閆紅軍，鄭 霜，王選凡

（華能瀾滄江水電股份有限公司糯扎渡水電廠，云南 普洱 665005）

水輪發(fā)電機組的同期是將未投入電力系統(tǒng)的發(fā)電機加上勵磁，并調(diào)節(jié)其電壓和頻率，在滿足電壓、頻率、相位在允許范圍之內(nèi)的并列條件時，將發(fā)電機投入電網(wǎng)系統(tǒng)。同期失敗或者同期并網(wǎng)時間長，發(fā)電機不能及時并網(wǎng)發(fā)電，可能造成電力系統(tǒng)出現(xiàn)負荷缺口，影響電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。同期失敗的原因多種多樣，分析同期失敗的原因并不復(fù)雜，主要是要有數(shù)據(jù)支撐，包括電壓、頻率、同期參數(shù)等，才能快速精準定位同期失敗原因，找出解決對策。

1 同期裝置基本原理

1.1 發(fā)電機同期系統(tǒng)定義及作用

同步發(fā)電機投入電力系統(tǒng)參加并列運行的操作稱為并列操作或是同期操作。用于完成并列操作的裝置稱之為同期裝置。為了發(fā)電機自身的安全，同時也是為了對電力系統(tǒng)造成盡可能小的沖擊，發(fā)電機并入系統(tǒng)時必須有同期裝置，否則可能造成很嚴重的事故。

1.1.1 發(fā)電機并入電力系統(tǒng)必須要滿足的條件

相序必須一致；發(fā)電機頻率、電壓與系統(tǒng)頻率、電壓相同或差值在允許的范圍之內(nèi)；發(fā)電機與系統(tǒng)的相角差不為零或差值在允許范圍之內(nèi)[1]。同期條件不滿足的情況下嚴禁并網(wǎng)，否則有可能產(chǎn)生很大的沖擊電流而燒毀發(fā)電機或使電網(wǎng)穩(wěn)定性遭到破壞甚至瓦解。一定要將堅決防止發(fā)電機的非同期并列。

1.1.2 發(fā)電機同期分類

發(fā)電機組的并列方式有2 種：準同期和自同期。準同期是指將還未投入系統(tǒng)的發(fā)電機加上勵磁，并調(diào)節(jié)其電壓和頻率使其滿足同期并網(wǎng)的條件，將發(fā)電機并入系統(tǒng)。自同期是將未勵磁而轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速的發(fā)電機并入系統(tǒng)，并加上勵磁。

1.2 發(fā)電機同期試驗

1.2.1 發(fā)電機同期要求

根據(jù)國家能源局印發(fā)的《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項重點要求（2023 版）》（簡稱《二十五項反措（2023版）》），微機自動準同期裝置應(yīng)安裝獨立的同期檢定閉鎖繼電器，同期閉鎖繼電器應(yīng)同時具備壓差、頻差、角差檢查閉鎖功能。對于新建或改造的同期裝置，宜選擇雙通道相互閉鎖的同期裝置。新投產(chǎn)、大修機組及同期回路（包括交流電壓回路、直流控制回路、整步表、自動準同期裝置及同期把手等）發(fā)生改動或設(shè)備更換的機組，在第一次并網(wǎng)前應(yīng)進行以下工作：對裝置及同期回路進行全面的校核、傳動；利用發(fā)變組帶空載母線升壓試驗，校核同期電壓檢測二次回路的正確性，并對整步表及同期檢定繼電器進行實際校核；進行機組假同期試驗，試驗應(yīng)包括斷路器的手動準同期及自動準同期合閘試驗、同期（繼電器）閉鎖等內(nèi)容。

1.2.2 發(fā)電機同期試驗方法

同期試驗的原理簡單來說就是待并網(wǎng)側(cè)（發(fā)電機）和系統(tǒng)側(cè)（電網(wǎng)）在并網(wǎng)開關(guān)兩側(cè)的電壓、頻率、相角差在允許范圍之內(nèi)時，合上開關(guān)。通過同期試驗可以檢查同期回路接線的正確性，檢驗同期裝置和監(jiān)控、調(diào)速器、勵磁系統(tǒng)之間的調(diào)節(jié)是否正確，防止非同期并列。

