1、电力系统自动化教案（初稿、节选）课程名称：电力系统自动化学时：40；上课：36；实验：4。教 材：电力系统自动化 ，商国才编著，天津大学出版社，1999.6。参考书：电力系统自动化 ，李先彬主编，水利电力出版社，1995。电力系统自动装置原理 ，杨冠城主编，水利电力出版社，1995本课程的教学内容：绪论：电力系统自动化的重要性，本课程的主要内容及其特点。电力系统频率和有功功率的自动控制：负荷的频率调节效应，调速系统的静态调节特性，一次调频和二次调频，电力系统的自动调频与自动发电控制（AGC） 。电力系统电压和无功功率的自动控制：励磁控制系统的主要任务及对磁控制系统的基本要求，磁方式分类，起励、
2、灭励、强励、强减，励磁调节器基本构成，励磁控制系统的静态调节特性，电压调差系数，调差装置。 同步发电机的并列操作：准同期并列与自同期并列，准同期并列的整定计算，自动准同期装置的基本构成原理。 电力系统自动低频减载：电力系统频率的动态特性，自动低频减载的基本原理，低频减载整定计算的原则。 电力系统调度自动化概论：调度自动化系统的基本构成与工作原理，调度自动化的主要功能，调度自动化系统的现状与趋势。第一章 绪论学习目标：了解电力系统自动化课程的特点和涉及的学科，总体把握课程学习方法，了解电力系统的运行状态及其特征。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
3、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。1.1 电力系统自动化的发展阶段一、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、发电机自动调压和自动调速装置等）、远距离信息装置（即远动装置）单一功能自动化的特点是：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
4、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。二、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工作。1.2 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式约束条件二、电力系统运行状态及相应的调度控制第二章 电力系统调度自动化学习目标：了解调度自动化系统的基本构成与工作原理，调度自动化的主要功能，调度自动化系统的现状与趋势。2.1 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
5、力系统潮流优化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2.2 远动和信息传输设备的配置和功能参考电力系统远动课程2.3 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。2.4 电力系统的分层调度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
6、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、统计业务省调度中心（省调）：1.省网负荷预测并按经济原则作出省网
7、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.统计业务第三章 电力系统的频率和有功功率自动控制学习
8、目标：负荷的频率调节效应，调速系统的静态调节特性，一次调频和二次调频，电力系统的自动调频与自动发电控制（AGC） 。电力系统频率的动态特性，自动低频减载的基本原理，低频减载整定计算的原则。3.0 概述f=pn/60式中 f发电机频率，HZP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。3.1 频率、有功控制的必要性一、 电力系统频率控制的必要性频率是电能质量的重要指标之一1、频率对电力用户的影响1）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）对加工机械的转速要求很
