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第四章 電力系統(tǒng) 電壓和無(wú)功功率自動(dòng)控制,第一節(jié) 電壓和無(wú)功功率控制的必要性,一 .電壓控制的必要性 1）電壓偏移對(duì)電力用戶的影響 異步電動(dòng)機(jī)：轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比，電壓偏移會(huì)影響其出力； 電爐：有功功率與電壓平方成正比，電壓偏移會(huì)影響電爐爐溫； 照明設(shè)備：電壓偏低會(huì)影響其發(fā)光率和亮度，電壓過(guò)高會(huì)影響其壽命； 沖擊負(fù)荷：沖擊負(fù)荷會(huì)引起電壓閃變，會(huì)影響照明設(shè)備。,2）電壓偏移對(duì)電力系統(tǒng)的影響 電廠中的廠用機(jī)械(水泵、送風(fēng)機(jī)、吸風(fēng)機(jī)、磨煤機(jī)等)是由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。電壓下降會(huì)使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，出力減少，并影響廠用機(jī)械的出力。嚴(yán)重時(shí)會(huì)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(wú)功功率嚴(yán)重短缺，電壓水平過(guò)于低下，使某些樞紐變電站的母線電壓運(yùn)行在臨界值之下時(shí)，母線電壓有一微小下降就會(huì)發(fā)生負(fù)荷消耗的無(wú)功功率增加量大于系統(tǒng)向該點(diǎn)供應(yīng)的增加量，使無(wú)功缺額進(jìn)一步下降。如此惡性循環(huán)的結(jié)果，會(huì)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(dòng)機(jī)自動(dòng)切除，某些發(fā)電機(jī)組失步，導(dǎo)致系統(tǒng)解列或大面積停電。,二 .電力系統(tǒng)無(wú)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(yùn)行，就要控制電力系統(tǒng)中無(wú)功電源發(fā)出的無(wú)功功率等于電力系統(tǒng)負(fù)荷在額定電壓時(shí)所需消耗的無(wú)功功率。如果不滿足該條件，電力系統(tǒng)就會(huì)偏離額定電壓運(yùn)行。 2）提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性 選用哪種無(wú)功電源，安裝在何處都十分重要。不僅會(huì)影響到電壓質(zhì)量，而且還會(huì)有經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題。 3）維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定 合理的選用發(fā)電機(jī)的勵(lì)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(wú)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(wú)功負(fù)荷 電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的電壓變化主要是由負(fù)荷無(wú)功功率變化引起的。電力系統(tǒng)無(wú)功負(fù)荷主要有兩類：一類是變化周期長(zhǎng)、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(yàn)和統(tǒng)計(jì)規(guī)律預(yù)測(cè)，后一類主要是電弧爐、往復(fù)式泵、卷?yè)P(yáng)機(jī)、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(shí)），而且變化隨機(jī)，因此無(wú)法預(yù)測(cè)。,2）電力系統(tǒng)的電壓控制 電力系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)電壓動(dòng)態(tài)變化，每時(shí)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(wú)功電源發(fā)出的無(wú)功功率總和等于負(fù)荷在額定電壓時(shí)消耗的無(wú)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(diǎn)電壓在允許的范圍之內(nèi)。 通常所說(shuō)的電力系統(tǒng)電壓控制主要是針對(duì)沖擊性和間歇性負(fù)荷產(chǎn)生的電壓波動(dòng)采取一些措施限制。如用大容量母線單獨(dú)供電、架設(shè)電容器、調(diào)相機(jī)和靜止補(bǔ)償器等?？刂频膶?duì)象是電壓中樞點(diǎn)（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(jī)是電力系統(tǒng)中主要無(wú)功電源。通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流可以調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的端電壓及其輸出的無(wú)功功率，從而改變電壓水平。 調(diào)相機(jī)的容量可以做的很大，而且調(diào)節(jié)靈活方便，是很好的無(wú)功電源。但投資很大，只有在十分必要的場(chǎng)合才安裝。 并聯(lián)電容器和電抗器以及靜止補(bǔ)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(diǎn)的電壓和與之相聯(lián)接的線路的無(wú)功潮流。 