电力系统自动化课件.pptx

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1、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1页/共156页第一节 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。第2页/共156页第一节 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

2、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3页/共156页第一节 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：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4页/共156页第一节、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

3、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10000MW。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

4、，使华中和华东两大区电网实现非同期联网。 第5页/共156页第一节、电力系统自动化的重要性及其发展历程两家电网公司是国家电网公司、中国南方电网有限责任公司；家发电集团公司是中国华能集团公司、中国大唐集团公司、中国华电集团公司、中国国电集团公司和中国电力投资集团公司；家辅业集团公司是中国电力工程顾问集团公司、中国水电工程顾问集团公司、中国水利水电建设集团公司和中国葛洲坝集团公司。 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6页/共156页第一节、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

5、，分类负荷）保证电能质量（电压、频率、波形）提高电力系统的经济性第7页/共156页第一节、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8页/共156页第一节、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

6、动调压和自动调速装置等）、远距离信息装置（即远动装置）第9页/共156页3、电力系统中各发电厂和变电站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10页/共156页第一节、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

7、工作。电力系统远动和通信装置电力系统信息电力系统自动装置信息处理确定数学模型做出控制决策YX,YCYX,YCYK,YTYK,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11页/共156页第二节、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12页/共156页第二节、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

8、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13页/共156页第二节、电力系统自动化的内容一、电力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14页/共156页第二节、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15页/共156页第三节、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

9、式约束条件minmaxminmaxGminGGmaxGminGGmaxminmaxiiiiiiiiiijijijfffUUUPPPQQQSSS不等式约束第16页/共156页第三节、电力系统的运行状态及调度控制nmlGiLjSki=1j=1k=1nmlGiLjSki=1j=1k=1PPPQQQ等式约束第17页/共156页第三节、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正常状态恢复状态系统崩溃警戒状态紧急状态满足所有约束条件，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

10、列第18页/共156页第二章、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19页/共156页第一节、电力系统调度自动化是如何实现的电力设备自动装置调制解调器通信设备运行状态和参数控制和调节命令电力设备自动装置调制解调器通信设备运行状态和参数控制和调节命令发电厂变电站通信设备调制和解调器远动终端接口调度计算机人机联系设备上层调度中心调度自动化系统的基本构成第20页/共156页第一节、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

11、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21页/共156页第二节、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22页/共156页第四节、电力系统的分层调度

12、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；改善系统响应第23页/共156页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

13、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调度变电站枢纽变电站梯形水电站控制中心第24页/共156页第四节、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25页/共156页第四节、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

14、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26页/共156页第四节、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27页/共156页第五节、电力系统状态估计参考电力系统分析，在此不再详述。第28页/共

15、156页第三章、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.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29页/共156页第一节 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

16、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。第30页/共156页 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

17、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第31页/共156页在核电厂中，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

18、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第32页/共156页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33页/共156页第二节、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

19、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60Pnf 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。由上式可知，要控制发电机频率就得控制机组转速。（31）第34页/共156页第二节、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TG2TGddkg mrad/srad ssN mN m3-23-2JJMMtJtMM式中 机组转子的转动惯量，机组转子的机械角加速度，机组转子的机械角速度，/时间，原动机（汽轮机或水轮机）产生的机械转矩，发电机的电磁转矩，式（）称为机组转子运动方程式，其中忽略了转

20、子转动的风阻力和摩擦损耗。 （）第35页/共156页第二节、发电机调速控制的基本原理e2kekee2ekeTG2eeeeBeBkeTGee2W1W3-222Wd3-3dPP3-32Wd3-4PdJJMMtMMMMt当机组以额定转速运行时，转子中贮存的动能为 所以 = 代入（），得 （）取额定功率为功率的基准值，额定转速为转速的基准值则转矩的基准值为将式（）两边同时除以，得 （）第36页/共156页第二节、发电机调速控制的基本原理eekeTGeekeeeeP3-4PP2WddTPdd2WT3 5PTsJJJMMtt 由电机学可知，发电机的机械角速度 、电角速度 和极对数 的关系为， 代入式（）可

21、得 = （- ） 式中 发电机组的惯性时间常数，；发电机组角速度的标幺值。所以要研究机组的调速控TGMM制问题，必须研究转矩和。第37页/共156页第二节、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，电磁功率等于发电机所带负荷的有功功率。当发电机频率变化时

22、，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38页/共156页第二节、发电机调速控制的基本原理2L0 Le1 Le2 LeLe2L0 Le1 Le2 LeLeeBeeeeeP3-6P3-73 8PPPP3-9PPnnnnaPaP faP faPfaPaP naP naP nMMMMMM 根 据 发 电 机 负 荷 功 率 与 频 率 的 关 系 （ ）考 虑 到 机 组 转 速 的 标 幺 值 和 频 率 的 标 幺 值 相 等 (）又 有 （- ） （ ）进 一 步 考 虑 到 机 组 的 转 速 不 会 偏 离 额 定2G0 Le1 Le2 LeLeP3-83-10nn

23、MMaPaP naP naP n 转 速 太 多 ， 可 认 为， 代 入 （ ） 可 得 （）第39页/共156页第二节、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M0nMT1MT2MG1MG2abcnanbnc负荷减小时改变原动机的出力后第40页/共156页第二节、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。0f，nf1MT，PGMT1MT2abPGaPGb增加原动机出力1第41页

