《电力系统自动化》.ppt

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1、第一章、概论,1.电力系统自动化的重要性及其发展历程,2.电力系统自动化的内容,3.电力系统的运行状态及调度控制,第一节、电力系统自动化的重要性及其发展历程,一、电力系统的特点,电能不能大量储存,过渡过程非常迅速（30万KM/S）,电力和国民经济各部门关系密切,结构复杂而庞大,第一节、电力系统自动化的重要性及其发展历程,我国电网介绍,第一节 电力系统的概念和组成,电力系统为什么要互联并网运行呢？,1.采用高效率大容量机组减少备用容量,2.合理利用动力资源水、火电互补,3.提高供电可靠性系统越大，抗干扰能力越强,4.提高运行的经济性装高效率大容量机组、合理利用动力资源、合理分配负荷、削峰填谷。,

2、第一节 电力系统的概念和组成,全国联网势在必行,现在：7个跨省电网，5个独立省网,2015年全国联网：,以三峡电站为中心，东西南北四方向联网东西以送电和联网效益并重南北以获得联网效益为主，兼顾送电,联网方案：,首先建成三峡电网（华东、华中、四川、重庆）中部电网：以三峡电站为中心沿长江展开北部电网：以华北为中心，与东北、山东联网，开发 黄河上游拉西瓦等水电站，实现与西北联网南部电网：红水河、澜沧江、乌江流域、贵州煤炭基地,第一节 电力系统的概念和组成,全国联网势在必行,北部和中部三纵：,西线：西北与川渝以直流方式相联,中线：华北与华中以直流背靠背相联,东线：山东与华东以直流背靠背相联,南部和中部

3、：,提高水电利用容量，减少弃水,湖南衡阳到广东韶关500KV交直流输电,三峡到广东的远距离直流输电,第一节、电力系统自动化的重要性及其发展历程,目前我国基本上进入大电网、大电厂、大机组、高电压输电、高度自动控制的新时代。截止2002年底装机总容量达3.38亿千瓦。我国现有发电装机容量在20000MW以上的电力系统11个，其中东北、华北、华东、华中电网装机容量均超30000MW，华东、华中电网甚至超过40000MW，西北电网的装机容量也达到20000MW。南方电力联营系统连结广东、广西、贵州、云南四省电网，实现了西电东送。其它几个独立省网，如四川、山东、福建等电网和装机容量也超过或接近10000

4、MW。各电网中500KV（包括330KV）主网架逐步形成和壮大。220KV电网不断完善和扩充。从1988年起连续每年新增投产大中型发电机组超过10000MW。1990年我国第一条从葛洲坝水电站至上海南桥换流站的500KV直流输电线路实现双极运行，使华中和华东两大区电网实现非同期联网。,第一节、电力系统自动化的重要性及其发展历程,电力体制改革方案：1(电监会)+2(电网公司)+5(发电集团)+4(辅业集团),第一节、电力系统自动化的重要性及其发展历程,二、电力系统的运行要求,最大限度地满足用户的用电要求,保证供电的可靠性（3040倍，分类负荷）,保证电能质量（电压、频率、波形）,提高电力系统的经

5、济性,第一节、电力系统自动化的重要性及其发展历程,三、电力系统自动化的重要性,由电力系统的特点和运行要求可见对电力系统的控制与管理一个大型电力系统，使之安全、优质和经济的运行是十分困难而艰巨的。仅靠值班人员进行人工监视是无法实现的，必须依靠自动装置和设备才能实现。,第一节、电力系统自动化的重要性及其发展历程,四、电力系统自动化的发展阶段,单一功能自动化阶段,单一功能的自动装置有：故障自动切除装置（即继电保护装置，自动切除出现故障的发电机、变压器和输电线路等设备）、自动操作和调节装置（如断路器自动操作、发电机自动调压和自动调速装置等）、远距离信息装置（即远动装置）,3、电力系统中各发电厂和变电站

6、之间的自动装置没有什么联系。,4、电力系统的统一运行主要靠电力系统调度中心的调度员根据遥信、遥测传来的信息，加上自己的知识和经验通过电话或遥控和遥调来指挥。,1、继电保护、远动、自动化三者自成体系，分别完成各自功能,2、对单个电力设备和单一过程用分立的自动装置来完成自动化的单一功能,单一功能自动化的特点是：,第一节、电力系统自动化的重要性及其发展历程,第一节、电力系统自动化的重要性及其发展历程,综合自动化阶段,特点是用一套自动化系统或装置来完成以往两套或多套分离的自动化系统或装置所完成的工作。,电力系统远动和通信装置,信息处理,确定数学模型,做出控制决策,YX,YC,YX,YC,YK,YT,Y

