CN107612038B - 一种发电机自动并网系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种发电机自动并网系统，其发电机通过第一电阻或第一电容与第一整形模块连接，电网通过第二电阻或第二电容与第二整形模块连接，第一整形模块与第一微分模块连接，第二整形模块与第二微分模块连接，第一微分模块和第二微分模块分别与第一相位同步检测电路连接，第一相位同步检测电路与第一电子开关连接，用于当第一相位同步检测电路输出同步信号时，控制第一电子开关闭合；发电机通过合闸继电器与电网连接，第一电子开关与合闸继电器连接。本发明解决了永磁发电机并网时频差大的安全性问题，由于电源及信号采用阻容连接，不用变压耦合，故降低了制作成本，缩小了体积。

Description

一种发电机自动并网系统

技术领域

本发明涉及发电机组技术领域，尤其涉及一种发电机自动并网系统。

背景技术

发电机组之间并联运行，可以提高发动机组容量，适应更多负荷运行；发电机与电网并网，要求发电机的相序、电压、频率、相位与电网的相同。一般情况下，相序是在接线时理相好的，一般同步装置不考虑。在并机时小型发电机组电压差允许在±15％以内，合闸时相位差一般要求20°以内，最大不大于30°由于装置继电器动作时间加上主开关动作时间约为0.1S～0.3S，所以要求合闸频差在0.2～0.5Hz以内。对于一般小型内燃发电机组，普通发电机空满载频率差为5％也就是空载频率比满载高2.5Hz。对于永磁发电机组用调频控制电压满载频率为50Hz+4％空载频率为50Hz-4％，一般空载比满载频率低4Hz，用普通方法不可能实现安全自动合闸。

申请号为：201410581423.7的中国专利，公开了一种柴油发电机组控制系统自动并网装置，包括：采集单元、信号转换单元、数字信号处理单元、驱动单元、人机界面单元、合闸控制单元。该自动并网装置将原柴油发电机组控制系统的DSP芯片作为自动并网装置的DSP芯片，在原有柴油发电机组控制系统基础上开发了自动并网装置，节省了DSP芯片，在实现安全可靠的自动并网操作的同时，大大降低了成本。但该方案还存在以下不足，发电机组并网时，发电机组与电网频差较大，不能保证发电机和电网合闸时相位差在允许范围内，若直接并网，易产生较大冲击电流，影响发电机组安全。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：本发明提供一种并网时合闸时间短的发电机自动并网系统，并降低了制作成本，缩小体积。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种发电机自动并网系统，包括发电机、电网、第一整形电路、第二整形电路、第一微分电路、第二微分电路、第一相位同步检测电路和为系统供电的电源，还包括第一电子开关和合闸继电器；

所述发电机通过第一电阻或第一电容与第一整形模块连接，用于将发电机输出电压的第一正弦信号，经过第一电阻或第一电容分压后，发送至第一整形模块转换为第一方波信号；

所述电网通过第二电阻或第二电容与第二整形模块连接，用于将电网输出电压的第二正弦信号，经过第二电阻或第二电容分压后，发送至第二整形模块转换为第二方波信号；

所述第一整形模块与第一微分模块连接，用于将第一方波信号经由第一微分模块产生第一突变信号；所述第一突变信号的脉宽不大于预设第一角度；

所述第二整形模块与第二微分模块连接，用于将第二方波信号经由第二微分模块产生第二突变信号；所述第二突变信号的脉宽不大于预设第二角度，所述第二角度小于第一角度；

所述第一微分模块和第二微分模块分别与第一相位同步检测电路连接，所述第一相位同步检测电路与第一电子开关连接，用于当第一相位同步检测电路输出同步信号时，控制第一电子开关闭合；

所述发电机通过合闸继电器与电网连接，所述第一电子开关与合闸继电器连接。

本发明的有益效果：

由于永磁发电机并网前处于空载状态，频率较低，电网的频率高于发电机的频率，故空载发电机的周期大于电网的周期，通过微分电路后的第一突变信号的脉宽较大，但不大于预设第一角度，第二突变信号的脉宽相对较小，同时不大于第二角度，且当第一电子开关闭合时，快速使合闸继电器的触点闭合，使发电机并网时合闸时间短，能够保证发电机并网时，发电机与电网的相位差较小，使发电机并网时产生的冲击电流在允许的范围内，保证了发电机并网的安全性，由于电源及信号采用阻容连接，不用变压耦合，故降低了制作成本，缩小了体积。