9、高，转速不稳定会影响产品质量，甚至会出现次品和废品。2）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。3）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。2、率对电力系统的影响1）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。2）下降到 4748Hz 时，由异步电动机驱动的送风机、吸风机、给水泵、循环水泵和磨媒
10、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。3）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。4）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
11、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。二、 力系统有功功率控制的必要性1、维持电力系统频率在运行范围之内电力系统频率是靠电力系统内并联运行地所有发电机组发出的有功总和与系统内所有负荷消耗（包括网损）的有功功率总和之间的平衡来维持的。当系统内并联运行的机组发出的有功功率总和等于系统内所有负荷在额定频率所消耗的有功功率总和时，系统就运行在额定频率。如果上述“等于”关系遭到破坏，系统频率就会偏离额定值。电力系统有功功率控制的重要任务之一，就是要及时调节系统内并联运行机组原动机的输入功率，维持上述“等于”关系，保证电力系统频率在允许
12、范围之内2、提高电力系统运行地经济性前面已经指出，当系统内并联运行的所有机组发出的有功功率总和等于系统内所有负荷在额定频率所消耗的有功功率总和时，系统就运行在额定频率，但没有说明那些机组参与并联运行以及参与并联运行的机组各应该发多少有功功率。电力系统有功功率控制的另一个任务就是要解决这个问题。这就是电力系统经济调度问题。电力系统经济调度包括两个方面：第一，开启那些机组并入电力系统运行；第二，确定已并网运行的机组各发多少有功功率。前者是机组经济调度问题，后者是有功负荷的经济分配问题。经济调度需要考虑机组效率、各种发电机组的协调、电力系统网损等问题，目的是提高电力系统运行的经济性，用最少的一次能源
13、消耗获得最多的可用电能。3、保证联合电力系统地协调运行电力系统的规模不断扩大，已经出现了将几个区域电力系统连在一起组成的联合电力系统。有的联合电力系统实行分区域控制，要求不同区域系统间交换的有功功率和电量按事先约定的协议进行。这时电力系统有功功率控制对不同区域系统之间联络线上通过的功率和电量实行控制。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。3.4 机械液压调速器首先按图说明调速器的构成：测速机构：离心飞摆执行机构：错油门和油动机及其连杆转速给定：同步器调差机构：一次调节的过程：D 不动：转速 n 下降A 点上升C 点下降F，E 下降B 点上升同时转速 n 上升
14、引起 A 上升C 点上升E 点上升回到原来位置调节结束。调节结束后 b 点比原来高，a 点比原来低，c 点不懂。为有差调节，若去掉 b 点和活塞的连杆则为无差调节。二次调节的过程：抬高 D 点，因为 BCA 先不动E 下降B 上升n 上升A 上升C 上升F 上升E 点上升重新堵死油路调节结束，ACB 集体抬高给出调差系数的概念，定义由调节特性给出调差的概念： 21*()eeffP*eff满 空并从概念上解释两个定义的等价关系失灵区的影响：失灵区过大会导致误差功率过大，过小会导致调速器频繁动作，对机组和系统都不利，故一般小于 0.2%-0.5%；失灵区一定的情况下误差功率与调差系数成反比3.7
15、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。一、电力系统负荷得静态频率特性负荷的有功功率随着频率而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 0122L0Le
16、1Le 2Le Le01L 012L 12n 1nnne nnLe eaPaPfaPf aPfafffPffaaa : 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 。， ，零次方负荷：负荷功率与频率变化无直接关系，如电热、照明、电弧炉及整流负荷。一次方负荷：负荷功率与频率成比例关系，如金属切削机床、磨煤机、卷扬机等。二次方负荷：负荷功率与频率平方成比例关系，这类机械不多，但电力系统中的网损即是。三次方负荷：负荷功率与频率三次方成比例关系，火电厂的厂用
