★ 朱孝文，李學超，邱冠武，楊帆，杜樂（廣東電網有限責任公司廣州供電局 廣東 廣州 510030）

關鍵詞：10kV發電車；自動同步控制；二次并網；遠距離并網；功率平滑切換

應用場景的拓展使發電車不再僅承擔簡單的孤網供電任務，而是頻繁涉及在帶載條件下與電網進行并網、解列及再并網切換 [1]。但是在現有工程實踐中， 10kV發電車要實現二次并網及無擾退出，往往需要在并網點側臨時敷設高壓采樣電纜以獲取同期信號，導致作業組織復雜，在部分站所及線路條件下難以實施。為此，本文圍繞10kV發電車在二次并網及遠距離接入條件下的工程應用需求，研究并提出了一種基于自動同步控制的多場景并網技術路線，通過構建遠端采樣參考與功率平滑切換機制，實現了并網全過程的穩定可控，并通過現場試驗對其工程可行性與實際效果進行了驗證。

1   基于自動化分析的10kV發電車同步控制

1.1   同步控制對象與并網約束條件建模

本文通過自動化控制系統在并網全過程內持續調節機組運行狀態，并分析發電車側電壓幅值、頻率及相角在并網前后是否與目標電網保持嚴格協調，避免在并網及負荷切換過程中產生沖擊電流和功率突變。

設電網側電壓有效值為ug，發電車側輸出電壓有效值為ud；電網頻率為f，發電車輸出頻率為fd；電網電壓相角為，發電車輸出電壓相角為。定義并網瞬間的幅值偏差、頻率偏差及相角偏差分別如式（1）所示：

為了確保并網過程對系統的擾動處于可控范圍內，在合閘前，自動同步控制系統會將上述三項偏差約束在允許范圍內，在并網后繼續通過功率控制環維持穩定運行狀態。工程實踐中也要開展同步控制，控制時并不要求數值完全一致，只需要通過控制器使三項偏差在預設閾值內漸進收斂即可，這樣可以很好地為后續的負荷切換與解列操作創造穩定邊界條件[2]。

自動同步控制的本質是通過轉速通道與勵磁通道的解耦協調調節，使系統狀態沿著滿足并網約束的軌跡演化。據此設定控制結構，將10kV發電車同步控制對象等效為“原動機—同步發電機—并網斷路器—電網”串聯系統，利用原動機轉速決定輸出頻率，引入勵磁系統調節輸出電壓幅值，通過轉速與并網點相位差的積分關系決定相角。

1.2   并網瞬間功率沖擊的控制約束模型

為在控制策略設計階段評估該擾動的可接受性，有必要對并網瞬間的電磁功率交換關系進行定量描述。設并網點等效電抗為，電網側與發電車側電壓有效值分別為U與ud，并網瞬間的電磁功率交換可近似表示為式（2）：

由該式可見，當較小時，功率擾動與相角偏差近似呈線性關系。因此，必須要利用同步控制將并網瞬間的功率階躍限制在機組及系統允許的動態承受能力范圍內。

當并網處于準備階段，控制系統以“頻率與相角收斂”為主目標，原動機調速回路工作于跟蹤模式；勵磁系統以“電壓跟隨”為目標，使發電車端電壓穩定貼合電網幅值變化。當相角偏差、頻率偏差及電壓偏差同時滿足判據窗口要求后，系統發出合閘指令，并在斷路器合閘完成后自動切換控制模式。

在并網完成后的短暫過渡階段，控制目標由“同步跟蹤”切換為“功率穩定接管”，即調速系統由頻率跟蹤轉為有功功率控制，勵磁系統由電壓跟隨轉為無功功率或電壓支撐模式，從而使發電車從“被動同步源”平滑過渡為“受控并網電源”。

2   基于自動同步控制的并網發電技術

2.1   面向多運行狀態的并網與功率接管協同控制機制

10kV發電車參與供電保障應用過程中，需要經歷“孤網帶載運行—并網切換—并網運行—解列—再并網”等多種工況交替出現的復雜過程。因此，本文進行并網控制時設定的設計目標是構建一套覆蓋并網前、并網瞬間及并網后功率接管全過程的統一控制機制。二次并網原理如圖1所示。