7、K,YT,电力系统,调度计算机,电力系统自动控制系统工作模式图,第二节、电力系统自动化的内容,电力系统由发、输、变、配组成（生产、输送、分配、消费）,第二节、电力系统自动化的内容,它是一个能量系统，也称为电工一次系统。电工一次系统中的电力设备常被称为一次设备,在电力系统中还有对电工一次系统进行监视、控制、保护、调度所需的自动监控设备、继电保护装置、远动和通信设备等组成辅助系统。这是一个信息系统，也称为电工二次系统电工二次系统中的设备（或装置）被称为二次设备（装置）,电力系统自动化是电工二次系统的一个组成部分，通常指对电力设备及系统的自动监视、控制和调度。,第二节、电力系统自动化的内容,一、电力

8、系统自动化的分类,按运行管理区划分,电力系统调度自动化,发电厂自动化,变电站自动化,发电和输电调度自动化,配电网自动化,火电厂自动化,水电厂自动化,第二节、电力系统自动化的内容,一、电力系统自动化的分类（续）,按自动控制的角度,电力系统频率和有功功率自动控制,电力系统电压和无功功率自动控制,电力系统安全自动控制,电力系统中的断路器的自动控制,第三节、电力系统的运行状态及调度控制,一、电力系统的正常状态和非正常状态,正常时满足等式和不等式约束条件,不等式约束,第三节、电力系统的运行状态及调度控制,等式约束,第三节、电力系统的运行状态及调度控制,二、电力系统运行状态及相应的调度控制,满足所有约束条

9、件，有一定的旋转备用,依然满足约束条件，备用减少很多,满足,只满足等式约束条件，如发生短路或者大机组退出,不满足所有约束条件，系统解列，切除负荷,增加机组出力重新并列,第二章、电力系统调度自动化,1.电力系统调度自动化是如何实现的,2.远动和信息传输设备的配置和功能,3.调度计算机系统及人机联系设备,4.电力系统的分层调度控制,5.电力系统状态估计,第一节、电力系统调度自动化是如何实现的,发电厂,变电站,调度自动化系统的基本构成,第一节、电力系统调度自动化是如何实现的,电力系统调度自动化的功能有,电力系统监视和控制,电力系统状态估计,电力系统安全分析和安全控制,电力系统稳定控制,电力系统实时负

10、荷预测,电力系统频率和有功功率自动控制,电力系统潮流优化,电力系统电压和无功功率自动控制,电力系统经济调度控制,电力系统负荷管理,第二节、远动和信息传输设备的配置和功能,参考电力系统远动原理，在此不再详述,第三节、调度计算机系统及人机联系设备,一、调度计算机系统：完成信息处理和加工任务。由计算机硬件、软件和专用接口组成，由多台计算机组成调度自动化系统时，还有计算机硬件系统的配置问题。,二、人机联系设备：交互型的调度员控制台、远方控制台、调度员工作站、模拟屏以及通用的打印机、程序员终端等。,第四节、电力系统的分层调度控制,集中调度控制就是把电力系统内所有发电厂和变电站的信息都集中在一个调度控制中

11、心，由一个调度控制中心对整个电力系统进行调度控制。,分层调度控制就是把全电力系统的监视控制任务分配给属于不同层次的调度中心，下一层调度完成本层次的调度控制任务外，还接受上一级调度组织的调度命令并向上层调度传递所需信息。,分层调度与集中调度相比，它的优点是：便于协调控制；提高系统可靠性；改善系统响应,国家调度中心,大区电网调度中心,大区电网调度中心,大区电网调度中心,大型火电厂、水电厂和核电厂,主网枢纽变电所（500kv以上）,省调度中心,省调度中心,省调度中心,地区调度所,县级调度所,地区调度所,地区调度所,县级调度所,县级调度所,一般变电站,地方火电和水电,中型火电厂、水电厂和核电厂,省直接

12、调度变电站,枢纽变电站,梯形水电站控制中心,第四节、电力系统的分层调度控制,各级调度中心的控制和管理任务：,大区电网调度中心（网调）：1.区网负荷预测、安排系统结构和发电计划2.频率有功功率控制、经济运行调度控制3.区主网枢纽点电压监视和无功功率控制4.区网安全监视、预防事故分析和校正控制5.区网正常操作和事故处理6.区网检修计划7.调度记录、统计业务,第四节、电力系统的分层调度控制,省调度中心（省调）：1.省网负荷预测并按经济原则作出省网系统结构的调度及所属发电厂发电计划2.省主网和110kv系统枢纽点电压监视和无功控制3.省主网和110kv系统安全监视和控制4.不影响区网的局部性正常操作和

13、事故处理5.管理范围内的网损计算和检修计划6.水库调度、水电厂发电计划7.调度记录报告（对上级）、统计业务,第四节、电力系统的分层调度控制,地区调度所（地调）或中间控制所（即某些厂、站承担对其附近子厂、站得控制和信息传递）：1.局部110KV系统枢纽点电压监视和控制2.局部110KV系统安全监视和控制3.局部110KV系统正常操作和事故处理4.管理范围内的网损计算和检修计划5.对所属供电局的业务联系6.统计业务,第五节、电力系统状态估计,参考电力系统分析，在此不再详述。,第三章、电力系统频率和有功功率自动控制,1.电力系统频率和有功功率控制的必要性,9.电力系统自动调频方法和自动发电控制,10