變壓器調(diào)壓，普通變壓器要在停電狀況下進(jìn)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(wú)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(wú)功電源發(fā)出的無(wú)功功率總和等于負(fù)荷在額定電壓時(shí)消耗的無(wú)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(wú)功功率的優(yōu)化控制，優(yōu)化的內(nèi)容有兩個(gè)： 負(fù)荷所需的無(wú)功功率讓哪些無(wú)功功率電源提供最好，即無(wú)功電源的最優(yōu)分布問(wèn)題； 負(fù)荷所需的無(wú)功功率是讓已投入運(yùn)行的無(wú)功電源供給好，還是裝設(shè)新的無(wú)功電源更好，即無(wú)功功率的優(yōu)化補(bǔ)償問(wèn)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(jì)效益。,1）無(wú)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(huì)使它消耗的無(wú)功大量增加。在這種情況下進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償是非常不經(jīng)濟(jì)的。 最優(yōu)分布目標(biāo)函數(shù)： 約束條件：,無(wú)功電源最優(yōu)分布準(zhǔn)則： 其中， 是(有功)網(wǎng)損微增率， 是 無(wú)功損耗微增。第一式是等網(wǎng)損微增率準(zhǔn)則，第 二式是無(wú)功功率平衡關(guān)系式。,例題4-1 兩發(fā)電廠聯(lián)合向一個(gè)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(wú)功功率的最優(yōu)分布。,,解：按題意有功、無(wú)功功率損耗為,計(jì)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(wú)功功率平衡關(guān)系式：,代入數(shù)據(jù)得：,Q1=0.248 Q2=0.688,2）無(wú)功負(fù)荷的最優(yōu)補(bǔ)償 無(wú)功負(fù)荷的最優(yōu)補(bǔ)償包括最優(yōu)補(bǔ)償容量、最優(yōu)補(bǔ)償設(shè)備的分布和補(bǔ)償順序的選擇等問(wèn)題。屬于電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)范疇。 設(shè)在系統(tǒng)某點(diǎn)裝設(shè)無(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)備所需的費(fèi)用為Cd則該費(fèi)用包括三部分： 所裝設(shè)的補(bǔ)償設(shè)備的維修費(fèi)——正比于補(bǔ)償設(shè)備的投資； 所裝設(shè)的補(bǔ)償設(shè)備的回收費(fèi)——正比于補(bǔ)償設(shè)備的投資； 所裝設(shè)的補(bǔ)償設(shè)備的能量損耗費(fèi)——正比于補(bǔ)償設(shè)備的容量；,其中， 為單位補(bǔ)償設(shè)備容量的投資； 為補(bǔ)償設(shè)備的投資； 為維修費(fèi)系數(shù)； 投資回收率； 為單位補(bǔ)償容量的能量損耗費(fèi),設(shè)備所需的費(fèi)用為Cd可表示為,設(shè)在系統(tǒng)某節(jié)點(diǎn)i裝設(shè)補(bǔ)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(jià)格； ， 為裝設(shè)補(bǔ)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(shí)數(shù)。 該點(diǎn)是否裝設(shè)無(wú)功補(bǔ)償?shù)臈l件為： 且 越大越好,得： 其中， 為單位電能損耗的價(jià)格 為全網(wǎng)最大負(fù)荷小時(shí)數(shù) 上式為最優(yōu)網(wǎng)損微增率。當(dāng)裝設(shè)的補(bǔ)償容量使上式成立使取得經(jīng)濟(jì)效益最大；而裝設(shè)補(bǔ)償設(shè)備的先后，則以該節(jié)點(diǎn)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(duì)值最大）的節(jié)點(diǎn)開(kāi)始。 等網(wǎng)損微增率是無(wú)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(wú)功功率負(fù)荷最優(yōu)補(bǔ)償?shù)脑瓌t。,第三節(jié) 同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng) 的主要任務(wù)和對(duì)它的基本要求,勵(lì)磁系統(tǒng)組成： 勵(lì)磁功率單元 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器,一 同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的任務(wù) 1.電壓控制,2. 控制無(wú)功功率的分配 1）發(fā)電機(jī)無(wú)功功率控制的原理,2）合理分配并聯(lián)運(yùn)行發(fā)電機(jī)間的無(wú)功功率 3.提高同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的穩(wěn)定性 1）勵(lì)磁對(duì)靜態(tài)穩(wěn)定的影響,2）勵(lì)磁對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定的影響,4.改善電力系統(tǒng)的運(yùn)行條件 二 對(duì)勵(lì)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(jī)具有足夠的勵(lì)磁容量； 3.具有足夠的強(qiáng)勵(lì)能力； 4.保證發(fā)電機(jī)電壓調(diào)差率有足夠的整定范圍； 5.保證發(fā)電機(jī)電壓有足夠的調(diào)節(jié)范圍； 6.保證發(fā)電機(jī)勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)具有良好的調(diào)節(jié)特性。