同期試驗分為假同期試驗和真同期試驗，假同期試驗是指在隔離刀閘斷開的狀態(tài)下，使用同期裝置進行模擬并網(wǎng)，合上開關(guān)，因為有隔離刀閘作為明顯的斷開點，實際上未并網(wǎng)；真同期試驗就是利用同期裝置真正地讓發(fā)電機并網(wǎng)，也就是開關(guān)在熱備用狀態(tài)，一經(jīng)合閘即可并網(wǎng)。先要做假同期試驗，再做真同期試驗。機組同期裝置可以通過發(fā)電機出口開關(guān)并網(wǎng)，也可以通過主變高壓側(cè)開關(guān)并網(wǎng)，因此這2 個開關(guān)都要做真假同期并網(wǎng)試驗。同期試驗中會用到便攜式錄波儀，作用是記錄電壓、電流波形和開關(guān)狀態(tài)。

試驗接線：①從同期裝置待并側(cè)PT 的取電壓信號連接至錄波儀輸入端U1；②從同期裝置系統(tǒng)側(cè)PT 的取電壓信號連接至錄波儀輸入端U2；③將發(fā)電機出口開關(guān)合閘位置節(jié)點和主變高壓側(cè)開關(guān)合閘位置節(jié)點接入錄波儀。

試驗步驟：①開展主變高壓側(cè)開關(guān)假同期試驗，將主變高壓側(cè)開關(guān)轉(zhuǎn)為冷備用，解除主變高壓側(cè)開關(guān)合閘位置至調(diào)速器的接線，避免發(fā)電機出口合閘后調(diào)速器進入負載態(tài)。在計算機監(jiān)控系統(tǒng)將主變高壓側(cè)隔離刀閘強制為合位，以滿足并網(wǎng)條件。開展發(fā)電機帶主變零起升壓試驗，主變帶額定電壓后，上位機發(fā)出機組以主變高壓側(cè)開關(guān)發(fā)電令，檢查主變高壓側(cè)開關(guān)合閘，分析錄波儀波形圖，檢查合閘瞬間的壓差、頻差、導(dǎo)前時間是否滿足要求。將主變高壓側(cè)開關(guān)轉(zhuǎn)為熱備用，恢復(fù)主變高壓側(cè)開關(guān)合閘位置至調(diào)速器的接線，開展真同期試驗，上位機發(fā)出機組以主變高壓側(cè)開關(guān)發(fā)電令，檢查合閘瞬間的壓差、頻差、導(dǎo)前時間是否滿足要求。②此時主變已帶電，接著開展發(fā)電機出口開關(guān)假同期試驗，斷開發(fā)電機出口隔離刀閘，在計算機監(jiān)控系統(tǒng)上位機將發(fā)電機出口隔離刀閘強制為合位，滿足開機至并網(wǎng)條件，解除發(fā)電機出口合閘位置至調(diào)速器的接線，避免發(fā)電機出口合閘后調(diào)速器進入負載態(tài)。將發(fā)電機以發(fā)電出口開關(guān)并網(wǎng)發(fā)電，檢查發(fā)電機出口開關(guān)合閘，檢查合閘瞬間的壓差、頻差、導(dǎo)前時間是否滿足要求。斷開發(fā)電機出口開關(guān)，合上發(fā)電機出口隔離刀閘，恢復(fù)發(fā)電機出口合閘位置至調(diào)速器的接線，開展發(fā)電機真同期試驗，發(fā)電機出口開關(guān)在熱備用狀態(tài)下同期合上開關(guān)。

2 同期失敗原因分析

2.1 同期并列條件不滿足

發(fā)電機同期并列有3 個條件，如果任意一個條件不滿足則不能并網(wǎng)，否則有可能產(chǎn)生很大的沖擊電流。發(fā)電機同期合閘失敗多數(shù)原因就是并列條件不滿足要求，現(xiàn)用案例進行分析。