14、.电力系统经济调度,6.同步发电机组调速系统的数学模型,7.电力系统频率和有功功率自动控制的原理,8.联合电力系统的频率和有功功率控制,5.数字电液调速器,4.模拟电气液压调速器,3.机械液压调速器的基本原理,2.发电机组调速控制的基本原理,第一节 电力系统频率和有功功率控制的必要性,一、电力系统频率控制的必要性,1、频率对电力用户的影响电力系统频率变化会引起异步电动机转速变化，这会使得电动机所驱动的加工工业产品的机械的转速发生变化。有些产品(如纺织和造纸行业的产品)对加工机械的转速要求很高，转速不稳定会影响产品质量，甚至会出现次品和废品。系统频率波动会影响某些测量和控制用的电子设备的准确性和

15、性能，频率过低时有些设备甚至无法工作。这对一些重要工业和国防是不能允许的。电力系统频率降低将使电动机的转速和输出功率降低，导致其所带动机械的转速和出力降低，影响电力用户设备的正常运行。,2、频率对电力系统的影响 频率下降时，汽轮机叶片的振动会变大，轻则影响使用寿命，重则可能产生裂纹。对于额定频率为50Hz的电力系统，当频率降低到45Hz附近时，某些汽轮机的叶片可能发生共振而断裂，造成重大事故。频率下降到4748Hz时，由异步电动机驱动的送风机、吸风机、给水泵、循环水泵和磨媒机等发电厂厂用机械的出力随之下降，使火电厂锅炉和汽轮机的出力随之下降，从而使火电厂发电机发出的有功功率下降。这种趋势如果不

16、能及时制止，就会在短时间内使电力系统频率下降到不能允许的程度，这种现象称为频率雪崩。出现频率雪崩会造成大面积停电，甚至使整个系统瓦解,第一节 电力系统频率和有功功率控制的必要性,在核电厂中，反应堆冷却介质泵对供电频率有严格要求。当频率降到一定数值时，冷却介质泵即自动跳开，使反应堆停止运行。电力系统频率下降时，异步电动机和变压器的励磁电流增加，使异步电动机和变压器的无功损耗增加，引起系统电压下降。频率下降还会引起励磁机出力下降，并使发电机电势下降，导致全系统电压水平降低。如果电力系统原来的电压水平偏低，在频率下降到一定值时，可能出现电压快速而不断地下降，即所谓电压雪崩现象。出现电压雪崩会造成大面

17、积停电，甚至使系统瓦解。,第一节 电力系统频率和有功功率控制的必要性,1、维持电力系统频率在运行范围之内,2、提高电力系统运行地经济性,3、保证联合电力系统地协调运行,电力系统频率和有功功率控制是密切相关和不可分割的，应该统一考虑并协同控制。,二、电力系统有功功率控制的必要性,第一节 电力系统频率和有功功率控制的必要性,第二节、发电机调速控制的基本原理,一、发电机组单机运行时调速控制的基本原理,发电机组是指发电机及其原动机组成的整体，也称为机组。机组步并网而单独运行时，发电机端交流正弦电压的频率和机组转速的关系为,式中 f发电机频率，HZ P发电机转子的极对数；n机组转速，r/min。由上式可

18、知，要控制发电机频率就得控制机组转速。,（31）,第二节、发电机调速控制的基本原理,（一）同步发电机组转子运动方程,第二节、发电机调速控制的基本原理,第二节、发电机调速控制的基本原理,第二节、发电机调速控制的基本原理,（二）原动机的机械转矩MT和发电机的电磁转矩MG,水轮机的机械转矩由水流对叶片的作用形成，其大小决定于水头H、导水叶开度和机械转速n等。汽轮机的机械转矩由高温、高压蒸汽对汽轮机叶片的作用力形成，大小与进入汽轮机的蒸汽压力、调节气阀的开度和机组转速有关。发电机的电磁转矩是发电机定子对转子的作用力矩，方向与转子转动方向相反，是阻力矩。发电机的电磁转矩与电磁功率成正比，电磁功率等于发电

19、机所带负荷的有功功率。当发电机频率变化时，发电机所带负荷的有功功率也随着变化，发电机的电磁转矩也变化。,第二节、发电机调速控制的基本原理,第二节、发电机调速控制的基本原理,（三）发电机组调速系统的调节原理,M,0,n,MT1,MT2,MG1,MG2,a,b,c,na,nb,nc,负荷减小时,改变原动机的出力后,第二节、发电机调速控制的基本原理,二、机组并网运行的转速调节,发电机并入电网运行时，如果这台机组的容量与电力系统的容量相比是微不足道的(单机并入无穷大系统就属于这种情况)，那么系统的频率就不会因为这台机组的有功功率变化而变化，这一特性可用下图曲线1表示。,0,f，n,f1,MT，PG,M

