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1 機械工業(yè)出版社 第7章水能 小水力發(fā)電與控制技術(shù) 2 機械工業(yè)出版社 3 主要內(nèi)容 機械工業(yè)出版社 7 1水能及水力資源的特點7 2水力發(fā)電7 3小水輪發(fā)電機組的構(gòu)成及工作原理7 4小水電的新技術(shù)及其應用7 5小水電站的計算機監(jiān)控與SCADA系統(tǒng)7 6小水力發(fā)電的經(jīng)濟技術(shù)性評價 4 小型水力發(fā)電機 機械工業(yè)出版社 5 水電站 機械工業(yè)出版社 6 水電站 機械工業(yè)出版社 7 自然界中的水體在流動過程中產(chǎn)生的能量 稱為水能 水能的重要應用就是水力發(fā)電 水力發(fā)電是利用河流 湖泊中的水在流經(jīng)不同高度地形時產(chǎn)生的能量來發(fā)電 是由水輪發(fā)電機組中的水輪機和發(fā)電機實現(xiàn)水的位能向機械能再向電能的二次轉(zhuǎn)換 水輪發(fā)電機組主要由水輪機和發(fā)電機組成 水輪機的種類很多 不同種類的水輪機在小水電中均有應用 水輪發(fā)電機主要是同步發(fā)電機 機械工業(yè)出版社 8 小水電的新技術(shù)重點 水輪發(fā)電機組的控制 水輪發(fā)電機組的控制 頻率及功率控制為主 水輪發(fā)電機組并網(wǎng) 準同步并網(wǎng)和自同步并網(wǎng)實現(xiàn)自動并網(wǎng) 其中以準同步并網(wǎng)為主 電網(wǎng)的無功功率補償 由各種無功功率補償器完成 計算機監(jiān)控系統(tǒng) 小型水電站的自動監(jiān)測 控制和保護 水電站的現(xiàn)場監(jiān)控及遠程監(jiān)控 監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) SCADA系統(tǒng) 可實現(xiàn)水力發(fā)電與調(diào)度的完全自動化 機械工業(yè)出版社 9 全世界技術(shù)上可開發(fā)的水能資源約15萬億kW h 水能包括位能 壓能和動能三種形式 廣義的水能 河流水能 潮汐水能 波浪能和海洋熱能 狹義的水能 河流水能 即河流 湖泊等位于高處的水流至低處時所具有的位能 機械工業(yè)出版社 7 1 1水能及水力資源 水能 自然界中的水體在流動過程中產(chǎn)生的能量 7 1水能及水力資源的特點 10 根據(jù)當前技術(shù) 經(jīng)濟水平 可開發(fā)資源主要是河川水能資源 潮汐能資源占小部分 波浪能利用尚處于試驗階段 水能資源 亦稱水力資源 機械工業(yè)出版社 水能資源分3級統(tǒng)計 理論蘊藏量 技術(shù)可開發(fā)資源 經(jīng)濟可開發(fā)資源 11 我國水力資源的特點主要有以下幾點 機械工業(yè)出版社 7 1 2水力資源的特點 水力資源總量較多 但開發(fā)利用率低 水力資源地區(qū)分布不均 與經(jīng)濟發(fā)展不匹配 大多數(shù)河流年內(nèi) 年際徑流分布不均 水力資源主要集中于大江大河 有利于集中開發(fā)和規(guī)模外送 12 當位于高處具有位能的水流至低處沖擊水輪機時 將其中所含有的位能轉(zhuǎn)換成水輪機的動能 再由水輪機作為原動機推動發(fā)電機發(fā)電 水能的主要應用是水力發(fā)電 水力發(fā)電是利用河流在流經(jīng)不同高度地形時產(chǎn)生的能量來發(fā)電 因此水力發(fā)電在某種意義上講是水的位能變成機械能 