附图说明

图1为根据本发明实施例的一种发电机自动并网系统的结构示意图；

图2为根据本发明实施例的一种发电机自动并网系统的电路连接图；

图3为根据本发明实施例的不采用共用N线的输入信号图；

图4为根据本发明实施例的一种发电机自动并网系统的主控制图；

标号说明：

1、电源；2、第一整形电路；3、第二整形电路；4、第一微分电路；5、第二微分电路；6、第三微分电路；7、第一相位同步检测电路；8、第二相位同步检测电路；9、第一单稳态触发器；10、第二单稳态触发器；11、第一隔离电路；12、第二隔离电路；13、第一电子开关；14、第二电子开关；15、电网电压检测电路。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

本发明所提及的正弦信号、方波信号和突变信号均以角度为横坐标，电压为纵坐标，故脉冲宽度采用的单位为角度。

请参照图1至图4，本发明提供了一种发电机自动并网系统，包括发电机、电网、第一整形电路、第二整形电路、第一微分电路、第二微分电路、第一相位同步检测电路和为系统供电的电源，还包括第一电子开关和合闸继电器；

所述发电机通过第一电阻或第一电容与第一整形模块连接，用于将发电机输出电压的第一正弦信号，经过第一电阻或第一电容分压后，发送至第一整形模块转换为第一方波信号；

所述电网通过第二电阻或第二电容与第二整形模块连接，用于将电网输出电压的第二正弦信号，经过第二电阻或第二电容分压后，发送至第二整形模块转换为第二方波信号；

所述第一整形模块与第一微分模块连接，用于将第一方波信号经由第一微分模块产生第一突变信号；所述第一突变信号的脉宽不大于预设第一角度；

所述第二整形模块与第二微分模块连接，用于将第二方波信号经由第二微分模块产生第二突变信号；所述第二突变信号的脉宽不大于预设第二角度，所述第二角度小于第一角度；

所述第一微分模块和第二微分模块分别与第一相位同步检测电路连接，所述第一相位同步检测电路与第一电子开关连接，用于当第一相位同步检测电路输出同步信号时，控制第一电子开关闭合；

所述发电机通过合闸继电器与电网连接，所述第一电子开关与合闸继电器连接。

所述合闸继电器包括第一触点、第二触点和线圈；所述发电机与第一触点连接；所述电网与所述第二触点连接，所述第一电子开关与合闸继电器的线圈连接；当第一电子开关闭合后，与第一电子开关闭合的合闸继电器的线圈连接，从而使第一触点和第二触点吸合，合闸继电器的触点接通，从而使发电机并网。

从上述描述可知，由于永磁发电机并网前处于空载状态，频率较低，电网的频率高于发电机的频率，故空载发电机的周期大于电网的周期，通过微分电路后的第一突变信号的脉宽较大，但不大于预设第一角度，第二突变信号的脉宽相对较小，同时不大于第二角度，且当第一电子开关闭合时，快速使合闸继电器的触点闭合，使发电机并网时合闸时间短，能够保证发电机并网时，发电机与电网的相位差较小，使发电机并网时产生的冲击电流在允许的范围内，保证了发电机并网的安全性，由于电源及信号采用阻容连接，不用变压耦合，故降低了制作成本，缩小了体积。

上述的第一突变信号的脉宽不大于50度，优选的所述第一突变信号的脉宽为30度；所述第二突变信号的脉宽相对较小，同时不大于20度，优选的所述第二突变信号的脉宽为3度，对于频差为0的合闸点在3度至-30度间，此时能保证安全合闸。

进一步的，所述的一种发电机自动并网系统，所述发电机通过合闸继电器与电网连接；所述合闸继电器为快速继电器或电子式的固态继电器，所述快速继电器或电子式的固态继电器的合闸时间小于25ms。

从上述描述可知，通过上述结构，使发电机并网时合闸时间较短。

当发电机与电网的频差为4Hz时25ms时间相位角度变化为36度，则合闸点为频差为0的相位整体加36度，故整体合闸点在39度至-30度之间，合闸点在39度时偏大；

进一步的，通过改变第一电阻或第一电容的阻抗值，使得第一突变信号的对应的第一波形右移预设第三角度(即使第一突变信号相对于第二突变信号滞后第三角度)；或：

通过改变第二电阻或第二电容的阻抗值，使得第二突变信号的对应的第二波形左移预设第四角度(即使第二突变信号相对于第一突变信号超前第四角度)。

优选的，所述第三角度为10度，所述第四角度为10度。

故为了进一步减少合闸时发电机与电网的相位差，通过改变第一电阻)或第一电容的阻抗值)，或者第二电阻(或第二电容)的阻抗值，使得第二波形相对于第一波形超前约10度，同时，优选的第一突变信号脉宽从30度减小为20度，针对发电机与电网频差为0的合闸相位差为-7度至30度之间，当发电机与电网频差为4Hz时，整合合闸点在29度至-30度之间，均小于30度，保证了发电机并网合闸的安全性。