20、T1,MT2,a,b,PGa,PGb,增加原动机出力,1,第三节 机械液压调速器的基本原理,第四节 模拟电气液压调速器,第五节 数字电气液压调速器,第六节 同步发电机组调速系统的数学模型,一、原动机的传递函数（一）汽轮机的传递函数,第六节 同步发电机组调速系统的数学模型,（二）水轮机的传递函数,第六节 同步发电机组调速系统的数学模型,二、发电机和负荷的传递函数,第六节 同步发电机组调速系统的数学模型,三、调速器的传递函数其传递函数框图为,第七节 电力系统频率和有功功率自动控制的基本原理,现代电力系统中并联运行的发电机组台数很多，负荷的数量就更多，且分布在辽阔的地理区域之内。不难想象，控制如此庞

21、大的电力系统，使频率满足要求、功率分布得经济合理是一项十分复杂得工作。为了使问题简化并突出主要矛盾，在分析电力系统频率和有功功率自动控制时，常将电力系统内并联运行得所有机组用一台等效机组代替；将电力系统内所有负荷用一个等效负荷代替；然后使用发电机组单机带负荷运行时频率和有功功率控制得基本原理和方法进行分析和计算。,第七节 电力系统频率和有功功率自动控制的基本原理,一、电力系统负荷得静态频率特性,负荷的有功功率随着频率而变化得特性叫做负荷的静态频率特性。电力系统负荷功率与频率的关系为,第七节 电力系统频率和有功功率自动控制的基本原理,电力系统负荷的静态频率特性曲线如图所示。可以看出当频率下降时负

22、荷从系统取用的有功功率将下；系统频率升高时负荷从系统取用的有功功率将增加。这种现象称为电力系统负荷的频率调节效应，简称负荷调节效应，并用负荷调节效应系数来衡量负荷调节作用的大小。,第七节 电力系统频率和有功功率自动控制的基本原理,二、电力系统等效发电机组的静态调节特性,将电力系统内并联运行的所有机组用一台等效发电机组代替，系统等效发电机组也有如图所示的调速系统的静态调节特性。f为系统等效机组的频率，即电力系统的频率；PG为系统等效机组发出的有功功率，即电力系统内并联运行的所有机组发出的有功功率的总和。忽略机组的损耗，等效发电机组发出的功率PG与等效原动机发出的功率PT相等，即PG PT,第七节

23、 电力系统频率和有功功率自动控制的基本原理,等效机组的调差系数 和 以及静态调节方程式的物理意义与单机调速系统一直。调差系数的倒数称为机组的单位调节功率，即,三、电力系统频率控制的基本原理,（一）、频率的一次调整,第七节 电力系统频率和有功功率自动控制的基本原理,（二）频率的 二次调整,(三)、调频电厂的选择,第七节 电力系统频率和有功功率自动控制的基本原理,电力系统中并联运行的发电机组都装有调速器。当系统负荷变化时，有可调容量的机组均参与频率的一次调整，而二次调整只由部分发电厂承担。从是否承担频率的二次调整任务出发，可将系统中所有发电厂分为调频厂和非调频厂两类。调频厂负责全系统的频率调整任务

24、；非调频厂在系统正常运行情况下只按调度控制中心预先安排的负荷曲线运行，而不参加频率调整。选择调频电厂时，主要考虑下列因素：(1)具有足够大的容量和可调范围；(2)允许的出力调整速度满足系统负荷变化速度的要求；(3)符合经济运行原则；(4)联络线上交换功率的变化不致影响系统安全运行。水轮发电机组的出力调整范围大，允许出力变化速度快，一般宜选水电厂担任调频。,四、电力系统的有功功率控制,第七节 电力系统频率和有功功率自动控制的基本原理,（一）电力系统中的有功功率平衡,（二）并联运行机组间的有功功率分配,PG1(f),PG2(f),f1,PG1,PG2,第七节 电力系统频率和有功功率自动控制的基本原

25、理,第八节 联合电力系统的频率和有功功率控制,第九节 电力系统自动调频方法和自动发电控制,一、电力系统的自动调频方法有主导发电机法、虚有差法、积差调节法等,二、自动发电控制（AGC）四个基本目标：使电力系统的发电出力和负荷功率相匹配；将电力系统的频率偏差调节到零，保持系统频率为额定值；空盒子区域间联络线的交换功率与计划值相等，实现各区域内有功功率的平衡；在区域内各发电厂间进行负荷的经济分配。,第十节 电力系统经济调度,主要内容有：各类发电厂的运行特点及其合理组合；发电设备的经济特性；经济调度控制的主要算法；（等微增率算法、梯度法、线性规划和动态规划法）火电厂之间的负荷经济分配；水、火电厂之间的