,一 直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng) 直流勵(lì)磁機(jī)：勵(lì)磁電流由與發(fā)電機(jī)組同軸的直流發(fā)電機(jī)供給?？繖C(jī)械整流子換向整流，當(dāng)勵(lì)磁電流過(guò)大時(shí)，換向困難，因此這種方式只能在10萬(wàn)KW以下中小容量機(jī)組中采用。按勵(lì)磁機(jī)繞組供電方式，可分為： 1）自勵(lì)直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)（P47 圖2-13） 2）他勵(lì)直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)（P47 圖2-14）,第四節(jié) 同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng),二 交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng) 交流勵(lì)磁機(jī)：勵(lì)磁電流由與發(fā)電機(jī)組同軸的交流同步發(fā)電機(jī)經(jīng)大功率整流器整流后供給。這種方式普遍用于100萬(wàn)KW以上發(fā)電機(jī)組中采用。按勵(lì)磁機(jī)繞組供電方式，可分為： 1）他勵(lì)交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng) 根據(jù)整流器的靜止與否分為： a.交流勵(lì)磁機(jī)靜止整流器勵(lì)磁系統(tǒng)（P48 圖2-15） b.交流勵(lì)磁機(jī)旋轉(zhuǎn)整流器勵(lì)磁系統(tǒng)（P49 圖2-16） 2）自勵(lì)交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng) a.自勵(lì)交流勵(lì)磁機(jī)靜止可控整流器勵(lì)磁系統(tǒng)（P50 圖2-17） b.自勵(lì)交流勵(lì)磁機(jī)靜止整流器勵(lì)磁系統(tǒng)（P50 圖2-18）,三 靜止勵(lì)磁系統(tǒng)（發(fā)電機(jī)自并勵(lì)系統(tǒng)） 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電源不用勵(lì)磁機(jī)，而由發(fā)電機(jī)本身機(jī)端勵(lì)磁變壓器供給，因此稱為發(fā)電機(jī)自并勵(lì)系統(tǒng)；裝置采用大功率電子器件，沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)部分，因此又稱為靜止勵(lì)磁系統(tǒng)。請(qǐng)看課本P51 圖2-19。,第五節(jié) 勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置原理,一 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的基本特性與框圖,二 半導(dǎo)體勵(lì)磁調(diào)節(jié)器工作原理 1）測(cè)量比較單元 把發(fā)電機(jī)電壓變換為與其成正比的直流電壓，并與給定電壓進(jìn)行比較，得到兩者的偏差。 組成：測(cè)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(lì)磁控制信號(hào)； 改善勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)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(wú)關(guān)的綜合放大輸入信號(hào)； 有足夠的運(yùn)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(jìng)比電路、負(fù)競(jìng)比電路、信號(hào)綜合放大電路和互補(bǔ)輸出電路。,控制信號(hào)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(dòng)的觸發(fā)脈沖，用來(lái)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(dá)到調(diào)節(jié)勵(lì)磁組的目的。 要求： 可控硅的觸發(fā)脈沖應(yīng)與可控硅陽(yáng)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(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中的輔助控制 1）最小勵(lì)磁限制,靜態(tài)穩(wěn)定極限下最大有功功率和無(wú)功功率的關(guān)系,,2）瞬時(shí)電流限制 3）最大勵(lì)磁限制,發(fā)電機(jī)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(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性,一 發(fā)電機(jī)靜態(tài)工作特性,二 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)靜態(tài)特性 勵(lì)磁系統(tǒng)和被控對(duì)象放在一起考慮就組成了發(fā)電機(jī)勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)。,1．自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)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(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)的基本要求是什么? 3．同步發(fā)電機(jī)有哪些勵(lì)磁方式? 4．說(shuō)明調(diào)差環(huán)節(jié)作用與特性的獲得。 5．綜合說(shuō)明半導(dǎo)體自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁裝置工作原理。 6．說(shuō)明同步與移相電路的作用與原理。,思 考 題,本章完！,