圖1 二次并網原理

在控制體系結構上，設定自動同步控制是前置條件，將功率閉環控制設定為并網后的主控制模式，通過狀態機邏輯對兩者無縫切換。并網前階段，控制目標為同步條件構建，即以電網側電壓作為參考，使發電車輸出在電壓幅值、頻率及相角三個維度逐步逼近并網窗口；并網完成后，控制目標立即切換為功率穩定接管，即由“跟隨電網”模式轉變為“受控輸出”模式。

設并網完成后，發電車輸出有功功率為pd，無功功率為Qd，并網點電壓有效值為U，發電車等效同步電勢為E，并網等效電抗為X，則在穩定運行區間內，其功率與相角之間滿足式（3）關系：

式中，為發電車內部電勢與電網電壓之間的功角。該關系表明，在并網運行狀態下，有功功率的調節本質上是對功角的控制結果，而功角的動態變化又直接受原動機調速系統影響[3]。因此，在并網后階段，控制系統需要通過調速器引入功率給定，使發電車在鎖相狀態下建立穩定的功角偏置，從而向電網輸出穩定有功功率。

無功功率與有功功率控制不同，主要由勵磁系統調節，控制目標根據并網點電壓支撐需求或無功功率指令進行閉環調節，使發電車在并網運行期間既不引發無功振蕩，又不會因為過度調節而破壞并網點電壓穩定性。

由“孤網運行”轉到“并網運行”的切換過程中，控制系統采用“同步控制優先、功率控制延遲接管”的策略，即在并網斷路器合閘后的短暫過渡窗口內，仍保持同步控制通道對相角與頻率的約束，待并網沖擊完全衰減后，再逐步引入功率給定，使功角偏置從零附近緩慢遷移至目標值。

“并網運行”后，系統會切換到“解列運行”，這與前面的控制邏輯則相反：系統首先逐步降低并網輸出功率，使功角偏置回歸至零附近，隨后解除與電網的鎖相關系并斷開并網斷路器，最后由調速系統重新接管頻率控制權，使發電車平穩回到獨立供電狀態。通過該過程，確保解列瞬間系統狀態連續，不出現轉速或電壓的突變。

2.2   面向遠距離與復雜接入條件的并網控制

實際應用的10kV發電車往往面臨并網點距離遠、現場缺乏標準化測量接口或無法就地接入母線電壓信號等問題。針對上述約束條件，本文構建了基于遠端電壓信號的等效同步控制機制，突破了物理接入條件對并網作業的限制。

通過數據采集裝置從開關柜帶電顯示接口或架空線路側獲取目標電網的電壓信號，經通信鏈路傳送至發電車并網控制裝置。這個過程的控制系統不需要分析該信號的物理來源，而是將其等效為“虛擬并網母線”，并以此作為同步控制與功率控制的統一參考坐標系。

設采集到的電網參考相角為r (t)，發電車輸出相角為d (t)，則控制系統內部構建的相位偏差量定義為式（4）：

該偏差量同時作為同步控制階段的調節對象以及并網后功率控制階段的隱含狀態量。在同步階段，控制目標是使(t)在合閘前收斂至零附近；在并網運行階段， 系統則允許(t)在受控范圍內偏離零， 以建立穩定的功角輸出[4]。

由于遠距離采樣與通信鏈路會引入時間延遲，因此控制系統在算法層面引入相位預測與補償機制，避免因延遲造成的同步誤判。采用基于相角變化率的線性外推方式，對參考相角進行短時間尺度的預測修正，保證合閘判據在時間軸上的一致性。

在并網完成后，發電車與電網之間的功率交換仍遵循電磁功率平衡規律。設發電車并網后穩態功角為，其小擾動動態過程可近似表示為式（5）：

式中，J為等效轉動慣量， D為阻尼系數， pm為原動機機械輸入功率， pe ()為由電磁關系決定的輸出電功率。該式表明，并網運行的動態穩定性本質上是一個受控二階系統問題，而功率控制器的作用即是通過調節pm 的變化速率與幅值，使系統在擾動后能夠快速、無振蕩地回到新的平衡點。

在遠距離并網場景中，控制系統并不直接干預電磁環節，而是通過對原動機調速系統與勵磁系統的協調控制，間接塑造上述動態過程的阻尼與響應速度特性。通過合理整定功率調節斜率限制、功角變化速率約束及無功調節靈敏度，系統在長距離信號條件下仍可保持良好的動態穩定性[5]。

