发电机并网仿真研究

张欢艳，卓航杰， 梅豪杰

温州大学电气与电子工程学院，浙江 温州 325035

摘要：本文针对发电机并网的条件进行仿真分析，比较了发电机准同期并网与非同期并网的异同，采用变电站综合仿真软件和实物模拟对并网必须满足的条件进行仿真分析，并得出有效结论。

关键词：发电机并网；准同期；系统仿真；实物模拟

1. 概述

发电机组与电网的安全运行在电力系统中是十分重要的，一旦发生电机故障运行，很有可能会造成电机的损坏，更严重的将危及电网运行，甚至使系统瓦解。

发电机并网必须满足3个条件：发电机电压有效值与电网电压有效值相等；发电机的频率与电网的频率相等，且相位相同；发电机的相序与电网的相序一致^[1]。如果电压有效值不同，并网时会产生较大的冲击电流，频率差越大则会导致相位差变化越大。发电机并网时要求准确和快速，可以保障安全和减少并网对发电机引起的冲击，同时减小发电机的空载损耗。要确保这些要求都能满足就应该对发电机并网的过程及各个条件进行有效仿真及分析^[2]。

将发电机并入电网一般采用准同期并列方式。本研究主要针对发电机并网所需条件以及并网过程中各个参数的变化进行仿真分析，研究保证发电机安全并网的各个因素；采用“智能电网动模试验系统”对发电机并网过程进行实物模拟，通过“YZ4000电力故障录波及分析软件”对并网的过程进行分析，与实物操作结果进行比较，并得出有效结论。

2 自动准同期并列模拟

首先启动调速系统，将发电机转速调节至1500（转/分）附近，机端电压约为330V，频率为50Hz，此时依次合并线路中的断路器，调节无穷大系统的电压及频率使其至330V、50Hz附近。将同期装置的运行方式设置为“自动”，启动同期装置。表1所示是自动准同期并列时的电流和电压值。

表 1 自动准同期并列操作时并网瞬间的电流与电压值

序号	通道名称	幅值(A)	相位(°)	通道名称	幅值(V)	相位(°)
1	I1	0	0	U1	332.4	0
2	I2	0	0	U2	336.3	239.9
3	I3	0.15	50	U3	336.3	119.9
4	I4	0	0	U4	333.0	0.1
5	I5	0	0	U5	336.9	239.9
6	I6	0.15	42.4	U6	331.1	119.9

表中U₁/U₂/U₃，I₁/I₂/I₃为发电机侧电压电流，U₄/U₅/U₆，I₄/I₅/I₆为无穷大系统侧电压电流。由于没有连接负载，在正常情况下并网后电流几乎接近于0，如上表所示。并网瞬间，系统侧与电机侧电压即统一，最大电压损耗为：

（2-1）

由于正常情况下的冲击电流很小难以录波，故在电脑端对并网时的电流进行实时波形监测并记录，

监测波形如图1所示。

图 1 自动准同期并列时的电流波形

3 手动非同期并列模拟

1. 1. 存在压差时的非同期并列

（1）仿真屏端的并网操作

将机端电压调至310V，频率为50Hz，此时依次合并线路中的断路器，调节无穷大系统的电压及频率至300V、50Hz附近。将同期装置的运行方式设置为“手动”。当同期装置主界面的表盘指针转向0°时，即几乎无相位差之时，按下同期开关进行并网。

（2）软件平台的波形监测操作

首先，将录波的频率设为“10kHz”档，录波的时间为50*100ms。然后取消对电流上限的屏蔽，并对电流上限取值为0.5A，即并网过程中如若产生超越0.5A的电流则对其100ms以内的时间段进行录波。由于本实验过程发电机并网时并未连接负载，所以模拟系统线路电流正常情况下应小于0.5。在该设置均完成的条件下对发电机存在10V压差的时候进行波形监测，如图2所示：

图 2 压差10V时的电流波形

由上图可见，并网瞬间存在较大的冲击电流，且此冲击电流存在时长约为：

（3-1）

其中，t为冲击电流时长，T为采样间隔时长，f为采样频率。

根据实时监测数据系统的监测记录，此时的两侧冲击电流大小和电压值如表3所示。

表 3 压差为10V时并网瞬间的电流与电压值

序号	通道名称	幅值(A)	相位(°)	通道名称	幅值(V)	相位(°)
1	I1	0.73	240.2	U1	293.5	0
2	I2	0.89	120.8	U2	296.8	239.9
3	I3	0.92	357.7	U3	297.5	120
4	I4	0.93	236.2	U4	294.2	359.9
5	I5	0.9	121.8	U5	296.8	239.9
6	I6	1.02	359.4	U6	292.9	120

可见，机端电压大小随着并入无穷大系统而与其电压趋向一致。

1. 2. 存在相位差时的非同期并列

（1）仿真屏端的并网操作

将机端电压调整至320V、50Hz附近，无穷大系统的电压及频率亦调整至320V、50Hz附近。观察同期装置主界面的表盘指针转动方向，当指针转向180°时，按下同期开关进行并网。