2.1.1 案例一

某水電站發(fā)電機組設(shè)置有2 套ABB SYN 5201 型數(shù)字式同期裝置，2 套互為備用。機組開機后，A 套同期裝置啟動后超過120 s 未成功并網(wǎng)，等待180 s 后，啟動B 套同期裝置，超過120 s 未成功并網(wǎng)，造成同期失敗。通過分析待并網(wǎng)側(cè)和系統(tǒng)側(cè)的電壓、頻率曲線，電壓差小于2 V，頻率差小于0.1 Hz，滿足要求。角差的定值為5°，但角差無法直接測得。

機組并網(wǎng)相角差表達式為（2πf1t+Φ1）-（2πf2t+Φ2）→2πt（f1-f2）+（Φ1-Φ2），理論上當(dāng)f1 與f2 相等時，相角差為一個定值，若大于5°，則會導(dǎo)致機組同期并網(wǎng)條件一直不滿足。本次同期失敗的直接原因是角差不滿足[2]，進一步對角差不滿足的原因進行分析，在分析之前，先對ABB 同期裝置的頻率調(diào)節(jié)原理進行簡單說明。

轉(zhuǎn)差率s 的定義

式中：f1 為系統(tǒng)頻率，f2 為待并網(wǎng)側(cè)頻率，fn 為額定頻率。s>0 表明待并網(wǎng)側(cè)頻率比系統(tǒng)頻率低，發(fā)電機處于欠同步狀態(tài)；s<0 表明待并網(wǎng)側(cè)頻率比系統(tǒng)頻率高，發(fā)電機處于過同步狀態(tài)。

當(dāng)角差不滿足要求時，同期裝置頻率匹配器會給調(diào)速器發(fā)增頻或減頻指令，該指令長度與轉(zhuǎn)差率成正比，與頻度調(diào)節(jié)特性df/dt 成反比，頻度調(diào)節(jié)特性值可在同期裝置中進行設(shè)置修改，頻度調(diào)節(jié)特性值越小，說明指令長度越長，調(diào)速器調(diào)節(jié)幅度也就越大。頻率匹配器的任務(wù)是把當(dāng)前轉(zhuǎn)差率調(diào)節(jié)到轉(zhuǎn)差率極限值（上、下極限值中較小的那個極限值）與0 的差值的中間值，調(diào)節(jié)指令的長度tpf可根據(jù)下式計算得到

如圖1 所示，當(dāng)轉(zhuǎn)差率位于轉(zhuǎn)差率極限值smax的1/3到2/3 這個區(qū)間內(nèi)時，不需要對其進行調(diào)節(jié)，在這個區(qū)域內(nèi)發(fā)合閘脈沖時，因為導(dǎo)前時間（從發(fā)出合閘命令到開關(guān)合上的時間）的存在，開關(guān)合閘時，2 個并列之間的相位一致，對系統(tǒng)的沖擊最小。一旦轉(zhuǎn)差率為0，調(diào)節(jié)脈沖就會立即停止。調(diào)節(jié)指令長度不應(yīng)低于一個可設(shè)定的最小值。發(fā)出調(diào)節(jié)指令后，系統(tǒng)會等待一段設(shè)定的脈沖間隔時間tsf，使實際轉(zhuǎn)差率能夠逐漸穩(wěn)定到新的設(shè)定值。

圖1 頻率匹配器調(diào)節(jié)圖

通過分析待并網(wǎng)側(cè)頻率曲線和系統(tǒng)側(cè)頻率曲線，發(fā)現(xiàn)同期裝置向調(diào)速器發(fā)出增頻脈沖指令進行頻率調(diào)節(jié)，此時調(diào)速器在導(dǎo)葉自動增頻調(diào)節(jié)過程中疊加同期調(diào)節(jié)指令，又出現(xiàn)頻率超調(diào)現(xiàn)象，因此在同期裝置每間隔20 s 發(fā)1 次的調(diào)節(jié)過程中，出現(xiàn)頻率周期性的波動，導(dǎo)致頻率不滿足同期合閘條件。說明調(diào)速器自身的調(diào)節(jié)和同期裝置的頻率調(diào)節(jié)配合上出現(xiàn)了問題。

