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第四章 電力系統(tǒng) 電壓和無功功率自動控制,第一節(jié) 電壓和無功功率控制的必要性,一 .電壓控制的必要性 1）電壓偏移對電力用戶的影響 異步電動機：轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比，電壓偏移會影響其出力； 電爐：有功功率與電壓平方成正比，電壓偏移會影響電爐爐溫； 照明設(shè)備：電壓偏低會影響其發(fā)光率和亮度，電壓過高會影響其壽命； 沖擊負(fù)荷：沖擊負(fù)荷會引起電壓閃變，會影響照明設(shè)備。,2）電壓偏移對電力系統(tǒng)的影響 電廠中的廠用機械(水泵、送風(fēng)機、吸風(fēng)機、磨煤機等)是由電動機驅(qū)動。電壓下降會使電動機轉(zhuǎn)速下降，出力減少，并影響廠用機械的出力。嚴(yán)重時會使電廠出力下降，危及電力系統(tǒng)的安全。 如果電力系統(tǒng)中無功功率嚴(yán)重短缺，電壓水平過于低下，使某些樞紐變電站的母線電壓運行在臨界值之下時，母線電壓有一微小下降就會發(fā)生負(fù)荷消耗的無功功率增加量大于系統(tǒng)向該點供應(yīng)的增加量，使無功缺額進一步下降。如此惡性循環(huán)的結(jié)果，會使該樞紐變電站的母線電壓下降到很低的水平。這種現(xiàn)象即“電壓崩潰”。電壓崩潰后，大量電動機自動切除，某些發(fā)電機組失步，導(dǎo)致系統(tǒng)解列或大面積停電。,二 .電力系統(tǒng)無功功率控制的必要性 1）維持電壓在允許范圍之內(nèi) 要控制電力系統(tǒng)在額定電壓運行，就要控制電力系統(tǒng)中無功電源發(fā)出的無功功率等于電力系統(tǒng)負(fù)荷在額定電壓時所需消耗的無功功率。如果不滿足該條件，電力系統(tǒng)就會偏離額定電壓運行。 2）提高電力系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性 選用哪種無功電源，安裝在何處都十分重要。不僅會影響到電壓質(zhì)量，而且還會有經(jīng)濟性問題。 3）維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定 合理的選用發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)的靜態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定性。,第二節(jié) 電力系統(tǒng)電壓和無功功率的控制,一 電力系統(tǒng)的電壓控制 1）電力系統(tǒng)的無功負(fù)荷 電力系統(tǒng)正常運行時的電壓變化主要是由負(fù)荷無功功率變化引起的。電力系統(tǒng)無功負(fù)荷主要有兩類：一類是變化周期長、波及面廣，主要由生產(chǎn)、生活和氣象變化引起的負(fù)荷變化；另一類是沖擊負(fù)荷或間歇性變化負(fù)荷。前一類負(fù)荷可由經(jīng)驗和統(tǒng)計規(guī)律預(yù)測，后一類主要是電弧爐、往復(fù)式泵、卷揚機、通風(fēng)設(shè)備等，這些負(fù)荷的功率變化周期很短（2周/秒-30周/小時），而且變化隨機，因此無法預(yù)測。,2）電力系統(tǒng)的電壓控制 電力系統(tǒng)中各節(jié)點電壓動態(tài)變化，每時每刻都在隨輸送功率（負(fù)荷）的變化而變化。電力系統(tǒng)電壓控制的首要任務(wù)是控制電力系統(tǒng)中各種無功電源發(fā)出的無功功率總和等于負(fù)荷在額定電壓時消耗的無功功率總和，維持電力系統(tǒng)電壓的總體水平在額定值附近；其次是控制電力系統(tǒng)各結(jié)點電壓在允許的范圍之內(nèi)。 通常所說的電力系統(tǒng)電壓控制主要是針對沖擊性和間歇性負(fù)荷產(chǎn)生的電壓波動采取一些措施限制。如用大容量母線單獨供電、架設(shè)電容器、調(diào)相機和靜止補償器等?？刂频膶ο笫请妷褐袠悬c（某些可反映系統(tǒng)電壓水平的主要發(fā)電廠或樞紐變電站的母線電壓）電壓。,3）電力系統(tǒng)的電壓控制的設(shè)備 發(fā)電機是電力系統(tǒng)中主要無功電源。通過調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流可以調(diào)節(jié)發(fā)電機的端電壓及其輸出的無功功率，從而改變電壓水平。 調(diào)相機的容量可以做的很大，而且調(diào)節(jié)靈活方便，是很好的無功電源。但投資很大，只有在十分必要的場合才安裝。 并聯(lián)電容器和電抗器以及靜止補償器的容量比較小，而且器出力和安裝位置的電壓水平密切相關(guān)，一般只用其改變安裝結(jié)點的電壓和與之相聯(lián)接的線路的無功潮流。 