（2）软件平台的波形监测操作

此软件平台操作同存在压差时的波形监测操作，监测结果如图3所示。

图 3 相位差为180°时的电流波形

由于此冲击电流存在时长较短，此处对波形进行放大以便观察。由图可知，冲击电流存在时长约为：

（3-2）

其中，t为冲击电流时长，T为采样间隔时长，f为采样频率。

根据实时监测数据系统的监测记录，此时的两侧冲击电流大小和电压值如表34所示。

表 4 相位差为180°时并网瞬间的电流和电压值

序号	通道名称	幅值(A)	相位(°)	通道名称	幅值(V)	相位(°)
1	I1	0.97	68.2	U1	124.4	0
2	I2	1.48	297.9	U2	125.1	237.9
3	I3	1.4	177.6	U3	125.1	118.1
4	I4	1.51	56.5	U4	237.6	75.2
5	I5	1.57	296.4	U5	240.2	314.5
6	I6	1.75	176.6	U6	233.7	195.1

可见，发电机并网的瞬间两侧电压并没有马上同步，无穷大系统侧的电压受发电机影响有所降低，发电机并网的迅速性没有得到实现。

3.3非同期并网引起系统振荡

电力系统正常运行时，各发电机同步匀速旋转，此时并列运行的发电机之间不存在相位差^[3]。电势差是一个恒定的值，并且每个电路中的电压和电流不改变。当电力系统受到某些干扰时，如：投入或切除电源、故障切除或短路时，并列运行的各同步发电机间电势差、相角差以及系统中各点电压和各回路电流将随时间变化，这种现象称为振荡。电力系统振荡反应了电力系统某种意义上的不稳定^[4]。低电压等级的发电机非同期并网也许会造成主干网架的大面积振荡，此类振荡具有一定的隐蔽性，因此更需要且更值得我们研究^[5]。

在此作者将设置2.3Hz的频率差，对发电机并网过程中由于非同期并网而引起的系统振荡进行观测与研究。

若发电机的机端电压与无穷大系统侧的电压的幅值和相位相同，仅存在频率差异，即Ｕ_g＝Ｕ_s＝Ｕ，ψ_g＝ψ_s＝ψ，此时发电机与系统的电压差瞬时值为：

（3-3）

由式3-5可知，一个余弦分量和一个正弦分量调制而成系统侧与发电机侧的电压差的瞬时值^[9]。当发电机投入电网时，电势差相角将随时间而变，与此同时，系统中各点的电压与电流也随之变化，即电力系统发生振荡。在实验过程中可以明显发现，进行自动准同期并列运行操作时，监测波形未见明显振荡，而进行手动非同期并列时波形存在或大或小的振荡。此处以存在频率差时的电流波形为例。

手动并网操作如上，但将系统侧与发电机侧的电压、相位调整至几近一致，设置约2.3Hz的频率差，此时进行并网，所得观测波形如图4所示。

图4 频率差为2.3Hz时的电流电压波形

由图可见，电压和电流都存在不同程度的振荡。振荡时间约为：

（3-4）

所监测的冲击电流数据如下表所示：

表 6 频率差为2.3Hz时并网瞬间的电流和电压值

序号	通道名称	幅值(A)	相位(°)	通道名称	幅值(V)	相位(°)
1	I1	0.82	13.7	U1	188.9	0
2	I2	1.09	243.3	U2	187.6	238.6
3	I3	0.98	126.4	U3	184.9	119.8
4	I4	1.1	1	U4	249.4	357.1
5	I5	1.13	241.7	U5	251.4	236.5
6	I6	1.13	126.5	U6	244.8	116.5

由上表数据分析可知，并网瞬间，无穷大系统侧电压与发电机侧电压并没有马上完全同步，而是经过了系统振荡才逐渐同步的。

4总结

本文对发电机并网的各个条件进行分析，比较了发电机准同期并网与非同期并网的异同，对于非同期并网可能造成的结果进行了研究，所得的相关结论如下：

1. 发电机准同期并列的条件为：压差、频率差、相位差在一定范围内，相序一致；

2. 发电机非同期并列会导致较大的冲击电流且容易引起系统振荡；

3. 发电机非同期并列时，系统侧与电机侧电压无法瞬时达到一致，存在时间延迟，在实际运用中此时间延迟可能会导致器件损害，存在输电安全隐患。

对于发电机并网的条件满足在发电机并网的领域已趋于成熟，但是如何更有效地保证发电机并网的安全性以及有效性仍然是一个重要话题。由于发电机并网的电压相对较高，非同期并网造成的损害较大，难以在现实电网中进行试验，因此发电机并网的现实实验并不多见。本次研究采用的智能电网动模试验系统等比例缩小了实际电力系统各组成元件，具有一定的实用意义。

参考文献：

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[4] 曾翔君,刘国伟,申忠如,霍大渭.发电机并网的仿真研究[J].西北电力技术，2001(06):13-15.

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[6] 王文辉. 双馈异步发电机并网电力系统暂态稳定分析[D].南京理工大学，2019.

[7] 李建林.风电场并网运行安全管理策略分析[J].科技创新与应用，2021(08):191-193.

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[9] 童旭松等.大型汽轮发电机并网运行机端突然短路的仿真分析[J].黑龙江电力，2006(02):101-104.

[10] 陈岭等.恒频/恒速异步风力机并网仿真研究[J].计算机与数字工程，2018,46(08):1668-1672.

基金项目：温州大学2021年度校级实验室开放项目“智能变电站仿真系统研究”项目编号：JWSK2021067

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