进一步的，所述的一种发电机自动并网系统，还包括第三微分电路、第二相位同步检测电路、第一单稳态触发器9、第二单稳态触发器10、第一隔离电路、第二隔离电路、第二电子开关和合闸电源；

所述第一相位同步检测电路的输出端通过第一单稳态触发器与第一隔离电路连接，所述第一隔离电路与所述第一电子开关连接；

所述第二整形电路与所述第三微分电路连接，所述第一微分模块和第三微分模块分别与第二相位同步检测电路连接，所述第二相位同步检测电路的输出端通过第二单稳态触发器与第二隔离电路连接，所述第二隔离电路与所述第二电子开关连接；

所述合闸电源的一电极通过合闸继电器与第一电子开关连接，所述第一电子开关与第二电子开关连接，所述第二电子开关与合闸电源的另一电极连接。

进一步的，所述的一种发电机自动并网系统，还包括电网电压检测模块；

所述电网通过电网电压检测模块分别与第一隔离电路和第二隔离电路连接；所述电网电压检测模块，用于检测电网的电压，当检测到电网的电压为零时，发送驱动信号经由第一隔离电路和第二隔离电路至第一电子开关和第二电子开关，使第一电子开关和第二电子开关闭合。

从上述描述可知，当电网的电压为零时，通过上述结构使得第一电子开关和第二电子开关闭合，发电机可自动合闸输出。

进一步的，所述的一种发电机自动并网系统，还包括合闸按钮；

所述第一隔离电路通过合闸按钮与电子开关连接。

从上述描述可知，为了防止误动，只有确认发电机正常运行后，工作人员按下合闸按钮，发电机才能并网，通过上述结构及连接关系保证了发电机并网的安全性。

进一步的，所述的一种发电机自动并网装置，还包括具有过载保护功能的主开关；

所述发电机依次通过主开关、合闸继电器与电网连接。

从上述描述可知，当电流过大时，主开关自动断开，保证了发电机和电网的安全性。

请参照图1至图4，本发明的实施例如下：

由C1、C2、C3、D1、D2、Z2、R6组成电源1供给装置内部电源，这里由发电机侧供电，当然也可由电网侧供电。这里电源由电容器降压，当然也可以用电阻降压获取。

由R1、R4、R5、Z1及与非门U1A组成第一整形电路2，输入为发电机侧。将正弦波整形为方波。当然也可以采用电容耦合降压来实现。

由R11、R14、R15、Z3及U1D组成第二整形电路3输入为电网侧。将正弦波整形为方波。当然也可以采用电容耦合降压来实现。

由C4、R7组成第一微分电路4输入发电机侧整形后的方波，在方波上升沿起点，输出高电平脉冲，脉冲起点为相位准点，脉宽度为后级检测电路动作的宽度。

由C5、R16组成第二微分电路5输入电网侧整形后的方波，同样在方波上升沿起点作为相位准点输出高电平脉冲。

由C10、R19、组成第三微分电路6输入电网侧整形后的方波。

由与非门U1B组成第一同步检测电路7在两个输入脉宽度重合时，输出同步信号。

由与非门U1C组成第二同步检测电路8。

由1/2单稳态电路U2Ⅱ及R21、C8组成第一单稳触发器9一般输出脉冲小于一个周期。

由1/2单稳态电路U2Ⅰ及R31、C7组成可再触发的第二单稳触发器10要求输出脉冲大于一个周期。

由R22、R23、R24、R25、Q4光稳U4组成第一隔离电路11。

由R32、R33、R34、R35、Q3光稳U3组成第二隔离电路12。

由R36、R37、C9、Q5组成第一电子开关13这里Q5为晶闸管，当然也可用其他开关元器件，外接合闸按钮按接通后U4输出Q5导通，导通后不需触发信号一直导通，只有小于Q5的维持电流时才会断开。

