电力系统电压和无功功率控制要点.docx

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电力系统电压和无功功率控制要点

第五章电力系统电压和无功功率控制

第一节电网电压和无功功率控制的必要性

一、电压无功控制与频率有功控制的不同点

1类型不同：

有功电源：

发电机；无功电源：

发电机、调相机、电容器、电抗器。

2位置不同：

有功电源：

集中在电厂；无功电源：

分散在电厂、变电站。

3能源消耗：

有功电源：

消耗能源；无功电源：

不消耗能源，仅产生小损耗。

4电网损耗不同：

电网设备主要消耗无功功率，其有功损耗远小于电网无功损耗。

5调节方式不同：

全系统频率相等，调整手段仅调整原动机功率一种；电压在电网各点不同，调压手段多种，可分散调节。

二、电压对电力用户的影响

对电力用户的影响

①电压过低：

（起重机、碎石机、磨煤机等）异步机转矩下降，影响拖动能力；异步机转速下降，影响产品质量；电炉功率下降，增加冶炼的时间和产量；照明设备的发光率和亮度下降。

②电压过高：

影响电气设备的绝缘寿命；增大电机变压器的铁芯损耗，温度增高，寿命减短；照明设备的寿命急剧下降。

③电压闪变：

冲击负荷产生的电压突然下降和恢复，对附近电能用户产生不利影响。

对电力系统的影响

①电压过低：

厂用电机械（异步机）转矩下降及转速下降，影响电厂的正常发电；增大电网功率损耗和能量损耗；在无功功率严重不足的系统可能引起“电压崩溃”现象。

②电压过高：

直接影响到高压输电设备的绝缘寿命；增大变压器的铁芯损耗，温度增高，寿命减短。

三、电力系统无功功率控制的重要性

1、维持电网电压水平

对于上图简单电力系统，可得出其向量图：

由向量图得：

sincoscossincossinsin（coscosqqqqqEUEIXPUIUUXXXEUIXUQUIUUEUXXXQXUEUUδϕϕδδϕϕδδ⎫==⋅=⋅=⎪⎪−⎪==⋅=⋅=−⎬⎪⎪∆=−=⎪⎭