變壓器調(diào)壓，普通變壓器要在停電狀況下進行分解頭操作，有載調(diào)壓變壓器可以帶電調(diào)節(jié)電壓水平，但調(diào)節(jié)幅度較大。,二 電力系統(tǒng)的無功功率控制 電力系統(tǒng)電壓控制的首要任務(wù)是控制電力系統(tǒng)中各種無功電源發(fā)出的無功功率總和等于負(fù)荷在額定電壓時消耗的無功功率總和，維持電力系統(tǒng)電壓的總體水平在額定值附近；其次是無功功率的優(yōu)化控制，優(yōu)化的內(nèi)容有兩個： 負(fù)荷所需的無功功率讓哪些無功功率電源提供最好，即無功電源的最優(yōu)分布問題； 負(fù)荷所需的無功功率是讓已投入運行的無功電源供給好，還是裝設(shè)新的無功電源更好，即無功功率的優(yōu)化補償問題。 優(yōu)化的目的是在保證電壓質(zhì)量的前提下獲得更多的經(jīng)濟效益。,1）無功電源的最優(yōu)分布 前提：負(fù)荷應(yīng)有較高的自然功率因數(shù)（指負(fù)荷本身的功率因數(shù)）。負(fù)荷的自然功率因數(shù)太低會使它消耗的無功大量增加。在這種情況下進行無功補償是非常不經(jīng)濟的。 最優(yōu)分布目標(biāo)函數(shù)： 約束條件：,無功電源最優(yōu)分布準(zhǔn)則： 其中， 是(有功)網(wǎng)損微增率， 是 無功損耗微增。第一式是等網(wǎng)損微增率準(zhǔn)則，第 二式是無功功率平衡關(guān)系式。,例題4-1 兩發(fā)電廠聯(lián)合向一個負(fù)荷供電，如圖，Z1=0.10+j0.40, Z2=0.04+j0.08。設(shè)發(fā)電廠母線電壓為1；負(fù)荷功率SL=PL+jQL=1.2+j0.7，有功部分由兩發(fā)電廠平均分?jǐn)?，試確定無功功率的最優(yōu)分布。,,解：按題意有功、無功功率損耗為,計算各網(wǎng)損微增率,,由網(wǎng)損微增率公式得：,代入數(shù)據(jù)得：,I,由無功功率平衡關(guān)系式：,代入數(shù)據(jù)得：,Q1=0.248 Q2=0.688,2）無功負(fù)荷的最優(yōu)補償 無功負(fù)荷的最優(yōu)補償包括最優(yōu)補償容量、最優(yōu)補償設(shè)備的分布和補償順序的選擇等問題。屬于電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計范疇。 設(shè)在系統(tǒng)某點裝設(shè)無功功率補償設(shè)備所需的費用為Cd則該費用包括三部分： 所裝設(shè)的補償設(shè)備的維修費——正比于補償設(shè)備的投資； 所裝設(shè)的補償設(shè)備的回收費——正比于補償設(shè)備的投資； 所裝設(shè)的補償設(shè)備的能量損耗費——正比于補償設(shè)備的容量；,其中， 為單位補償設(shè)備容量的投資； 為補償設(shè)備的投資； 為維修費系數(shù)； 投資回收率； 為單位補償容量的能量損耗費,設(shè)備所需的費用為Cd可表示為,設(shè)在系統(tǒng)某節(jié)點i裝設(shè)補償設(shè)備后，由于降低網(wǎng)損所能節(jié)約的電能損耗為： 為單位電能損耗的價格； ， 為裝設(shè)補償設(shè)備前后全網(wǎng)最大負(fù)荷下的有功損耗； 為全網(wǎng)最大負(fù)荷小時數(shù)。 該點是否裝設(shè)無功補償?shù)臈l件為： 且 越大越好,得： 其中， 為單位電能損耗的價格 為全網(wǎng)最大負(fù)荷小時數(shù) 上式為最優(yōu)網(wǎng)損微增率。當(dāng)裝設(shè)的補償容量使上式成立使取得經(jīng)濟效益最大；而裝設(shè)補償設(shè)備的先后，則以該節(jié)點的網(wǎng)損微增率大小為序，首先應(yīng)從網(wǎng)損微增率最?。唇^對值最大）的節(jié)點開始。 等網(wǎng)損微增率是無功電源最優(yōu)分布的準(zhǔn)則，而最優(yōu)網(wǎng)損微增率則是衡量無功功率負(fù)荷最優(yōu)補償?shù)脑瓌t。,第三節(jié) 同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng) 的主要任務(wù)和對它的基本要求,勵磁系統(tǒng)組成： 勵磁功率單元 勵磁調(diào)節(jié)器,一 同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的任務(wù) 1.電壓控制,2. 控制無功功率的分配 1）發(fā)電機無功功率控制的原理,2）合理分配并聯(lián)運行發(fā)電機間的無功功率 3.提高同步發(fā)電機并聯(lián)運行的穩(wěn)定性 1）勵磁對靜態(tài)穩(wěn)定的影響,2）勵磁對暫態(tài)穩(wěn)定的影響,4.