17、机械多属于此类，如鼓风机、循环水泵等。此外，还有一些高水头的水泵，如给水泵，则是与频率的更高次方成正比。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。 21LL123nKdPfaaafff；负荷调节效应与负荷的组成和比重有关。二、电力系统等效发电机组的静态调节特性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/GGMWHzffPK三、 电
18、力系统频率控制的基本原理结合教材图形，从概念上解释发展过程，假设无调速器稳定在 b 点。（一） 、频率的一次调整稳定在 c 点。增加的负荷功率一部分通过负荷自己的调节特性使负荷少吸收来承担，一部分由发电机组通过降低频率增加（二） 、频率的二次调整改变频率或转速给定环节回复到原额定运行频率。负荷增量将全部由调频机组承担。(三)、调频电厂的选择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
19、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。四、电力系统的有功功率控制并联运行机组间的有功功率分配 GGeiiGe i1ii iiPfPf用 标 幺 值 表 示 的 第 台 机 组 的 调 差 系 数 ；一 次 调 频 结 束 时 产 生 的 系 统 频 率第 台 机 组 增 加 的 功 率 ；第
20、台 机 组 的 额 定 有 功 功 率 ；结合例题进行讲解。3.9 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。3.10 电力系统自动低频减负荷3.10.1 概述电力系统中某些机组故障切除时，由于出现有功功率缺额，系统频率会急剧下降。采用自动低频减载装置，可以制止事故的进一步扩大，所以这是一种有效的措施。
21、众所周知，电力系统在正常情况下，需要调节频率，使系统维持在额定频率下稳定运行。这时发电机组所发出的有功功率与负荷所消耗的有功功率在该频率下达到平衡。但是，功率平衡关系随时可能遭到破坏，这时，系统中将出现有功功率差额。当频率在额定值附近时，如果功率平衡，即(P=0)，则电机转速将保持不变。如果发电功率大于消耗功率，即(P0)，出现功率余额时，电机将加速，使频率上升。反之，当(P0)，出现功率缺额时，电机将减速，使频率下降。特别是当系统发生事故时，例如有一台机组或一个发电厂被断开，系统频率将急剧下降。假如此时系统中全部备用容量均已动用，还是应付不了，则应及时采取其它对策，否则将会导致事故扩大，甚至
22、整个系统瓦解，造成极其严重的后果。因此，这种频率的过度降低，不仅影响电能质量，而且会给系统的安全运行带来如下一些严重的危害：1、危害汽轮机汽轮机在结构上是如此设计的：在额定频率下运行时，叶片振动很小；当频率下降时，叶片振动变大甚至产生共振现象。运行经验表明，某些型式的汽轮机长时期在频率低于 4949.5 赫以下运行时，叶片容易产生裂纹，当频率低到 45 赫附近时，个别级的叶片可能发生共振而引起断裂事故。 2、产生频率崩溃现象当频率下降到 4748 赫时，火电厂的厂用机械（例如风机、水泵及磨煤机等）的出力将显著下降，几分钟内将使发电厂的正常运行受到破坏，致使功率缺额更为严重，频率进一步下降，从而
23、造成所谓“频率崩溃”现象。3、产生电压崩溃现象当频率下降到 4645 赫时，全系统发电机转子及励磁机的转速显著下降，致使发电机电势下降，全系统的电压水平大为降低。即使有较完善的自动调节励磁装置，也难以恢复。当电压下降到一定程度时，负荷不仅不减少吸收无功功率，反而吸收更多的的无功功率，使系统无功功率严重不足，引起电压的进一步下降。这就出现所谓“电压崩溃”如果发生这种恶性事故，将会引起大面积停电，使系统陷于瘫痪状态，往往要数小时才能恢复正常。装设自动低频减载装置，就是应付这种事故的重要对策之一。它在系统发生事故，频率急剧下降时，通过切除部分负荷的方法，来制止频率的下降，并使它逐步恢复正常。为了保证
24、系统的正常和安全运行，系统频率应保持应有的水平。在正常运行情况下，系统中经常性的频率波动不应超过 0.2 赫，同时根据规定也不允许长期低于 49.5 赫运行。在事故情况下，通过自动低频减载装置的作用，应能保证：频率低于 47 赫的时间不超过 2030 秒；低于 45 赫的时间，不能大于 0.51秒。在系统内旋转备用容量不足的情况下，自动低频减载装置具有更大的重要性，否则处理不好就容易引起事故扩大，甚至导致系统瓦解。在容量较小的系统及发电厂数量不多的系统，这种自动装置的作用特别突出。3.10.2 电力系统频率的动态特性当发电机功率与负荷功率失去平衡时，系统频率按指数曲线变化，如果忽略时间常数的变