解決措施：一是修改調(diào)速器頻率調(diào)節(jié)步長，減小空載模式下調(diào)速器頻率調(diào)節(jié)步長，水輪機導(dǎo)葉動作開度就會相應(yīng)減小，頻率變化幅度就不會那么大了。二是修改同期裝置頻率匹配器參數(shù)，將頻度調(diào)節(jié)特性df/dt 設(shè)大，就可以縮短同期裝置指令長度，調(diào)速器自然就調(diào)節(jié)少了。三是將原來的20 s 調(diào)節(jié)脈沖時間間隔調(diào)長，就可以等頻率穩(wěn)定了再發(fā)調(diào)節(jié)脈沖，不至于超調(diào)。延長調(diào)節(jié)脈沖間隔時間，建議同步修改同期超時判斷時間，這樣同期裝置就可以多調(diào)節(jié)幾次，提高同期成功率。

2.1.2 案例二

如果測得的頻率不穩(wěn)定，也有可能造成同期條件不滿足。某水電站輸電線路為110 kV，由于近期當(dāng)?shù)匾M了一些冶煉企業(yè)（如電弧爐、電解鋁裝置），導(dǎo)致110 kV系統(tǒng)存在大量非線性負載（主要是晶閘管整流設(shè)備、三相負荷不平衡等引起），引起電網(wǎng)電流畸變，大量高次諧波導(dǎo)致電網(wǎng)諧波“污染”[3]，造成頻率測量不準。

解決措施：一是在測頻回路中加裝諧波濾波器。二是將測頻設(shè)備更換為抗干擾能力強的設(shè)備。

2.1.3 案例三

如果發(fā)電機組有出口開關(guān)，同期的電壓信號從發(fā)電機出口PT 和發(fā)電機出口開關(guān)內(nèi)的PT 取得，相角基本無誤差。如果在主變高壓側(cè)同期，就得取母線PT 和發(fā)電機出口PT 的電壓信號，發(fā)電機出口PT 取得的電壓信號，與實際的同期電壓相差了一個主變壓器的相角。這需要對同期裝置或同期鑒定閉鎖繼電器每個并列點的系統(tǒng)側(cè)電壓單獨設(shè)置轉(zhuǎn)角進行修正。

解決措施：這種問題一般是新投產(chǎn)機組啟動試驗時可能遇到的問題，同期裝置設(shè)置好了后續(xù)啟機就不會有同期失敗的問題了。

這里對ABB 同期裝置的電壓調(diào)節(jié)原理進行簡單說明。如圖2 所示，由同期裝置電壓匹配器發(fā)出調(diào)節(jié)指令（脈沖），該指令長度與當(dāng)前系統(tǒng)側(cè)電壓和待并網(wǎng)側(cè)電壓差成正比，比例因子dU/dt 的大小可根據(jù)電壓調(diào)節(jié)器進行調(diào)整、設(shè)置。電壓匹配器的任務(wù)是把電壓差調(diào)節(jié)到設(shè)定公差帶的中間位置，調(diào)節(jié)指令的長度tpU 可根據(jù)下式計算得到。

圖2 電壓匹配器調(diào)節(jié)原理

一旦電壓差被調(diào)節(jié)到目標值，調(diào)節(jié)脈沖就會停止。調(diào)節(jié)指令長度不應(yīng)低于一個可設(shè)定的最小值。發(fā)出調(diào)節(jié)指令后，系統(tǒng)會等待一段設(shè)定的脈沖間隔時間tsU，脈沖間隔時間1~20 s 可調(diào)，使實際電壓值能夠逐漸穩(wěn)定到新的設(shè)定電壓值。

2.2 同期裝置故障及回路問題

一般大型機組同期裝置為雙套配置，一套同期失敗后可自動切至另外一套，可靠性高。同期裝置回路包含的主要設(shè)備有：同期裝置、同期鑒定閉鎖繼電器、電壓互感器和電纜等，任意一個環(huán)節(jié)出問題都會造成同期失敗。主要包括裝置故障和回路故障，這些故障就不一一陳述了，列舉幾個典型問題進行描述。還有就是與同期有關(guān)的調(diào)速器和勵磁系統(tǒng)，調(diào)速器負責(zé)調(diào)節(jié)頻率，勵磁負責(zé)調(diào)節(jié)電壓，如果這2 個系統(tǒng)出問題了，也會導(dǎo)致同期失敗。