改善電力系統(tǒng)的運行條件 二 對勵磁系統(tǒng)的基本要求 1.具有十分高的可靠性； 2.保證發(fā)電機具有足夠的勵磁容量； 3.具有足夠的強勵能力； 4.保證發(fā)電機電壓調(diào)差率有足夠的整定范圍； 5.保證發(fā)電機電壓有足夠的調(diào)節(jié)范圍； 6.保證發(fā)電機勵磁自動控制系統(tǒng)具有良好的調(diào)節(jié)特性。,一 直流勵磁機勵磁系統(tǒng) 直流勵磁機：勵磁電流由與發(fā)電機組同軸的直流發(fā)電機供給?？繖C械整流子換向整流，當(dāng)勵磁電流過大時，換向困難，因此這種方式只能在10萬KW以下中小容量機組中采用。按勵磁機繞組供電方式，可分為： 1）自勵直流勵磁機勵磁系統(tǒng)（P47 圖2-13） 2）他勵直流勵磁機勵磁系統(tǒng)（P47 圖2-14）,第四節(jié) 同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng),二 交流勵磁機勵磁系統(tǒng) 交流勵磁機：勵磁電流由與發(fā)電機組同軸的交流同步發(fā)電機經(jīng)大功率整流器整流后供給。這種方式普遍用于100萬KW以上發(fā)電機組中采用。按勵磁機繞組供電方式，可分為： 1）他勵交流勵磁機勵磁系統(tǒng) 根據(jù)整流器的靜止與否分為： a.交流勵磁機靜止整流器勵磁系統(tǒng)（P48 圖2-15） b.交流勵磁機旋轉(zhuǎn)整流器勵磁系統(tǒng)（P49 圖2-16） 2）自勵交流勵磁機勵磁系統(tǒng) a.自勵交流勵磁機靜止可控整流器勵磁系統(tǒng)（P50 圖2-17） b.自勵交流勵磁機靜止整流器勵磁系統(tǒng)（P50 圖2-18）,三 靜止勵磁系統(tǒng)（發(fā)電機自并勵系統(tǒng)） 發(fā)電機勵磁電源不用勵磁機，而由發(fā)電機本身機端勵磁變壓器供給，因此稱為發(fā)電機自并勵系統(tǒng)；裝置采用大功率電子器件，沒有轉(zhuǎn)動部分，因此又稱為靜止勵磁系統(tǒng)。請看課本P51 圖2-19。,第五節(jié) 勵磁調(diào)節(jié)裝置原理,一 勵磁調(diào)節(jié)器的基本特性與框圖,二 半導(dǎo)體勵磁調(diào)節(jié)器工作原理 1）測量比較單元 把發(fā)電機電壓變換為與其成正比的直流電壓，并與給定電壓進行比較，得到兩者的偏差。 組成：測量變壓器、多相整流電路、濾波電路和電壓比較整定電路。,電壓比較整定電路,2）綜合放大單元 作用： 綜合放大各種勵磁控制信號； 改善勵磁自動控制系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)性能指標(biāo)； 輸出移相單元所需的輸入電壓。 要求： 要求能線性無關(guān)的綜合放大輸入信號； 有足夠的運算精度和放大系數(shù)，放大系數(shù)可調(diào)； 響應(yīng)速度快； 工作穩(wěn)定，輸出阻抗低 組成：正競比電路、負(fù)競比電路、信號綜合放大電路和互補輸出電路。,控制信號綜合放大單元原理接線,3）移相觸發(fā)單元 作用：產(chǎn)生相位移動的觸發(fā)脈沖，用來改變整流橋中晶閘管元件的控制角，使其輸出電壓隨控制電壓的大小而改變，從而達到調(diào)節(jié)勵磁組的目的。 要求： 可控硅的觸發(fā)脈沖應(yīng)與可控硅陽極電壓同步； 出發(fā)脈沖的移相范圍要符合相應(yīng)可控硅整流電路； 觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的功率以保證可控元件可靠導(dǎo)通； 觸發(fā)脈沖的上升沿要陡； 觸發(fā)脈沖有足夠的寬度； 保證可控硅元件的控制角一致； 觸發(fā)電路應(yīng)與主電路相隔離；,三 自動勵磁調(diào)節(jié)器中的輔助控制 1）最小勵磁限制,靜態(tài)穩(wěn)定極限下最大有功功率和無功功率的關(guān)系,,2）瞬時電流限制 3）最大勵磁限制,發(fā)電機的靜態(tài)工作特性是指它的輸入電壓和輸出電壓之間的靜態(tài)關(guān)系。,第六節(jié) 同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性,一 發(fā)電機靜態(tài)工作特性,二 發(fā)電機勵磁自動控制系統(tǒng)靜態(tài)特性 勵磁系統(tǒng)和被控對象放在一起考慮就組成了發(fā)電機勵磁自動控制系統(tǒng)。,1．自動調(diào)節(jié)勵磁系統(tǒng)由哪幾部分組成?它在電力系統(tǒng)中的主要作用是什么? 2．對勵磁系統(tǒng)的基本要求是什么? 3．同步發(fā)電機有哪些勵磁方式? 4．說明調(diào)差環(huán)節(jié)作用與特性的獲得。 5．綜合說明半導(dǎo)體自動調(diào)節(jié)勵磁裝置工作原理。 6．說明同步與移相電路的作用與原理。,思 考 題,本章完！,