25、化，系统频率可归纳为如下几种情况。1.由于 f 的值与功率缺额成比例，事故初期频率下降的速度与功率缺额成比例。2.当频率下降到某频率时切除负荷刚好等于功率缺额时，频率按指数规律上升恢复。3.若切除负荷小于功率缺额，则系统的稳态频率低于额定值。设切除这些负荷后频率正好维持这一级动作频率上。4.若切除的负荷比 3 中的还小，则系统频率继续下降。可见如果能及早的切除负荷，可延缓系统的频率下降过程3.11、自动低频减负荷的基本原理自动低频减负荷(ZDPJ)的基本原理是分级切除，自动逼近。当系统因故障出现功率缺额时，如果缺额较小，且系统内有足够的旋转备用，在系统频率经过一个短时间下降之后，随着系统旋转备
26、用容量作用的发挥，会重新恢复到故障前的水平，这种情况下，ZDPJ 不动作。如果有功缺额较大，而且系统中备有容量又比较少或没有时，系统频率就会比较快地下降，当下降到 ZDPJ 的第一级动作频率时，ZDPJ 自动切除一部分不重要的负荷，以使频率恢复到允许频率。如果频率接着下降，则 ZDPJ 继续自动切除一部分负荷，来抑制频率的下降。如此动作直到频率不再下降为止。但是有时会出现这种情况，在 ZDPJ 的某一级动作后，频率不再继续下降，不能使 ZDPJ 继续切除负荷，而频率又恢复不到允许值。出现这种情况是系统运行不允许的。为此 ZDPJ 装置中设有特殊级，出现上述情况时特殊级动作，使频率恢复到允许值。
27、3.12、自动低频减负荷装置的整定计算（一）确定最大功率缺额 Pqe 发生严重事故时，为了保证系统 ZDPJ 装置动作切除负荷后能使系统频率恢复到允许值，在计算接入 ZDPJ 装置的负荷功率之前，必须先确定系统发生故障时，功率缺额的最大值。确定最大功率缺额应考虑系统最不利运行条件下出现最严重故障时的情况。例如，按系统断开最大容量的机组或某一发电厂考虑；如果系统有可能解列成几个子系统时，还应考虑各子系统因联络线断开而出现的功率缺额。（二）确定接入 ZDPJ 装置的负荷总功率 PJH 设允许频率为 fy，由负荷功率与频率的关系。可得从负荷调节效应系数推倒过去 ,1qeLeeyJHPKff（三）确定
28、各级的动作频率 自动低频减负荷是在系统故障情况下强行使部分用户停电来换取系统安全的方法。这无疑会给被停电用户造成一定困难甚至损失，因此应在保证系统安全的前提下尽量少地断开负荷。接入自动低频减负荷装置地总负荷功率是按系统最严重的情况考虑的。然而每次故障时，由于系统的运行方式不同，故障的严重程度也有很大差别，因此需由 ZDPJ 装置切除的负荷也有很大的差别。为了适应上述要求，采用将接入 ZDPJ 装置的总负荷分批分期切除的办法，以求做到切除的负荷功率既不过多，又不过少。目前自动低频减负荷均采用按系统频率由高到低顺序切除地办法。根据动作频率地不同，将自动低频减负荷装置地动作分为若干级，也称为若干轮。
29、 1、确定第一级动作频率 f 第一级动作频率取得高一些，自动低频减负荷的效果会好一些，但这样有可能在系统频率暂时下降而备用容量尚未来得及发挥作用之前就把一部分负荷切掉了。一般第一级动作频率确定在 48.5Hz49.0Hz。 2、确定末级动作频率 fn 对于高温高压火电厂，在频率低于 46Hz46.5Hz 时，电厂已不能正常工作。因此末级动作频率以不低于 46.5Hz 为宜。一般选择 47.5Hz。 3、确定频率级差f （1）按选择性确定 这种方法要求在前一级动作之后不能制止频率下降时，下一级才动作。f 2 f WC+ ft + f y式中 f WC 频率继电器动作频率的最大误差 ； ft 在延
30、时f 内系统频率下降值，一般可取 0.15Hz； f y 频率裕度，一般可取 0.05Hz。 （2）不强调选择性 这种方法将接入 ZDPJ 装置的负荷总功率分成若干级切除，而不注重每级之间是否有选择性。它的原则是缩小级差、增加级数、减少每级切除负荷。 （四）确定动作级数 N在确定首、末级动作频率 f1、fn 和频率级差f 之后，动作级数 N 由下式确定（五）确定每级切除的负荷功率Pi当确定了希望的恢复频率 fh 和各级的动作频率 fi 之后，就可以根据下式救出每级需要切除的负荷功率Pi 。 1)()()iLihi kieiehhKfPff（六）确定延时t为了尽快制止频率下降，在系统频率下降到