2.2.1 案例一

某水電站機組在同期并網(wǎng)過程中，同期裝置發(fā)出“增速”和“減速”令至調(diào)速器[3-4]，調(diào)節(jié)水輪機導(dǎo)葉開度。在調(diào)速器收到“減速”令時，調(diào)速器將導(dǎo)葉回關(guān)，此時由于主用水輪機導(dǎo)葉位移傳感器滑塊連接螺釘脫落，導(dǎo)葉反饋值未變化，調(diào)速器判斷導(dǎo)葉未回關(guān)，即反饋值未到達給定值，造成導(dǎo)葉繼續(xù)回關(guān)。隨后頻率降低至勵磁系統(tǒng)V/F 限制動作值，勵磁系統(tǒng)報警，頻率繼續(xù)降低至45 Hz 時，勵磁滅磁開關(guān)跳閘。

解決措施：這是由于調(diào)速器故障導(dǎo)致的同期失敗，建議對導(dǎo)葉位移傳感器滑塊進行加固處理。如果有條件，可以安裝3 個導(dǎo)葉位移傳感器，采用“三選二”判斷邏輯。

2.2.2 案例二

某水電站機組同期失敗，通過查詢監(jiān)控曲線，同期裝置開始運行時機組頻率為50.11 Hz，機組進入空載至同期裝置開始運行的90 s 內(nèi)，調(diào)速器未能將機組調(diào)節(jié)至穩(wěn)定狀態(tài)。對機組進行調(diào)速器A、B 套空載擾動試驗[5]，機組A、B 套空載擾動均超調(diào)60%，由擾動開始到調(diào)節(jié)穩(wěn)定為止的調(diào)節(jié)時間（±0.05 Hz 擾動，穩(wěn)定時間為80～90 s）均超過25 s。不滿足頻率最大超調(diào)量不得超過擾動量的35%及由擾動開始到調(diào)節(jié)穩(wěn)定為止的調(diào)節(jié)時間不得超過25 s 的要求。經(jīng)過分析，機組調(diào)速器PID 參數(shù)是在機組投產(chǎn)初期低水頭情況下確定的，在當(dāng)前高水頭運行方式下，機組空載時的超調(diào)量大，調(diào)節(jié)穩(wěn)定時間長。同期失敗的原因歸結(jié)為調(diào)速器PID 參數(shù)不合理。

解決措施：一是在額定水頭時開展調(diào)速器空載擾動試驗，選取的PID 參數(shù)可兼顧低水頭和高水頭的運行工況。二是條件允許，可以設(shè)置多組PID 參數(shù)，以適應(yīng)不同水頭。

2.2.3 案例三

某水電站機組開機過程中報發(fā)電超時，開機流程退出。檢查同期裝置顯示“對象側(cè)頻率過低”。同期失敗的原因是同期裝置報出“對象側(cè)頻率過低”，同期頻差過大，此信號只有在機端頻率低于44 Hz 時報出，而監(jiān)控系統(tǒng)曲線顯示機端頻率在此時間內(nèi)均在50 Hz 左右，故判斷同期裝置PT 回路可能有瞬時干擾或者同期裝置瞬時故障。

解決措施：這種情況屬于偶發(fā)故障，故障原因分析較困難，因此建議檢查回路及PT 回路電纜屏蔽接地情況，對同期裝置進行校驗。

3 結(jié)束語

同期失敗的原因很多，或者是設(shè)備原因，或者是系統(tǒng)原因，要將失敗原因分析清楚，最重要的是數(shù)據(jù)采集和分析，包括采集電壓、頻率、設(shè)備故障和事件記錄等，通過這些數(shù)據(jù)分析才能將同期失敗原因分析清楚。如果在同期失敗分析過程中修改了同期參數(shù)或者動了回路，建議在并網(wǎng)之前，開展同期試驗，避免出現(xiàn)非同期并網(wǎng)，造成嚴重后果。