由Q6组成第二开关电路14在同步时，第二单稳电路输出使U3有光导通，Q6导通，Q6这里为三极管，当然也可用其他电子开关元件。

由R17、R18、C6、Z4、D5、D6、Q7组成电网电压检测电路15当电网无电压时，U1D输出高电平，经延时后Z4击穿，Q7导通输出0电平，经D5、D6使Q4、Q3断开U4、U3有光Q5允许合闸Q6导通。

合闸继电器动作时间应小于25ms，合闸电源由外部提供。合闸主回路继电器触点应与发电机过载保护开关(即主开关)K串联，在短路过载时能保护发电机。

在电网电压经R11、R14分压U1D整流后经C5、R16微分产生相位准点及脉宽。发电机电压经R1、R4分压U1A整形后经C4、R7微分后产生相位准点及脉宽。由于永磁机组并网时电网频率一般高于发电机频率(普通发电机正好相反)，为保证合闸时相位差在允许范围内，允许较大角度提前发合闸信号，尽可能小的角度滞后发合闸信号，所以频率低的第一突变信号的脉宽在30°左右，频率高的第二突变信号的脉宽不能大于频率低的脉宽，在3°左右。当发电机与电网相位在以上角度时，两个微分脉冲重合。

U1B输出同步脉冲，为可靠触发Q5该脉冲触发第一单稳触发器产生较宽的(一般数毫秒小于一个周期)脉冲信号，经第一隔离电路产生合闸信号，该信号在合闸按钮接通时触发Q5使Q5导通，当然同步脉冲也可直接经第一隔离电路触发Q5。

为了使合闸时相位差更小，改变整形电路分压比使频率高的一侧(永磁机组为电网侧)分压后的电压低，电网的相位准点超前于发电机相位准点如本列约10°左右，也就是超前约10°发同步信号，同时频率低的一侧同步脉宽度也相应减少如本列约10°左右。频差大合闸时合闸点比未超前电路减少相位差如本列10°左右。

在机组并联运行中，如果发电机过载保护开关(即主开关)K断开，发电机与电网失去同步，这时应将合闸主回路的合闸继电器J断开，在这里增加第三微分电路6第二单稳触发器10第二隔离电路12和第二电子开关14来实现。对于采用相位准点超前的电路，由于第二微分电路5脉宽小于提前角度，在机组并联后，相位完全同步时U1B输入两个脉冲不重合而不发同步信号，而第三微分电路6脉宽度大于提前角度，在U1B发同步信号到并联后相位完全同步间，U1C均发出同步信号，触发第二单稳触发器10，第二单稳触发器10采用再触发结构，脉冲宽度大于一个周期，这样在同步后不间断输出，经第二隔离电路12后Q6连续导通。在Q6，Q5均导通时合闸主继电器J吸合，发电机组并入电网。当主机与电网失去同步时，U1C无同步信号，第二单稳触发器10无信号输出，因而Q6断开，J断开。在J断开同时Q5因电流小于维持电流而阻断断开。当然，如果没有采用相位超前电路或提前角度小于第二微分电路脉宽，在完全同步时U1B能输出同步信号则可取消第三微分电路6和第二相位同步电路8由U1B直接触发第二单稳触发器10。

在发电机组单机运行或并网时第一台机组送电时为保持操作一致性便于操作，装置应允许合闸，在这里增设了电网电压检测电路15在电网无电压时U1D输出高电平经R17，C6延时后，电压较高Z4击穿，Q7导通输出0电平，经D5，D6，使Q4，Q3不导通，U4，U3有光，Q5允许合闸，Q6导通。

当然U1B输出的同步脉冲或经第一单稳触发器输出的同步脉冲可不经隔离，电路直接接触发第一电子开关，第二单稳触发器输出的合闸信号也可以不经隔离电路直接控制第二电子开关。电网电压检测电路15的控制信号直接控制第一、第二电子开关。