26、负荷经济分配；电力系统网损及网损微增率。,第四章 电力系统电压和无功功率自动控制,1.电力系统电压和无功功率控制的必要性,2.电力系统电压和无功功率控制,3.同步发电机励磁控制系统的主要任务和对它的基本要求,5.比例式励磁控制系统的基本原理,8.同步发电机微机励磁控制系统,6.同步发电机励磁控制系统的静态特性,7.同步发电机励磁控制系统的动态特性,4.同步发电机励磁自动控制系统,(一)、电压偏移对电力用户的影响,负荷用电设备在某时刻从系统中取用的功率,负 荷 类 型,异步电动机,同步电动机,各类电炉,整流设备,电子仪器,电灯,第一节 电力系统电压和无功功率控制的必要性,一、电力系统电压控制的必

27、要性,第一节 电力系统电压和无功功率控制的必要性,电力负荷中比重最大的是异步电动机，它的转矩与端电压的平方成正比。如果额定电压时最大转矩为100，当电压下降到90时，它的最大转矩将下降到额定电压转矩的81。因此，当电压过低时可使电动机拖动能力下降；使绕组温度上升，加速绝缘老化，严重情况下，甚至使电动机烧毁。电压下降时会使电动机的转速下降，将影响工业产品的产量和质量。,负荷变化是随机的规律性用负荷曲线表示,电炉的用功功率与电压的平方成正比，炼钢厂中的电炉会因电压降低而增加冶炼时间，从而影响产量。电压过低时，照明设备的发光频率和亮度会大幅度下降。电压过高将使所有电气设备绝缘受损；使变压器、电动机等

28、的铁心饱和程度加深，铁心损耗增大，温升增加，寿命缩短。照明负荷，尤其是白炽灯，对电压变化很敏感。电压过高会使白炽灯的寿命大大缩短，电压高于额定值10，寿命将缩短一半。电压偏离额定值时，日光灯的寿命也会缩短。冲击负荷（如轧钢机等）会引起电压突然下降和恢复，产生电压闪变。电压闪变对冲击负荷附近的用户产生不良影响，如灯光闪烁。,第一节 电力系统电压和无功功率控制的必要性,第一节 电力系统电压和无功功率控制的必要性,（二）电压偏移对电力系统的影响,电厂中的厂用机械（如给水泵、循环水泵、送风机、吸风机、磨媒机等）是由电动机驱动的。电压下降会使电动机转速下降、出力减少，并影响厂用机械的出力。这将直接影响锅

29、炉和汽轮机的运行，严重时会使电厂出力下降，危机电力系统的安全运行。如果电力系统中无功功率严重短缺，电压水平过于低下，使某些枢纽变电站的母线电压运行在临界值之下时，母线电压有一微小下降就会发生负荷消耗的无功功率增加量大于系统向该点提供的无功功率增加量，使无功缺额进一步增大，电压进一步下降。如此恶性循环的结果，会使该枢纽变电站的母线电压下降到很低的水平。这种现象即所谓“电压崩溃”。电压崩溃后，大量电动机自动切除，某些发电机组失步，导致系统解列或大面积停电。,第一节 电力系统电压和无功功率控制的必要性,二、电力系统无功功率控制的必要性,维持电力系统电压在允许范围之内 电力系统的电压是靠电力系统中无功

30、功率平衡维持的。要控制电力系统在额定电压运行，就要控制电力系统中无功电源发出的无功功率等于电力系统负荷在额定电压时所需消耗的无功功率。如果这个“等于”关系不能满足，电力系统就会偏离额定电压运行。可见，维持电力系统电压在允许范围之内是靠控制电力系统无功电源的出力实现的。提高电力系统运行的经济性 电力系统的无功电源除了同步发电机外，还有并联电容器同步调相机、同步电动机、静止补偿器等。,第一节 电力系统电压和无功功率控制的必要性,高压输电线路的充电功率相当于在线路上并联了电容器，因此高压输电线路也可以看成无功电源。选用哪种无功电源，将他们配置在何处，如何控制系统中无功电源的出力，是很重要的。这些工作

31、做得好，不仅可以提高电力系统的电压质量，而且还会减少无功功率传输过程中造成的无功和有功功率损耗，而且可以提高系统运行的经济性。例如，对于远离负荷中心的电厂，就不要它发复哦多的无功功率送往负荷。这是因为远距离地从电源经过变压器和输电线路向负荷输送无功功率，要产生电压损耗（高压线路和变压器上的电压损耗主要由无功功率造成的）和有功功率损耗，而且输送距离越远，经过的环节越多，电压损耗和有功功率损耗就越大。因此，无功功率一般都尽可能就地、就近平衡,第一节 电力系统电压和无功功率控制的必要性,维持电力系统稳定 发电机是电力系统中重要的无功电源，而控制发电机输出无功功率的是发电机的励磁调节系统。在电力系统静

