、角频率和相角这三个重要参数的关系，这三个重要参数通常被称为电压的状态量。在进行并列操作前，同步点断路器两侧电压的状态量往往不相等。

系统电压与发电机电压瞬时值之差为滑差电压瞬时值，用ud表示。设USm=UGm=Um初相角均为零，即φS0=φG0=0°，ωd=ωS-ωG，则有

也可用几何方法以uS瞬时值减uG的瞬时值得到ud的波形，如图8-1（c）所示。滑差电压ud是一个角速度为（ωS+ωG）/2、幅值为按正弦变化的电压。滑差电压幅值的变化规律为

由于在并网之前系统频率与待并发电机频率不相等，uS与uG之间的相角差δ=ωdt随时间t而变化。δ以0～2π为周期而变化，ud的幅值也由小到大随之变化。当δ=0时，ud=0；当δ=π时，滑差电压达最大值udm=2Um。δ从0～2π的时间，即相邻滑差电压幅值为零点之间的时间，即为滑差电压ud的周期Td。

滑差电压幅值的零点，表示uG与uS之间相角差为零，Td的长短又反映两电压频差的大小，所以准同期可利用滑差电压包络线波形变化来实现准同期合闸。手动准同期和自动准同期的目的均为检查发电机电压与系统电压之间的电压差、频率差以及电压相角差，当电压差和频率差满足要求时，以提前时间tfw发出合闸命令，使并列断路器主触头在电压相角差为零的瞬间合闸，实现发电机平稳并入系统。

断路器的合闸机构，从接受合闸命令到断路器主触头闭合之间要经一定时间，此时间约为0.5～0.8s，所以必须以提前时间tfw发出合闸命令。

如前所述，同步发电机按照准同期法并网，必须同时满足准同期四项条件。其中，待并发电机的电压相序和电压数值比较容易满足要求；而频率绝对相等（fS=fG）是不可能的。因为发电机的转子是由动力机械（如汽轮机）带动的，在并网之前，它的转速不可能稳定保持额定转速，而总是有微小的反复变动，机端电压的频率也就不可能长时间保持与系统频率相等。正是由于电压频率的微小变动，两侧电压相位随之变化，才产生同期点[图8-1（c）中0和2π点]，才能实现在四项同期条件同时满足时刻断路器主触头接通，使发电机平稳并网。从图8-1不难看出，正是由于待并发电机转速与运行系统有一个小的差值，才能给同期并列创造条件。

如果待并发电机转速长时间保持恒定，使同期点两侧电压的频率保持绝对相等，Δf=fG-fS=0或Δω=ωG-ωS=2πfG=2πfS=0，如果uG与uS之间的相位角差δ相对静止且不在同期点上，δ=φG-φS=（ωGt+φG0）-（ωSt+φS0），此时不允许准同期并列。

3.准同期并列条件

（1）并列理想条件。

1）待并发电机与运行系统之间相序相同。

2）待并发电机与运行系统之间电压差Δum=0或Δu=0。

3）待并发电机与运行系统之间频率差Δf=0或ω=0。

4）待并发电机与运行系统之间相角差δ=0。

在上述四个条件同时满足的情况下进行并列合闸时，冲击电流等于零，发电机能迅速被拉入同步，对系统无任何冲击。但是，上述四个条件很难同时满足。工程中也没有这样苛求的必要，只要能满足同步并列的基本要求就可以了。

（2）准同期并列实际条件。

1）待并发电机与运行系统之间相序相同。

2）待并发电机与运行系统之间电压差Δu≤±10％UN。

3）待并发电机与运行系统之间频率差Δf=±（0.05～0.25）Hz。

4）待并发电机与运行系统之间并列合闸瞬间相角差δ≤δen，即（δ≤10°）。

准同期并列方式按自动化程度的不同可分为自动准同期、半自动准同期和手动准同期。所谓自动准同期是指在并列操作中，每一项操作（包括调节电压、频率以及在适当的时刻进行同期合闸）都是由自动装置完成（如ZZQ-5自动装置）；半自动准同期是指在并列操作中，有任意一项操作是由人工完成（如ZZQ-3自动装置，其中调压部分的工作是由人工来完成）。所谓手动准同期是指在并列操作过程中，每一项操作都由人工手动完成。由于人的经验和操作中的不确定因素决定，手动准同步并列存在很大的缺点，故DL5000—1994《火力发电厂设计技术规程》和NDGJ8—1989《火力发电厂、变电所二次接线设计技术规程》中规定发电厂和变电所应装设自动准同步装置，对手动同步装置不强求一定要装设，但目前，由于中小型电厂运行仍习惯采用手动准同步方式，同时过去一些自动准同步装置由于质量较差、调整复杂及使用不便，故有较多的运行单位设一套手动准同步装置作为一个备用的操作手段（包括调节电压、频率以及找同期合闸）。

（二）自同期并列

自同期方式是指待并发电机在并列前未加励磁，调节发电机的转速，当待并发电机的转速接近系统转速时，将发电机出口断路器合闸，然后再合上发电机的灭磁开关给发电机加上励磁。在电磁力矩的作用下发电机被系统拖入同步运行。发电机采用自同期方式并网时，由于发电机没有加上励磁，电压为零，待并断路器两侧的电压相量差恒等于系统的电压相量（不可调节），因此，并列瞬间的冲击电流无法通过操作来进行调节。自同期是否满足同期条件，并不能通过操作来达到，因此，发电机能否进行自同期并列，必须通过计算分析来校核。

自同期并列的特点是并列过程迅速、操作简单、减少了误操作的可能性；易于实现操作过程自动化。但是，并列时冲击电流较大，会引起电力系统电压暂时降低。因此，有关规程规定：对于单机容量在100MW以下的汽轮发电机，当最大冲击电流周期分量I不超过额定电流的0.74/x″d倍时（x″d为待并发电机纵轴次暂态电抗），才允许采用自同期并列。对于各种容量的水轮发电机和同步调相机，可采用自同期并列。

对两个系统之间的并列则不能采用自同期并列。

自同期方式按自动化程度的不同，理论上也可分为自动自同期和手动自同期，但实际工程中只使用自动自同期。