24、/共156页第三节 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42页/共156页第六节 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THILHHRHHRHCDHCDHRHTRHTTT111111W ( )1111111W ( )11W ( )1SKKKT ST STST STSTSTTK TSSTSST ST中间再热式汽轮机的传递函数为：实际应用时常简化，可假定、均等于零，则可得到中间再热式汽轮机调速系统分析与设计时常用的汽轮机传递函数为：对于凝汽式汽轮机，可以将其看成一阶惯性环节，产递函数为：为汽容时间常数，一般020.3s为第

25、43页/共156页第六节 同步发电机组调速系统的数学模型（二）水轮机的传递函数0WTT0W0W0W0WTW1()()()1+0.511()1+0.5q TSPSGSY Sq TSqTq TSqTSGSTS水 轮 调 速 系 统 常 用 的 水 轮 机 传 递 函 数 为 ：为 水 轮 机 稳 定 运 行 时 的 相 对 流 量 ；为 引 水 系 统 水 流 惯 性 时 间 常 数 。描 述 了 引 水 系 统 的 水 锤 影 响 。在 额 定 工 况 下 运 行 的 水 轮 机 ，第44页/共156页第六节 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pTLKeTLpLeKepep

26、L( )1W ( )2W( )( )12W1KF SSP SP ST SSKPTPKK经过一定的简化处理，发电机和负荷的传递函数可写为：为时间常数为放大系数第45页/共156页第六节 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IPDSPID11 KKKSST S调 节 器 机 液 随 动 系 统第46页/共156页第七节 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

27、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47页/共156页第七节 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0122L0Le1Le2LeLe012L012L12n1nnnennnLLeeaaaPa PaPffa Pffea PffePaaaafffPP Pfffaaaa与频率无关的负荷功率所占的比例系数；分别为与频率的 次方、次访和 次方成正比的负荷功率所占的比列系数。，负荷的有功功率随着频率而

28、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48页/共156页第七节 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。21LLL123n23nKdP dfKaaanafff；第49页/共156页第七节 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

29、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 PTfPGfPG ,PT0faaPGafbbPGb第50页/共156页第七节 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1/1GGGGM WHzffPKPK 三、电力系统频率控制的基本原理（一）、频率的一次调整第51页/共156页BfBG

30、DPLPGCPCfCGPLPAfA LPf LPf0f GPf0f GPfBf 1f Cf 第七节 电力系统频率和有功功率自动控制的基本原理GPf0G APD（二）频率的 二次调整第52页/共156页(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；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

31、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。第53页/共156页四、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fPG0PG1(f)PG2(f)f1PG1PG2PG1PG2f2PG1PG2GG eiGiG ei1iiiiiiPf PPPf 用标幺值表示的第 台机组的调差系数；一次调

32、频结束时产生的系统频率 调节偏差。第 台机组增加的功率；第 台机组的额定有功功率；第54页/共156页第七节 电力系统频率和有功功率自动控制的基本原理G eGG e1*1GDDG eG e11LLSGDrLSGGDDSrrGDeLe1mmiiiiiimmiiiiifPKPKPPPPKKKKffKKiKKKKPP 的求取方法：第台机组的单位调节功率；等效机组的单位调节功率；等效机组的调差系数；系统的单位调节功率；系统的热备用，。第55页/共156页第八节 联合电力系统的频率和有功功率控制第56页/共156页第九节 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

33、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57页/共156页第十节 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、火电厂之间的负荷经济分配；电力系统网损及网损微增率。第58页/共156页第四章 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

34、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第59页/共156页(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要性第60页/共156页第一节 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

35、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第61页/共156页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

36、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62页/共156页第一节 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

37、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63页/共156页第一节 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

38、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64页/共156页第一节 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。这些工作做得好，不仅可以提高电力系统的电压质量，而且

39、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65页/共156页第一节 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。在电力系统静态稳定方面，合理地选用自动励

40、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66页/共156页第二节、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值附近；其次

41、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67页/共156页第二节、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

42、功功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68页/共156页第三节、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69页/共156页第三节、同步发电机励磁控

43、制系统的主要任务和对它的基本要求第70页/共156页第三节、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EqnXdINUNINUNEqnjINXdsindqXUEP IqjIqx第71页/共156页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fedqniXE第72页/共156页第三节、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

44、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。第73页/共156页二、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cosUEIqf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74页/共156页第三节、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、

45、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。QQ1Q2,QQ1Q2;VVIIIIII 均具有有差特性。两机组的电压必然相等，各负担着一定的无功电流，其关系如图所示，开始时电压为两机组共同负担的无功电流为：这时，母线电压下降到，两台机组按各自的调差特性承担不同的无功电流。现假设母线上并联运行着两台发电机，当无功负荷增加时，其增量为：QI0VVVQ1IQ2IQ 1IQ 2IVQ1IQ2I机组1机组2第75页/共156页第三节、同步发电机励磁控制系统的主要任务和对它的基本要求 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

46、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。0VQIQ2I机组1机组II机组IIQ2IQIIV第76页/共156页第三节、同步发电机励磁控制系统的主

47、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

48、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77页/共156页第三节、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，以保证电机能在人工稳定区工作，所以装置只有采用电磁

49、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78页/共156页第四节、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79页/共156页第四节、同步发电机的励磁自动控制系统第80页/共156页第四节、同步发电机的励磁自动控制系统第81页/共156页第五节、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、模拟半导体式和数

50、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82页/共156页第83页/共156页第五节、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