31、ZDPJ 装置的动作值时应尽快切除负荷。但考虑到电力系统电压急剧下降期间有可能引起频率继电器的误动，造成误切负荷，所以增加一个延时t ，以躲过暂态过程可能出现的误动作。 t一般取 05s 以上。 （七）确定特殊级的有关参数 特殊级的动作频率通常只有一个，其整定值 ft 应大于或等于基本级第一级的动作频率。特殊级是通过动作延时实现与基本级间动作的选择性的。在基本级的第一级的频率继电器尚未动作之前，特殊级的频率继电器就全部动作了，但是由于延时继电器的延时tt 很大，只有在基本级动作不能使系统频率恢复到希望的频率时，特殊级的执行继电器才能动作。一般tt 取电力系统时间常数23 倍，最小动作时间约为
32、1015s。特殊级中的各级的选择性是通过不同的延时实现的，相邻两级间的延时差不小于 5s。第四章 电力系统电压和无功功率自动控制学习目的：掌握比例式励磁自动控制系统的构成，各最小构成单元的功能，比较整定电路的工作原理，调差单元的分析方法。励磁调节器的任务，强励的要求。4.1 电压和无功控制的必要性一、电力系统电压控制的必要性（一）电压偏移对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
33、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。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。（二）
34、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
35、发电机组失步，导致系统解列或大面积停电。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。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
36、。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，就不要它发出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
37、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。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
38、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。一、同步发电机励磁自动控制系统的主要任务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。结合单机运行的电路图，相量图以及发电机电压和无功电流的关系曲线分析励磁系统的任务。结合单机无穷大系统的电路图相量图分析调节励
39、磁的作用。2、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。给出调差特性曲线分析并联运行机组的无功功率分配的原理。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
40、况下，可以实行强励，从而大大提高系统的动态稳定性结合双回线路出口短路时的功角曲线说明励磁系统得作用。4、能够显著改善电力系统的运行条件。A短路切除后可以加速系统电压的恢复过程，改善异步电动机的自启动条件。B为发电机异步运行和自同期并列创造条件。C提高继电保护装置工作的正确性。5、由于水轮机的调速装置不够灵敏和迅速，所以水轮机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。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
41、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，给出励磁顶值电压 Ufdq 和额定励磁顶值电压 Ufde 的比值称为强励倍数。达到1 到 2。励磁电压上升速度大于规定值。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。第三学时4.4 同步发电机的励磁自动控制系统分类直流励磁，交流励磁，自励，复励，无刷励磁等等第四学时4.5 比例式励磁自动控制系统的基本原理1、基