上面第三式中的U∆其大小取决于无功功率以及网络参数（分母U可近似认为是额定电压不变）。

QX当无功负荷增加，则电压损耗QU∆增大，电压U下降，如此时增大发电机励磁，使增大，则可抵消的增加，使U保持不变；反之亦然。

qEU∆上面第二式可近似认为cos1δ≈，与U为近似的Q。

电力系统的无功功率负荷：

异步电动机。

其无功电压特性也可用二次特性表示。

如下图：

其中：

曲线1：

负荷的电压无功特性；

曲线1’：

无功负荷增大时的电压无功特性;曲线2：

电网的电压无功特性；

曲线2’：

增大后的电网电压无功特性

qE

A点为平衡点。

当无功负荷增加→曲线1变为曲线1’。

如果qE；如增大则曲线2变为曲线2’qE

结论：

①电网电压水平，靠无功功率平衡维持。

②无功功率平衡：

系统无功出力应等于额定电压下

的无功损耗与负荷无功功率之和。

③系统无功平衡原则：

就地平衡。

④无功远距离传输导致：

有功损耗、电压损耗。

2、维持电网运行的经济性：

通过合理的电源配置以及运行方式等方面减少无功流动，降低网损。

3、维持电力系统稳定性

通过快速励磁、强磁等措施维持机端电压，缩短电气距离，对静态稳定和暂态稳定都有积极的作用。

电力系统稳定器（PSS）抑制电网低频振荡。

第二节同步发电机励磁控制系统基本原理

一、励磁系统的原理构成

励磁系统组成：

励磁功率单元＋励磁调节器反馈控制系统：

三部分构成：

①发电机：

由转子的励磁电流（直流）LI产生旋转磁场在定子绕组中感应出空载电势，该电势将影响系统电压水平和无功功率。

qE②励磁调节器：

根据输入信号（机端电压、电流）和给定调节准则，控制励磁功率单元的输出。

③励磁功率单元：

向发电机转子提供直流励磁电流，控制发电机空载电势。

励磁控制系统定义：

根据机端电压、电流等信号按照一定的调节准则向发电机转子提供励磁电流的具有反馈功能的自动装置。

二、同步发电机励磁控制系统的主要任务

1.电压控制

基本方程式：

GqGdUjIxE••+=•

dIx由矢量图可得：

cosqGGqEUδ=+

一般cos1Gδ≈，故：

qGqdEUIx≈+

该式反映：

空载电势（励磁电流）、端电压、无功电流（负荷无功电流或功率）之间的关系。

qEGUqI

发电机的外特性：

当励磁电流一定时候，发电机端电压和无功电流之间关系的曲线。

实际外特性曲线：

（可简化为直线）

结论：

①负荷无功电流（功率）增大将导致发电机端电压的下降。

②为了维持发电机端电压恒定，励磁电流应随负荷无功电流的变化而变化。

（调节励磁电流可调整端电压高低，以适应负荷无功的变化，故励磁调节器可称为调压器；或者说发电机端电压的变化是因为无功负荷的变化引起）

2.无功控制与分配

1发电机直接并入系统

（qXqdlEUIxx≈++

并入系统时，系统电压保持不变，即XNUU=

调节励磁电流（即改变）的作用：

改变无功电流（无功功率出力）大小，同时也改变发电机端电

压的大小。

qEqIGU综合结论：

1实际运行的发电机组，既不是单机运行，也不是直接接入无穷大系统母线，母线电压随（无功）负荷变化而波动。

改变发电机励磁电流的大小，既可以控制母线电压大小，也可控制发电机无功出力的多少。

2从物理过程看，改变发电机的励磁电流大小将直接改变发电机空载电势大小，再影响到系统潮流的变化。

至于改变的多少由系统结构和运行方式来决定，要满足全系统的电压方程和电流方程。

2并联运行的发电机组间的无功功率分配

当电网需要的无功负荷增加时，电压由1MU降到2MU，两台发电机各增加无功出力1QI∆和2QI∆，由于外特性斜率不等，1Q2QII∆≠∆，不符合并联运行机组标幺

值增量相等的原则。

励磁调节器作用：

使得并联运行的发电机外特性一致，可通过励磁调节器的调差环节来实现

3.提高发电机并网运行的稳定性

1励磁对静态稳定的影响静态稳定：

电力系统在正常运行状态下，经受微小扰动后恢复到原来运行状态的能力。

发电机输出功率为：

sinqGEU

PXδ∑=（功角特性曲线）∑=XUEPqm

二个方面体现（简单理解，详细内容见电力系统稳定书籍）：

①缩短电气距离X∑恒定，'

qEGU或者电抗'

dXdX减小为（暂态电抗）甚至为0，从而提高静稳功率极限和输送功率。

②提高最大功率极限角maxδ：

快速励磁调节装置

可保持恒定，由于与U之间的夹角'qEGU或者'qEGU或者Gδ小于δ，因此当Gδ等于90°时，δ大于90°。

最大功率极限角越大，则系统的静态稳定系数越高。

2励磁对暂态稳定的影响暂态稳定：

电力系统在正常运行状态下突然经受大扰动后，能否过渡到新的稳定状态或恢复到原来运行状态的能力。

其中：

I：

故障前正常状态

II：

故障时的功率曲线

III：

故障切除后

暂态过程简述：

大干扰（故障）发生后，一般发电机电压降低，使得电磁输出功率急剧减小，即功率输不出去，同时机械功率来不及改变，产生加速力矩（abce）；故障快速切除（c），可使得电压恢复（d），电磁输出功率增大，可产生减速力矩（dgfe），则系统就能经过短时摇摆后达到稳定状态，恢复同步。

