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电力系统自动化主讲教师：刘兴杰答疑地点：教一楼347联系方式：7522257;lxj5085@163.com4电力系统电压和无功功率自动控制•电力系统电压和无功功率控制的必要性（4.1）•电力系统电压和无功功率控制（4.2）•同步发电机励磁控制系统的主要任务和对它的基本要求（4.3）•同步发电机励磁自动控制系统（4.4）•比例式励磁控制系统的基本原理（4.5）•同步发电机励磁控制系统的静态特性（4.6）•同步发电机励磁控制系统的动态特性（4.7）•同步发电机微机励磁控制系统（4.8）4.1电力系统电压和无功功率控制的必要性•电力系统电压控制的必要性1）电压偏离对电力用户造成影响2）电压偏离对电力系统造成影响4.1电力系统电压和无功功率控制的必要性1）电压偏离对电力用户的影响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。4.1电力系统电压和无功功率控制的必要性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。4.1电力系统电压和无功功率控制的必要性2）电压偏离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。4.1电力系统电压和无功功率控制的必要性•电力系统无功功率控制的必要性：1）维持电力系统电压在允许范围之内2）提高电力系统运行的经济性3）维持电力系统稳定4.1电力系统电压和无功功率控制的必要性1）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。4.1电力系统电压和无功功率控制的必要性2）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。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，就不要它发过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。4.1电力系统电压和无功功率控制的必要性3）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，合理地选用自动励磁调节器，可以使发电机出口某一电抗后面的电压维持不变。这相当于将发电机电抗和发电机后的电抗减少至零，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。4.3同步发电机励磁控制系统的主要任务和对它的基本要求励磁调节器励磁功率单元发电机励磁系统手动调节给定电压辅助控制信号PTCTULILUGIG同步发电机励磁控制系统构成示意图4.3.1同步发电机励磁控制系统的主要任务1-控制电压单机带负荷稳定运行图4.3.1同步发电机励磁控制系统的主要任务1-控制电压4.3.1同步发电机励磁控制系统的主要任务1-控制电压发电机并入电力系统运行电路图4.3.1同步发电机励磁控制系统的主要任务1-控制电压4.3.1同步发电机励磁控制系统的主要任务2-合理分配无功功率•合理的体现：1）每台发电机发出的无功功率数量要合理2）系统电压变化时，每台发电机发出的无功功率增量要合理4.3.1同步发电机励磁控制系统的主要任务2-合理分配无功功率发电机接入无穷大系统接线图1）发电机无功功率控制的原理假设发电机接入无穷大系统，则发电机机端电压保持不变。调节无功功率时，有功功率输出不变，且忽略发电机凸极效应和定子损耗，有功为：4.3.1同步发电机励磁控制系统的主要任务2-合理分配无功功率发电机接入无穷大系统矢量图可见，随着励磁电流的增加，发电机空载电势沿着AA’逐渐增大，发电机电流的无功分量增加，发电机输出的无功增加。4.3.1同步发电机励磁控制系统的主要任务2-合理分配无功功率2）并联运行机组之间的无功分配并联运行发电机间的无功负荷分配稳定性的概念•静态稳定：小干扰后恢复到原状态；（如：负荷波动）•暂态稳定：大干扰后恢复到原状态或新状态；（如：系统故障）4.3.1同步发电机励磁控制系统的主要任务3-提高电力系统运行的稳定性4.3.1同步发电机励磁控制系统的主要任务3-提高电力系统运行的稳定性1）励磁系统对静态稳定性的影响4.3.1同步发电机励磁控制系统的主要任务3-提高电力系统运行的稳定性2）励磁系统对暂态稳定的影响4.3.1同步发电机励磁控制系统的主要任务4-改善电力系统运行条件1）改善异步电动机的自起动条件短路切除后电压恢复过程电力系统发生短路故障时，故障点附近系统电压大幅下降，使大多数用户的电动机处于回馈制动状态，转速下降。