3   實驗研究

為驗證本文所提出的基于自動同步控制的10kV發電車并網控制技術在二次并網與遠距離接入條件下的實際應用效果，我們在某110kV變電站配套10kV應急電源接入場景中搭建了現場試驗平臺，將其與人工準同期并網法與傳統并網裝置直接采樣同期法進行對比。

3.1   實驗環境與參數配置

實驗系統由1臺額定容量為2000kW的10kV發電車、1套10kV并網開關柜、1回10kV架空線路接入點以及1套遠端數據采集與通信裝置構成。發電車與并網點之間的實際電氣距離約為2.6km，中間不具備可直接接入PT信號的標準計量接口。

實驗系統的主要參數配置如表1所示。

表1 實驗系統主要參數配置表

實驗分別在以下三類工況下進行：

（1）發電車孤網帶載 → 二次并網；

（2）并網運行 → 解列 → 再并網；

（3）長距離通信條件下并網與負荷回切。

每種工況下，三種并網方法均重復試驗不少于10次，以排除偶然因素影響。

3.2   實驗過程與對比結果分析

（1）控制同步性對比分析

控制同步性主要評價合閘瞬間的電壓差、頻率差、相角差及并網沖擊情況。統計三種方法在二次并網工況下的測試結果，整理如表2所示。

表2 不同并網方式同步性能對比統計表

從表2可以看出，人工準同期方式由于依賴人工判斷，同期參數離散性明顯，部分試驗中出現合閘瞬間沖擊電流超過2.5倍額定電流的情況，且在10次試驗中出現2次未滿足同期條件被迫放棄合閘。

傳統并網裝置直接采樣同期法由于測量精度較高，同步性能明顯優于人工方式，但其性能高度依賴臨時PT電纜敷設質量，雖然實驗過程中并沒有出現失敗，但施工準備時間過長，從工程通用性的角度考慮，可操作性較差。與上述兩種方法相比，本文方法在未新增高壓采樣電纜的條件下，仍能夠將平均相角差控制在3°以內、頻差控制在0.05Hz左右，并網沖擊電流進一步降低，在工程上具備足夠的同步控制精度，完全滿足10kV等級并網的安全要求。即使在“解列-再并網”工況下，本文方法的合閘成功率也能達到100%，且未出現因通信延遲導致的誤判或拒動現象，表明該控制策略在多次切換工況下具有良好的穩定性與一致性。

（2）控制效率對比分析

控制效率主要評價從啟動并網控制到完成負荷平穩切換所需的總時間，以及并網后功率調整至目標值的過渡過程平滑程度。并網及功率切換過程曲線對比實驗結果如圖2所示。

實驗統計結果表明，人工準同期并網法從開始調節到完成并網并穩定帶載，平均耗時約6~8分鐘，且功率切換過程中存在明顯的人工調節階躍；傳統并網裝置直接采樣同期法的并網動作本身較快，但由于前期接線準備的限制，總體作業時間仍需20~40分鐘，不適合應急快速切換場景；本文方法在通信鏈路建立后，從啟動同步控制到完成并網并將負荷回切至電網側，全過程穩定控制時間約為90~120秒。

圖2 并網及功率切換過程曲線對比實驗結果

4   結束語

本文圍繞10kV發電車在二次并網及遠距離接入條件下面臨的工程實施困難問題，提出了一種基于自動同步控制的并網技術方案，并構建了覆蓋并網、解列及再并網全過程的控制體系。現場試驗結果表明，該方法在同步精度、切換平穩性及作業效率等方面均優于傳統人工準同期方式，并在工程適用性上明顯優于依賴臨時采樣接線的傳統并網裝置，尤其適合二次并網頻繁、接入條件受限的應急供電場景。該技術的應用使10kV發電車并網從“強依賴現場條件的操作型作業”轉變為“以控制系統為核心的標準化技術過程”，對提升中壓應急供電系統的靈活性與可靠性具有較好的工程推廣價值。

★資助項目：廣州供電局職創項目《10kV發電車全場景并網控制裝置研究》（030114KZ25070004）

作者簡介：

朱孝文（1994-），男，江西贛州人，工程師，碩士，現就職于廣東電網有限責任公司廣州供電局，主要研究方向為配網不停電作業技術和智能配電網技術。

參考文獻：

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摘自《自動化博覽》2026年3月刊