32、态稳定方面，合理地选用自动励磁调节器，可以使发电机出口某一电抗后面地电压维持不变。这相当于将发电机电抗和发电机后地电抗减少至零，从而提高电力系统地静态稳定性。在暂态稳定方面，采用高励磁顶值、快速响应的励磁系统，会使发电机在加速过程中迅速增大励磁电流，从而有效地改善电力系统地暂态稳定性。在现代大型发电机上采用高性能的励磁调节器提高励磁顶值电压和励磁电压上升速度，对提高电力系统稳定有明显的效果。,第二节、电路系统电压和无功功率控制,一、电力系统的电压控制电力系统电压控制的首要任务是控制电力系统中各种无功功率电源发出的无功功率等于负荷在额定电压下消耗的无功功率的总合，维持电力系统电压的总体水平在额定

33、值附近；其次是控制电力系统各结点电压在允许范围之内。电力系统的电压监视和控制是通过监视和控制电压中枢点的电压实现的。所谓电压中枢点是指反映系统电压水平的主要发电厂和枢纽变电站的母线电压。,第二节、电路系统电压和无功功率控制,二、电力系统的无功功率控制电力系统无功功率控制的首要任务是控制电力系统中各种无功功率电源发出的无功功率等于负荷在额定电压下消耗的无功功率的总合，维持电力系统电压的总体水平在额定值附近；其次是保证上述“等于”成立的前提下，优化电力系统中的无功功率的分布，即电力系统无功功率的优化控制。优化的内容有：负荷所需的无功功率让哪些无功电源提供最好，即无功电源的最优分布；负荷所需的无功功

34、率是让已投入运行的无功电源供给好，还是装设新的无功电源更好，即无功功率的优化补偿,第三节、同步发电机励磁控制系统的主要任务和对它的基本要求,同步发电机励磁控制系统的构成如图1所示。它由同步发电机及其电压互感器（YH）、电流互感器（LH）和励磁系统组成的一个反馈自动控制系统。励磁系统是向发电机供给励磁电流的系统，包括生产发电机励磁电流的励磁功率单元、自动励磁调节器、手动调节部分以及灭磁、保护、监视装置和仪表等。自动励磁调节器是根据发电机电压和电流的变化以及其它输入信号，按事先确定的调节准则控制励磁功率单元输出（励磁）电流的自动装置。,第三节、同步发电机励磁控制系统的主要任务和对它的基本要求,第三

35、节、同步发电机励磁控制系统的主要任务和对它的基本要求,一、同步发电机励磁自动控制系统的主要任务,（一）、同步发电机的允许运行范围,Eqn,Xd,IN,UN,IN,UN,Eqn,jINXd,Iq,jIqx,第一节同步发电机的运行,受限条件,定子绕组：IN为限S园弧转子绕组：励磁电流为限F园弧原动机出力：额定有功功率BC直线其它约束：静稳、进相导致漏磁引起温升T弧,第三节、同步发电机励磁控制系统的主要任务和对它的基本要求,1、在系统正常运行条件下，供给同步发电机所要求的励磁功率，对于不同的负载情况，均应能对励磁电流自动调节，以维持机端或系统某点电压在给定的水平。右图为在10s时突增一无功负荷20s

36、时切除时发电机各参数的变化仿真曲线，可见无功负荷增加时，励磁系统调节输出的励磁电压以满足无功负荷要求，来维持机端电压保持不变。,二、同步发电机的进相与调相运行,进相,发有功，吸收无功输电线路长、电容大、轻载时电压升高，需吸收无功 时，发电机从迟相转为进相，If越小，越大静稳态储备下降、端部严重发热、影响出力,调相,只发或吸收无功,调压需要,水轮机低水位汽轮机处于检修汽轮机的经济技术指标很低,第三节、同步发电机励磁控制系统的主要任务和对它的基本要求,2、应能保证并联运行发电机组的无功功率得到合理分配，因此对调节系统的调节特性应有一定的要求。,0,机组1,机组2,第三节、同步发电机励磁控制系统的主

37、要任务和对它的基本要求,如果两台并联运行机组中机组I具有无差特性，机组并列运行时，其无功功率也可以确定分配，运行也是稳定的。系统励磁装置调节的结果，将维持母线电压VI,机组II的特性与VI的相交点，决定了机组II所带的无功负荷电流IQ2,其余的无功则全部由机组I承担。当系统无功负荷变动时，母线电压仍然可以保持恒定值VI，机组II无功负荷保持不变，而全部无功负荷的变动将由机组I独自承担，这容易引起机组I的过负荷。假如要使机组间的无功负荷重新分配，则可将机组II的特性位置上移到II处，这时所带无功负荷电流将增加为IQ2，而机组I则承担其余部分。如果希望改变母线电压则要将机组I的特性曲线上下移动。,

38、0,机组1,机组II,机组II,第三节、同步发电机励磁控制系统的主要任务和对它的基本要求,在运行中，假如需要重新分配发电厂中的无功负荷，可以手动调整某台自动励磁调节器装置的给定电位器，便能使该机组的特性曲线上下移动。如果母线电压偏差超过要求，希望只改变电压整定，而不影响一个发电厂内各机组间的无功分配时，则需要对各台机组作同样的调整。3、在正常运行及事故情况下，能提高系统的静态稳定及动态稳定性。当发电机装有无失灵区的自动调节励磁装置时，电机与系统间的功率角度可大于90o，即进入人工稳定区运行，输送的极限功率可以提高。在系统事故情况下，可以实行强励，从而大大提高系统的动态稳定性4、能够显著改善电力