42、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。最小构成：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
43、偏差电压，将使 ILL 变大从而使 IL 变大，这样可以升高 UG；达到维持机端电压基本不变的目的 2.1 电压测量比较单元电压测量比较单元的基本作用是把发电机电压变换为与其成正比的直流电压，与给定电压进行比较，得到两者的偏差。2.1.1 电路结构正序电压滤过器的作用是在电力系统的三相电压不平衡时，输出一个对称的反映电压水平的正序电压，以提高测量单元的灵敏度。它并不是测量比较单元必须设置的环节。测量变压器的作用是将从电压互感器二次侧来的电压降低为适合于整流电路所需要的值。整流滤波的作用是将测量变压器的副边输出的电压变换成平稳的直流电压。UC 与 Ug成正比。给出正序电压滤过器的电路及相量图分析
44、，整流电路的电路及纹波电压的波形2.1.2 比较整定电路比较整定电路的作用：（1）把测量输出的电压 UC 与给定电压 Ugd 相比较，输出一个表征发电机电压与其给定值偏差的直流电压 Ub；（2）通过调节发电机电压的给定值 Ugd 去调节 Ub 的大小，进而调节发电机端电压或无功功率，可以就地手动调节，也可以远方手动调节或通过自动装置调节。给出整定电路并进行分析，得到输出与输入的关系，以及加入并联电阻后。详细见习题分析。2.1.3 发电机电压整定的原理发电机电压整定是通过调整电位器 W 阻值 RW 实现的。设发电机运行在电压UG。与之对应，比较电路输出电压 Ub0。如果这时调整 W，使其阻值 R
45、W 增加，则 RW 上的电压降就会增加。由于改变 W 的阻值是在很短的时间内完成的，在调整 W 的阻值时发电机电压是不变的，UC 不会变化。这样，RW 增加的结果会使UabUb。Ub 下降会引起励磁调节器各单元的动作，从而使发电机电压 UG上升UCUabUb。当上升到 Ub0 时，调节过程停止，发电机进入新的稳定点运行。可见，当增加 W 的电阻值的结果使发电机电压升高。当减少 W的阻值时，调节过程与 W 的阻值增加相反，可以使发电机电压下降。这就是发电机电压整定的原理。2.2 综合放大单元2.2.1 综合放大单元的作用大各种励磁控制信号。这些信号包括发 电机电压偏差信号、电力系统稳定信号以及低
46、励限制和过励限制信号等。改善励磁自动控制系统的静态和动态性能指标。输出移相单元所需的输入电压。2.2.2 对综合放大单元的基本要求要求能线性无关地综合、放大各输入信号。 有足够地运算精度和放大系数，放大系数可调。 响应速度快，即时间常数要小 工作稳定、输出阻抗低。 输出电压范围满足移相触发单元地要求。2.3 可控硅整流电路2.3.1 可控硅整流电路的作用可控硅整流电路的作用是将交流电压整流成直流电压向发电机励磁绕组或励磁机励磁绕组供给可控制的励磁电流。励磁调节器中使用的可控硅整流电路有三相半控式整流电路和三相全控式整流电路两种。励磁系统中还使用三相不可控整流电路，这种电路通常用于供给大型发电机
47、励磁电流。给出不同触发角下得电压波形，划出触发角和输出电压的波形。2.4 同步及移相触发电路：是一个线性环节最后，用作图法结合各个单元的特性给出总的工作特性曲线4.6 同步发电机励磁控制系统的静态特性和动态特性一、同步发电机励磁控制系统的静态特性同步发电机励磁控制系统的静态工作特性是指在没有人工参与调节的情况下，发电机机端电压与发电机电流的无功分量之间的静态特性。此特性通常称为发电机外特性或电压调节特性，也称为电压调差特性。发电机机端电压调差率的定义：在自动励磁调节器的调差单元投入、电压给定值固定、发电机功率因数为零的情况下，发电机无功负荷从零变化到额定值时，用发电机额定电压的百分数表示的发电
48、机机端电压变化率。其计算公式为 120%GTeU式中 UG1发电机空载电压，V； UG2发电机带额定无功负荷时的电压，V；UGe发电机额定电压，V。 其中 T(%)称为发电机端电压调差率或者调差系数，同步发电机励磁控制系统静态工作特性的三种类型：调差系数大于零称为正调差，表示发电机机端电压随无功电流的增大而下降；调差系数小于零称为负调差，表示发电机机端电压随无功电流的增大而上升； 调差系数等于零是称为无差特性，表示发电机机端电压不随无功电流变化，而保持恒定值。励磁调节器的调差单元调差单元的接线可分为单相、两相和三相三种方式。下图所示为两相式调差单元，以其为例分析调差单元的基本工作原理。由图可得下式： *