影响减速面积大小的因素：

故障切除时间短（减

小加速面积）、强行励磁及其上升时间（减小加速面积和增大减速面积）。

4.改善电网运行条件

1改善异步电动机的自启动调节：

故障后强行励磁作用可加速电压的恢复过程，改善异步机的自启动条件（需吸收大量无功）；

2为同步发电机异步运行创造条件；

3提高继电保护装置动作的正确性。

5.水轮发电机强行减励磁：

突然甩负荷，为防止水锤效应，不能快关导水叶。

这样转速升高，使得发电机电压高，采用强行减励磁可降低电压。

三、对励磁系统的基本要求

1.足够的无功调整容量（强励能力）

为保证系统电压恒定或向系统提高足够的无功功率，励磁系统必须有足够的无功调整容量（励磁电压、电流）。

强励：

发电机端电压下降较多时，励磁系统快速将励磁电流和电压升到顶值的一种行为。

故障或重要的无功电源意外退出后，端电压急剧下降，采取强励。

强励的三个指标（大小、上升速度、允许时间等）：

励磁定值电压、励磁允许强励时间、励磁允许标称时

间。

2.很快的响应速度

励磁系统的响应速度取决于：

励磁功率单元＋励磁调节器。

3.高可靠性

故障率低。

励磁系统一旦退出，将改为手动调压或机组退出。

第三节励磁功率单元（励磁机系统）

一、励磁功率单元概述定义：

用于提供同步发电机转子回路（直流）励

注意：

1直流发电机：

磁场由定子产生，而直流功率输出的电枢在转子上，必须通过换向整流输出。

2交流发电机：

磁场由转子产生，直流电流必须通过炭刷和滑环才能送入转子的励磁绕组中。

源励磁。

1励直流励磁机、它励直流励磁机

2Æ整流电路Æ直流、交流变压器电源（自并励、自复励）；整流电路：

旋转、静止整流；可控、不可控

因此，交流励磁方式可结合交流电源和整流电路构成多种交流励磁方式。

应用：

直流励磁用于早期的小容量发电机组，交

流励磁是现代发电机组的主要励磁方式。

发展阶段示意图：

二、直流电源励磁方式

出现原因：

早期的整流设备不能输出较大的直流功率。

1.自励直流励磁机

结构特点：

①一个励磁机与发电机同轴转动

②励磁机的励磁电流由二部分构成：

自励励磁机输出直流（大）＋励磁调节器整流后的直流（小）

③发电机励磁电流：

由励磁机输出调节特点：

调节能力差：

因调节器供给电流部分占小部分，而励磁机输出部分由磁场变阻器Rc手动调节。

应用：

主要用于火电厂汽轮发电机

2.它励直流励磁机

:

结构特点：

①二个励磁机（主励磁机、副励磁机与发电机同轴转动，副励磁机负责供给主励磁机励磁电流，以提高励磁速度。

②主励磁机的励磁电流同样二部分构成：

副励磁机输出直流＋励磁调节器整流后的直流

③发电机励磁电流：

由主励磁机供给。

调节特点：

调节能力差：

较自励直流励磁机要好。

因自励直流励磁机的励磁电流和端电压有相互作用关系，时间常数大。

应用：

用于水电厂的水轮发电机组。

3.直流励磁的不足

①可靠性差：

炭刷、换向器等维护量大

②容量小：

换向器输出电流的限制，不能满足大容量发电机。

③价格高：

高于交流励磁机（或整流方式）。

④调节性能差：

速度慢、手动调节。

自20世纪70年代后的机组不再采用直流励磁方式。

三、交流电源励磁方式结合交流电源和整流电路，主要有三种交流励磁方式：

1.它励交流励磁机（静止整流）

结构特点：

①二个励磁机（主励磁机、副励磁机与发电机同轴转动，副励磁机负责供给主励磁机励磁电流。

有三个励磁整流回路：

副励磁机、主励磁机、发电

②副励磁机采用自励方式，主励磁机的励磁电流由副励磁机供给，励磁调节器控制可控硅的控制角调节大小，从而控制发电机的励磁电流大小。

实现快速励磁调节的措施包括：

采用高频交流励磁机（高频整流后直流的波纹减小，主励磁机频率100Hz，副励磁机400或500Hz）；交流励磁机采用叠片式转子（不用实心转子），存在的问题：

滑环和炭刷存在，大容量发电机的大电流励磁会有困难。

2.