39、系统的运行条件。5、由于水轮机的调速装置不够灵敏和迅速，所以水轮机的励磁装置应能强行灭磁，以免发电机甩负荷时因超速而产生危险的过电压。汽轮机因调速器比较灵敏，不易超速，可不作此项要求。,第三节、同步发电机励磁控制系统的主要任务和对它的基本要求,二、对同步发电机自动调节励磁装置的基本要求1、励磁系统应能保证发电机所要求的励磁容量，并适当留有裕度（电流、电压各约10）。2、应具有足够大的强励顶值电压倍数及电压上升速度。这是励磁装置两项主要的技术指标，根据我国技术标准规定，应满足表1所示的要求。3、根据运行的需要，应有足够的电压调节范围，装置的电压调差率亦应能随系统要求而改变。4、系统应没有失灵区，

40、以保证电机能在人工稳定区工作，所以装置只有采用电磁式或电子式才能达到此要求。5、装置本身应简单可靠，动作迅速，调节过程稳定。如果系统调节不够稳定时，必须采取有效的校正措施。,第四节、同步发电机的励磁自动控制系统,同步发电机励磁自动控制系统,同步发电机,励磁系统,励磁功率单元,自动励磁调节器,交流电源励磁,直流电源励磁,机电式励磁调节器,半导体励磁调节器,计算机励磁调节器,交流电源,整流电路,它励,自励,静止,旋转,第四节、同步发电机的励磁自动控制系统,第四节、同步发电机的励磁自动控制系统,第五节、比例式励磁自动控制系统的基本原理,1、基本结构 随着自动化技术的进步，励磁调节器经历了电磁式、模拟

41、半导体式和数字式等几个发展阶段。目前，电力系统中运行的励磁调节器种类很多、类型各异，但就控制规律而言，绝大多数属于比例式调节器，而且各种不同类型的比例式调节器的基本构成也基本相同。图中的辅助控制不是励磁调节器的必备单元，只有大容量发电机的励磁调节器才配备。,第五节、比例式励磁自动控制系统的基本原理,2、工作原理正常状态下系统工作在某个稳定的工作点。当UG升高时，经过调差、测量环节的输出UC升高，测量比较单元输出一个负的偏差电压，将使ILL变小从而使IL变小，这样可以降低UG；当UG降低时，经过调差、测量环节的输出UC降低，测量比较单元输出一个正的偏差电压，将使ILL变大从而使IL变大，这样可以

42、升高UG；达到维持机端电压基本不变的目的,第五节、比例式励磁自动控制系统的基本原理,2.1 电压测量比较单元电压测量比较单元的基本作用是把发电机电压变换为与其成正比的直流电压，与给定电压进行比较，得到两者的偏差。,第五节、比例式励磁自动控制系统的基本原理,2.1.1 电路结构正序电压滤过器的作用是在电力系统的三相电压不平衡时，输出一个对称的反映电压水平的正序电压，以提高测量单元的灵敏度。它并不是测量比较单元必须设置的环节。测量变压器的作用是将从电压互感器二次侧来的电压降低为适合于整流电路所需要的值。整流滤波的作用是将测量变压器的副边输出的电压变换成平稳的直流电压。UC与Ug成正比。,第五节、比

43、例式励磁自动控制系统的基本原理,2.1.2 比较整定电路比较整定电路的作用：（1）把测量输出的电压UC与给定电压Ugd相比较，输出一个表征发电机电压与其给定值偏差的直流电压Ub；（2）通过调节发电机电压的给定值Ugd去调节Ub的大小，进而调节发电机端电压或无功功率，可以就地手动调节，也可以远方手动调节或通过自动装置调节。下图是半导体励磁调节器中常用的一种比较整定电路，其中稳压管和电阻组成比较电路，电位器的作用是整定发电机机端电压。电路中R1R2，稳压管的稳定电压相等。,第五节、比例式励磁自动控制系统的基本原理,第五节、比例式励磁自动控制系统的基本原理,2.1.3 发电机电压整定的原理发电机电压

44、整定是通过调整电位器W阻值RW实现的。设发电机运行在电压UG。与之对应，比较电路输出电压Ub0。如果这时调整W，使其阻值RW增加，则RW上的电压降就会增加。由于改变W的阻值是在很短的时间内完成的，在调整W的阻值时发电机电压是不变的，UC不会变化。这样，RW增加的结果会使UabUb。Ub下降会引起励磁调节器各单元的动作，从而使发电机电压UG上升UCUabUb。当上升到Ub0时，调节过程停止，发电机进入新的稳定点运行。可见，当增加W的电阻值的结果使发电机电压升高。当减少W的阻值时，调节过程与W的阻值增加相反，可以使发电机电压下降。这就是发电机电压整定的原理。,第五节、比例式励磁自动控制系统的基本原