故障切除后，由于电动机自启动时要吸收大量的无功功率，以致延缓了电网电压的恢复过程。发电机强行励磁的作用可以加速系统电压的恢复，有效地改善电动机的自启动条件。4.3.1同步发电机励磁控制系统的主要任务4-改善电力系统运行条件2）为同步发电机异步运行创造条件当发电机的励磁系统发生故障时，有可能使同步发电机失去励磁，这时发电机将从系统中吸收大量无功功率，造成系统电压大幅下降，严重时会危及系统的安全运行。此时，如果系统中其他发电机组能提供足够的无功功率来维持系统电压水平，则失磁的发电机还可以在一定时间内以异步方式维持运行。这不但可以确保系统安全运行，而且有利于机组热力设备的运行。4.3.1同步发电机励磁控制系统的主要任务4-改善电力系统运行条件3）提高继电保护装置工作的正确性•当系统处于低负荷运行状态时，系统中的某些发电机的励磁电流不大，若系统此时发生短路故障，其短路电流较小，且随时间衰减，有可能导致带时限的继电保护不动。励磁自动控制系统就可以通过调节发电机的励磁电流以提高系统电压，增大短路电流，使继电保护装置可靠动作。4.3.1同步发电机励磁控制系统的主要任务5-防止水轮发电机过电压•水轮发电机在因系统故障被切除或突然甩负荷时，一方面由于水轮发电机组的机械转动惯量很大，另一方面为了引水管道的安全，不能迅速关闭水轮机的导水叶，致使发电机的转速急剧上升。如果不采取措施迅速降低发电机的励磁电流，则发电机感应电势有可能升高到危及定子绕组绝缘的程度。•因此，要求励磁自动控制系统能实现强行减磁功能。励磁调节器励磁功率单元发电机励磁系统手动调节给定电压辅助控制信号PTCTULILUGIG同步发电机励磁控制系统构成示意图4.3.2对励磁系统的基本要求4.3.2对励磁系统的基本要求•具有十分高的可靠性•保证发电机具有足够的励磁容量。•具有足够的强励能力•保证发电机电压调差率有足够的整定范围•保证发电机电压有足够的调节范围•保证发电机励磁自动控制系统具有良好的调节特性励磁调节器任务要求迅速响应输入信息变化时间常数小准确调节发电机电压自然调差系数精确合理分配无功功率电压调差系数范围大人工稳定区域运行无失灵区迅速反映系统故障励磁控制功能励磁功率单元任务要求调节系统电压和本身无功可靠性、调节容量较强励磁能力頂值电压快速响应能力电压上升速度一、同步发电机励磁自动控制系统基本构成（按励磁功率单元分类）•直流励磁机励磁系统：由与发电机组同轴的直流发电机供给发电机励磁•交流励磁机励磁系统：励磁功率单元就采用了交流发电机和半导体整流元件组成，交流发电机发出的交流电经半导体整流后供给发电机励磁•静止励磁系统：以接于发电机出口的变压器作为励磁电源，经晶闸管整流后供给发电机励磁4.4同步发电机的励磁自动控制系统（一）自励直流励磁机系统4.4.2直流励磁机励磁系统（二）它励直流励磁机系统4.4.2直流励磁机励磁系统（三）特点优点：控制方便缺点：须换向，有滑环、电刷易产生火花，可靠性不高结构复杂，不易维护（四）应用范围：中小容量机组（≤100MW）旧型机组4.4.2直流励磁机励磁系统（一）它励交流励磁机静止整流励磁系统（1）原理4.4.3交流励磁机励磁系统（2）特点优点：响应速度快（相对DC）；容量较大（相对DC）缺点：有滑环、电刷易产生火花，可靠性不高结构复杂，不易维护（3）应用中等容量机组（100MW~300MW）我国旧型机组4.4.3交流励磁机励磁系统（三）交流励磁机旋转整流励磁系统（无刷励磁）(1)原理4.4.3交流励磁机励磁系统副励磁机：电枢静止，磁极（励磁）旋转主励磁机：电枢旋转，磁极（励磁）静止发电机：电枢静止，磁极（励磁）旋转4.4.3交流励磁机励磁系统（2）特点优点：维护工作量少可靠性高无接触磨损，电机绝缘寿命长缺点：响应速度慢不能直接灭磁对机械性能要求高（3）应用大容量机组（600MW）（一）自并励励磁系统4.4.4静止励磁系统曾经的疑虑：①发电机端三相短路而切除时间又较长的情况下，由于励磁变压器原边的电压为零，历次系统能否及时提供足够的强励电压②由于短路电流的衰减，带时限的继电保护能否正确动作4.4.4静止励磁系统（2）特点：优点：维护工作量少；可靠性高主轴长度短，基建投资少电压响应速度快过电压低缺点：发电机近端端路时，缺乏足够的强励能力继电保护的动作会受一定影响（3）应用大容量机组（600MW）水轮机组4.4.4静止励磁系统（二）自复励励磁系统特点：当电力系统短路时，自励部分会因为发电机电压下降而降低励磁能力，复励部分会因为发电机电流增加而增加励磁能力，两者相辅相成，弥补了自并励方式单独由发电机供给发电机励磁电流的不足，它可以保证在机端短路时有足够的强励能力。4.4.4静止励磁系统4.5比例式励磁自动控制的基本原理4.5.1基本结构与工作原理4.5.1.1基本结构①调差单元②测量比较单元③综合放大单元④移相触发单元⑤可控硅整流单元⑥励磁功率单元⑦发电机4.5比例式励磁自