结构特点：

①副励磁机：

永磁发电机，（永磁）磁极旋转，电枢静止；

②主励磁机：

（反过来），励磁绕组在定子上是静止的，电枢、硅整流是旋转的；

③发电机：

励磁绕组在转子上，直接接收旋转的主励磁机输出的整流后的电流。

励磁调节：

通过调节主励磁机的励磁电流实现。

优点：

无炭刷和滑环，发电机励磁容量可很大，维护量减小，电机绝缘寿命长。

转子回路测量困难，对整流器、快速熔断器要求承受高速离心力

3.静止励磁（自并励）

功率晶闸管整流后供给。

自并励：

发电机自己供给励磁电流静止励磁：

无旋转部分优点：

结构简单、励磁响应速度快、可靠性高、缩短主轴长度，发电机甩负荷时过电压低（因为励磁电压与转速一次方成正比，而同轴励磁机的励磁电压则与其平方成正比）缺点：

机端短路时电压低，导致励磁电压不足。

应用：

用于大中型的水轮发电机。

第四节自动励磁调节器的基本原理

一、励磁调节器的调节特性

调节器的基本功能：

维持发电机端电压基本不

变（5%范围内），保证并联机组间无功电流的合理分配。

GU无功负荷增加或端电压下降，需要增加发电机励磁电流。

因此，励磁调节器的特性应该为：

随着发电机端电压的下降，励磁电流应上升。

原始手工调压示意图：

输入：

发电机端电压

GU输出：

励磁机的励磁电流或者转子电流，称为VARI。

比例式调节器的调节特性：

~LGIU关系曲线

（~fafUUb：

最大电压变化范围

（~LbLaII：

最大励磁电流变化范围

二、励磁调节器的原理组成

自动励磁系统的基本原理框图：

典型的晶闸管自动励磁调节器原理框图：

1基本环节包括：

测量、放大、同步、触发。

2辅助控制：

是为满足发电机不同工况，改善电力系

统稳定性，改善励磁控制系统动态特性而设置的单元。

3当自动励磁调节器退出后，由自动切换装置将手控

单元投入。

三、励磁调节器的静态特性合成

励磁调节器的简化框图：

调节器静态特性合成示意图：

a测量单元的工作特性：

1（deGREFUKUU=−

式中：

—测量单元的放大系数；

1KREFU—发电机电压的整定值。

b综合放大单元特性：

1SMdeUKU=

式中：

—放大单元的放大系数；

2Kc移相触发、可控硅整流：

34VARSMUKKU=

式中：

－移相触发、可控整流的放大系数。

3KK、4励磁调节器的静态特性：

（~AVRLGUIUVARG

UKU∆=∆或静态放大系数：

1234VARdeSMVARGGdeSMUUUUKKUUUUKKKαα∆∆∆∆∆===∆∆∆∆∆ii

第五节励磁控制系统的静态特性调整

一、电压调差率（电压调差系数）

励磁调节器的静态（调节）特性：

~LGIU同步发电机的调整特性：

~LqI

I

发电机的外特性曲线：

~GqU

I

外特性曲线表明：

当变化时，端电压基本不变（自

动励磁调节），但略有向下倾斜。

qIGU（电压）调差系数定义：

12%100%GGGN

UUUδ−=×其中：

－空载电压；

1GU2GU－带额定无功电流时的发电机电压。

调差系数是表征发电机励磁控制系统运行特性的重要参数。

表明了发电机无功电流从零增加到额定值时，发电机电压的相对变化量大小。

调差系数越小，无功电流变化时，其端电压的变化也越小，表征了励磁系统维持发电机电压的能力。

调差系数与励磁系统放大倍数的关系：

121234（''1'1='qGGGGGLGNqGNqLqGLffIUUUUUIKKUIUIIUKKIKKKKKKKδ∑⎛⎞∆⎛⎞−∆∆∆∆===⎜⎟⎜⎟⎜⎟∆∆∆⎝⎠⎝⎠⎡⎤∆=∝⎢⎥∆⎣⎦＝I∆