以上电路是针对发电机与电网共用N线即公用电位线。

如果机组与电网不共用N线在不取电源侧(在这里电网侧)，R11、R14和Z3不装，通过R51，R52，U5隔离取信号，发电机侧N线作为共用电位线(如图3所示)。

在图中R7，D3在相位差时亮，同相位时灭作为同步脉振指示灯。R41，D4在同步时亮可作为合闸指示灯。

上述装置用于单相发电机组并列控制，也可用于三相发电机组并列控制，三相发电机组和电网也可取两相电压作为输入信号，只不过应采用发电机与电网不共用N线的电路。

综上所述，由于永磁发电机并网前处于空载状态，频率较低，电网的频率高于发电机的频率，故空载发电机的周期大于电网的周期，通过微分电路后的第一突变信号的脉宽较大，但不大于预设第一角度，第二突变信号的脉宽相对较小，同时不大于第二角度，且当第一电子开关闭合时，快速使合闸继电器的触点闭合，使发电机并网时合闸时间短，能够保证发电机并网时，发电机与电网的相位差较小，使发电机并网时产生的冲击电流在允许的范围内，保证了发电机并网的安全性，由于电源及信号采用阻容连接，不用变压耦合，故降低了制作成本，缩小了体积。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种发电机自动并网系统，包括发电机、电网、第一整形电路、第二整形电路、第一微分电路、第二微分电路和第一相位同步检测电路，其特征在于，还包括第一电子开关和合闸继电器；

所述发电机通过第一电阻或第一电容与第一整形模块连接，用于将发电机输出电压的第一正弦信号，经过第一电阻或第一电容分压后，发送至第一整形模块转换为第一方波信号；

所述电网通过第二电阻或第二电容与第二整形模块连接，用于将电网输出电压的第二正弦信号，经过第二电阻或第二电容分压后，发送至第二整形模块转换为第二方波信号；

所述第一整形模块与第一微分模块连接，用于将第一方波信号经由第一微分模块产生第一突变信号；所述第一突变信号的脉宽不大于预设第一角度；

所述第二整形模块与第二微分模块连接，用于将第二方波信号经由第二微分模块产生第二突变信号；所述第二突变信号的脉宽不大于预设第二角度，所述第二角度小于第一角度；所述第一突变信号的脉宽大于所述第二突变信号的脉宽；

所述第一微分模块和第二微分模块分别与第一相位同步检测电路连接，所述第一相位同步检测电路与第一电子开关连接，用于当第一相位同步检测电路输出同步信号时，控制第一电子开关闭合；由与非门U1B组成的第一相位同步检测电路在两个输入脉宽度重合时，输出同步信号；

所述发电机通过合闸继电器与电网连接，所述第一电子开关与合闸继电器连接。

2.根据权利要求1所述的一种发电机自动并网系统，其特征在于，还包括合闸继电器；

所述发电机通过合闸继电器与电网连接；所述合闸继电器为快速继电器或电子式的固态继电器，所述快速继电器或电子式的固态继电器的合闸时间小于25ms。

3.根据权利要求1所述的一种发电机自动并网系统，其特征在于，通过改变第一电阻或第一电容的阻抗值，使得第一突变信号的对应的第一波形右移预设第三角度；或：

通过改变第二电阻或第二电容的阻抗值，使得第二突变信号的对应的第二波形左移预设第四角度。

4.根据权利要求3所述的一种发电机自动并网系统，其特征在于，还包括第三微分电路、第二相位同步检测电路、第一单稳态触发器、第二单稳态触发器、第一隔离电路、第二隔离电路、第二电子开关和合闸电源；

所述第一相位同步检测电路的输出端通过第一单稳态触发器与第一隔离电路连接，所述第一隔离电路与所述第一电子开关连接；

所述第二整形电路与所述第三微分电路连接，所述第一微分模块和第三微分模块分别与第二相位同步检测电路连接，所述第二相位同步检测电路的输出端通过第二单稳态触发器与第二隔离电路连接，所述第二隔离电路与所述第二电子开关连接；

所述合闸电源的一电极通过合闸继电器与第一电子开关连接，所述第一电子开关与第二电子开关连接，所述第二电子开关与合闸电源的另一电极连接。

5.根据权利要求4所述的一种发电机自动并网系统，其特征在于，还包括电网电压检测模块；

所述电网通过电网电压检测模块分别与第一隔离电路和第二隔离电路连接；所述电网电压检测模块，用于检测电网的电压，当检测到电网的电压为零时，发送驱动信号经由第一隔离电路和第二隔离电路至第一电子开关和第二电子开关，使第一电子开关和第二电子开关闭合。

6.根据权利要求5所述的一种发电机自动并网系统，其特征在于，还包括合闸按钮；

所述第一隔离电路通过合闸按钮与电子开关连接。

7.根据权利要求1所述的一种发电机自动并网系统，其特征在于，还包括具有过载保护功能的主开关；

所述发电机依次通过主开关、合闸继电器与电网连接。

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