45、理,2.2 综合放大单元2.2.1 综合放大单元的作用大各种励磁控制信号。这些信号包括发 电机电压偏差信号、电力系统稳定信号以及低励限制和过励限制信号等。改善励磁自动控制系统的静态和动态性能指标。输出移相单元所需的输入电压。2.2.2 对综合放大单元的基本要求要求能线性无关地综合、放大各输入信号。有足够地运算精度和放大系数，放大系数可调。响应速度快，即时间常数要小 工作稳定、输出阻抗低。输出电压范围满足移相触发单元地要求。,第五节、比例式励磁自动控制系统的基本原理,2.3 可控硅整流电路2.3.1 可控硅整流电路的作用可控硅整流电路的作用是将交流电压整流成直流电压向发电机励磁绕组或励磁机励磁绕

46、组供给可控制的励磁电流。励磁调节器中使用的可控硅整流电路有三相半控式整流电路和三相全控式整流电路两种。励磁系统中还使用三相不可控整流电路，这种电路通常用于供给大型发电机励磁电流。,第六节、同步发电机励磁控制系统的静态特性和动态特性,一、同步发电机励磁控制系统的静态特性同步发电机励磁控制系统的静态工作特性是指在没有人工参与调节的情况下，发电机机端电压与发电机电流的无功分量之间的静态特性。此特性通常称为发电机外特性或电压调节特性，也称为电压调差特性。发电机机端电压调差率的定义：在自动励磁调节器的调差单元投入、电压给定值固定、发电机功率因数为零的情况下，发电机无功负荷从零变化到额定值时，用发电机额定

47、电压的百分数表示的发电机机端电压变化率。其计算公式为,式中 UG1发电机空载电压，V；UG2发电机带额定无功负荷时的电压，V；UGe发电机额定电压，V。,第六节、同步发电机励磁控制系统的静态特性和动态特性,其中T(%)称为发电机端电压调差率或者调差系数，同步发电机励磁控制系统静态工作特性的三种类型：调差系数大于零称为正调差，表示发电机机端电压随无功电流的增大而下降；调差系数小于零称为负调差，表示发电机机端电压随无功电流的增大而上升；调差系数等于零是称为无差特性，表示发电机机端电压不随无功电流变化，而保持恒定值。,第六节、同步发电机励磁控制系统的静态特性和动态特性,励磁调节器的调差单元调差单元的

48、接线可分为单相、两相和三相三种方式。下图所示为两相式调差单元，以其为例分析调差单元的基本工作原理。由图可得下式：,第六节、同步发电机励磁控制系统的静态特性和动态特性,当发电机带纯无功负荷，即cos=0o，=90 o时，按上式作出的相量图如图所示。由图看出，在cos=0o 时。励磁调节器中增加调差单元之后，输入励磁调节器测量比较单元的电压 Ua、Ub和Uc会随发电机电流的增加而增加。按照励磁系统的工作特性，当Ua、Ub和Uc 增加时励磁系统会自动地减少发电机的励磁电流，使发电机电压下降。于是就形成了下斜的发电机电压调节特性。,第六节、同步发电机励磁控制系统的静态特性和动态特性,当发电机带纯无功负

49、荷，即cos=0o，=90 o时时，按上式作出的相量图如图b所示。由图b看出，在 cos=0o时。励磁调节器中增加调差单元之后，输入励磁调节器测量比较单元的电压 Ua、Ub和Uc 基本上不随发电机电流的增加而变化，只是将原来由Ua、Ub和Uc组成的电压三角形以Ub为圆心逆时针转动了一个不大的角度。这样，按照励磁系统的工作特性，发电机的励磁电流和机端电压将不随发电机有功电流的变化而变化。综合图a和图b可看出，励磁调节器的调差单元只反映发电机无功功率的变化而基本不反映有功功率的变化。,第六节、同步发电机励磁控制系统的静态特性和动态特性,二、同步发电机励磁控制系统的动态特性 同步发电机励磁自动控制系

50、统的动态特性是指在外界干扰信号作用下，该系统从一个稳定工作状态变化到另一个稳定状态的时间响应特性。同步发电机励磁自动控制系统是一个反馈自动控制系统。一个自动控制系统首先应该是稳定的，这是该系统能够运行的前提；其次应该既有良好的静态和动态特性。分析同步发电机励磁自动控制系统的动态特性，首先应求出描述系统运动特性的数学模型，然后应用“自动控制理论”对动态特性进行分析。下面就以某励磁系统为例利用MATLAB对励磁自动控制系统的动态特性进行仿真分析。,第六节、同步发电机励磁控制系统的静态特性和动态特性,同步发电机励磁自动控制系统的传递函数：经过分析，将各个单元的传递函数联接起来，就得出300MW水轮发