调差系数与励磁系统总放大系数成反比。

二、调差系数的调整

对自动励磁调节器工作特性进行调整，主要是为了满足运行方面的要求：

①保证并列运行发电机组间无功电流的合理分配，即改变调差系数；

②保证发电机能平稳的投入和退出工作，平稳的改变无功负荷，而不发生无功功率的冲击现象，即上下平移无功调节特性。

当调差系数δ>0，即为正调差系数，表示发电机外特性下倾；当调差系数δ<0，即为负调差系数，表示发电机外特性上翘；当调差系数δ=0，即为无差调节。

在实际运行中，发电机一般采用正调差系数（3~5％）。

负调差系数主要是用来补偿变压器阻抗上的压降，使发电机-变压器组的外特性下倾度不致太厉害，这对于大型机组是必要的。

无差调节不能使并联的发电机稳定运行，也不能在并联机组间合理分配无功功率。

通过改变调节器的放大倍数，可改变调差系数，可达1%

调差系数大小和正负（不改变调节器内部元件结构）。

调差单元的调整原理

在测量元件的输入量中，除外，再增加一个与

无功电流成正比的分量，即GUqIGUKIδq±，就获得调整

调差系数的效果。

两相式正调差接线

通过调差接线后，测量的电压变为：

c

aaabbacccUURIUUUURI••••

••••⎧′=+⎪⎪′=⎨⎪′⎪=−⎩

1）当cos0ϕ=时，测量单元输入电压上升，励磁

电流将减小，迫使发电机电压下降，其外特性的下倾度加强。

2）当cos1ϕ=时，测量单元输入有变化，但幅值

相差不多，故可以近似的认为调差装置不反映有功电流的变化。

3）当0cos1ϕ<<时，发电机电流均可以分解为有

功分量和无功分量。

可以忽略有功分量对调差的影响，故只要计算其中无功电流的影响即可。

正调差接线，人为增大了输入电压，使外特性出现下倾特性（δ>0）二相式负调差接线，其极性关系为：

c

aaabbacccUURIUUUURI••••

••••⎧′=−⎪⎪′=⎨⎪′⎪=+⎩

同理，负调差接线可人为减小输入电压，使外特性出现上翘特性（δ<0）。

调差单元功能：

①正、负调差系数可以通过改变调差接线极性来

获得。

②通过改变的大小，可以改变调差系数δ

的大小。

aRR、c

三、发电机电压调节特性的平移平移的目的：

调整发电机并网和退出运行时的无功功率的大小。

曲线平移：

通过改变励磁调节器测量环节中的可调电阻实现。

①退出运行：

无功电流从→→0，调节特性曲

线从1→2→3，无功电流将减小到零。

2QI2QI②投入运行：

调节特性从3的位置向上移动，使无功电流逐渐增加到运行的要求值。

③其它情况（如无功负荷的变动、并联运行的无功出力分配）的无功调节，由外特性曲线自动调整。

第六节同步发电机微机励磁控制系统简介微机励磁系统：

20世纪90年代后广泛应用。

特点：

①②③运行维护方便：

通过人机界面实现。

一、硬件结构

微机励磁调节系统：

微机励磁调节器＋励磁功率单元触发电路、并行I/O接口和显示接口。

自并励微机控制励磁系统原理框图如下所示

①数据采集

GGGGUIPQfI、、、、、L→采样A/D→总线→

CPU

②工控微机

CPU、ROM、RAM、总线、接口芯片等。

③同步和数字触发电路

将表征可控硅控制角大小的数字量，转换成模拟量的触发脉冲，以控制可控硅整流桥的导通和截至。

原理框图如下：

④并行I/O接口和显示接口

并行I/O：

外部中断、机组启停、开关量输入等

人机接口：

显示数据（实时控制角、调差压降等、命令

二、软件结构

主程序＋调节控制程序（中断服务程序）主程序流程图：

1系统初始化：

中断、I/O、模拟量采集等的初始设置。

开机条件判别及开机前设置流程图：

2开中断：

表示启动调节控制程序的运行。

3故障检测及检测设置：

PT断线判别、工作电源检测、硬件检测信号、自恢复等。

4人机接口显示：

发电机、励磁调节器的参数显示、参数整定设置（如PID参数、调差参数等）、试验等

三、调节控制程序

调节控制程序流程：

中断服务程序：

对于可控硅全控桥式整流电路，每个周期触发6次，中断间隔时间为3.3ms。

同步信号：

由同步和数字触发电路产生，表示励磁电源工作正常以及是否执行调节控制程序的标志。

空载逆变灭磁条件（有一个成立即可）：

①有停机命令；

②发电机端电压大于1.3倍额定电压；

③发电机频率低于45Hz

1、电压调节计算

三个环节：

采样、调差、PID计算

输出：

可控硅的控制角（表示励磁电压大小）。

调差计算：

相当于模拟式的调差单元作用。

PID算法：

（（（（（（PIDGGD

detYtKetKetdtKdtetUtU⎧=++⎪⎨⎪=−⎩∫i

（Yt－调节计算的输出；

GDU－发电机电压的给定值；

（GUt－发电机端电压；

PIKKK、、D－比例系数、积分系数、微分系数。

2、励磁电流的限制

励磁电流限制：

保证发电机组的安全稳定运行。

①强励定时限或反时限限制

机端电压在降到0.8以下强励动作，但长时间强行励磁产生的大电流会导致励磁功率单元、发电机、主设备等过热，危及安全运行。

措施：

在规定时间内强励运行，超过规定时间强行减到允许的最大励磁电流允许。

（强励定时限制）强励反时限限制：

②过励限制

防止发电机定子过热（高功率因数运行）和转子过热（低功率因数运行）。

发电机组应按照过励限制曲

线a内运行。

当无功超过曲线后的一定时间内必须减励磁。

③欠励限制

进相运行时的限制，防止电枢端部铁芯过热。

按照上面曲线b运行。

当无功超过曲线后的一定时间内必须减励磁。

④发电机最大磁通限制（V/F限制）

V/Hz（伏/赫）限制器，用于在空载运行转速不稳，或停机转速下降时，此时端电压下降，励磁系统将增

加励磁，可能导致磁路过饱和，导致发电机及与其相连的主变压器铁心饱和而引起的过热。

通过判定f的大小以调整电压给定值，防止发电机的端电压与频率的比值过高

a1ff>时，正常运行；

b2fff>>时，降低电压给定值；

GDUc1ff<时，逆变灭磁。

第七节电网电压控制和无功功率控制措施电压控制：

与单一的频率控制不一样，要保证系统各个点的电压水平，需要：

1充足的无功电源；

2各种调压措施的采用。

调压措施包括：

1控制调节发电机励磁电流，改变机端电压（机端调压）；

2改变变压器变比K1和K2（变比调压）；

3改变输送功率的分布P＋jQ（主要是Q）（并联补偿）；

4改变网络参数R+jX（主要是X），减小线路电压损耗（串联补偿）。

一、发电机调压

发电机是电网中唯一的的有功电源，基本的无功电源。

无功出力大小由发电机的P－Q曲线确定。

P-Q发电曲线的限制说明：

1定子绕组温升限制：

视在功率不大于额定值（曲线S之内）。

2励磁绕组温升限制：

空载电势不大于额定值（曲线F之内，低功率因数）。

3原动机功率限制：

原动机功率等于额定功率（直线BC之下，高功率因数）。

4进相运行（欠励磁）的约束包括二个方面：

a随电流相位逐步超前于电压，定子端部漏磁磁密值响应增加，引起温度逐渐升高。

b（当功率角90δ°＝）可得到发电机有功功率极限Pm和无功功率极限Qm之间的圆关系方程。

圆点在正向Q轴上，将影响进相深度。

结论：

1发电机在额定的电压、电流、功率因数下运行，

视在功率才能达到额定值；

2当功率因数低于额定功率因数