又變成電能的 轉(zhuǎn)換過程 機械工業(yè)出版社 7 2水力發(fā)電 13 可利用的水量和一年中不同的流量決定了水力發(fā)電站一年的發(fā)電量是不同的 水能的大小取決于兩個因素 河流中水的流量和水從多高的地方流下來 水頭 水的流量 指單位時間內(nèi)水流通過河流 或水工建筑物 過水斷面的體積 一般用立方米 秒 m s 和升 秒 l s 來表示 水頭 用來表示發(fā)電站的發(fā)電機到水壩的水平面的高度 m 機械工業(yè)出版社 14 式中P 發(fā)電機的輸出功率 kW Q 流量 m s 單位時間內(nèi)流過水輪機水的體積 H 水頭 m 水輪機做功用的有效水頭 為水輪機進出口斷面的總水位差 電廠的效率 包括水輪機和發(fā)電機的總效率 9 81 流速和水頭轉(zhuǎn)換為kW h的一個常數(shù) 水力發(fā)電機發(fā)出的電能稱為發(fā)電機的出力 7 1 其計算公式為 機械工業(yè)出版社 15 對于小型水電站 水力發(fā)電機的出力近似為 7 2 年發(fā)電量的公式為 7 3 式中E 年發(fā)電量 kW h 平均出力 kW T 年利用小時數(shù) h 機械工業(yè)出版社 16 水電站的分類方式有很多種 主要有以下幾種方法 按照水源的性質(zhì) 可分為常規(guī)水電站和抽水蓄能電站 按水電站集中水頭的手段 可分為堤壩式 引水式和混合式水電站三種基本類型 按水電站利用水頭的大小 可分為高水頭 70m以上 中水頭 15 70m 和低水頭 低于15m 三種水電站 按水電站裝機容量的大小 可分為大型水電站 裝機容量在30萬kW或以上 中型水電站 5 30萬kW 和小型水電站 5萬kW以下 按照水庫的調(diào)節(jié)性能 可分為具有調(diào)節(jié)水量的調(diào)節(jié)水庫水電站和無水庫調(diào)節(jié)能力的徑流式水電站 機械工業(yè)出版社 7 2 1水電站的分類 17 水力發(fā)電一般是通過集中水頭 用人工的方式引導水流以高速度沖擊水輪機 帶動發(fā)電機發(fā)電 因此典型的水電站由以下幾部分組成 1 水工建筑物包括大壩 引水建筑物和泄水建筑物等 2 水輪發(fā)電機組水輪機 發(fā)電機 主軸及控制系統(tǒng)等組成 3 廠房生產(chǎn)發(fā)電 輸電和生活的建筑 4 變電所主要包括變壓器 各種開關(guān)控制設(shè)備等 5 輸電線輸送電到變電站和終端用戶的線路 1 典型水電站的組成 7 2 2水電站的組成 機械工業(yè)出版社 18 圖7 1 圖7 2分別為水電站的大壩和水電站發(fā)電機房的照片 圖7 1水電站的大壩 圖7 2水電站發(fā)電機房 機械工業(yè)出版社 19 圖7 3為水力發(fā)電站發(fā)電原理示意圖 圖7 3水力發(fā)電站發(fā)電原理示意圖 1 擋河大壩2 打開導管的閥門3 水輪機的葉輪4 發(fā)電機 機械工業(yè)出版社 20 常規(guī)水電站一般由水庫 水壩 引水隧道 發(fā)電設(shè)備 開關(guān)場和輸電設(shè)備等組成 圖7 4常規(guī)水力發(fā)電流程圖 圖7 4為常規(guī)水力發(fā)電流程圖 機械工業(yè)出版社 2 常規(guī)水電站的組成 21 圖7 5為抽水蓄能水力發(fā)電流程圖 抽水蓄能電站由上池和上池壩 下池和下池壩 引水隧道 尾水路 發(fā)電設(shè)備 變壓器 開關(guān)場及輸電設(shè)備等組成 圖7 5抽水蓄能水力發(fā)電流程圖 抽水蓄能發(fā)電為目前實現(xiàn)負載管理 調(diào)節(jié)系統(tǒng)用電高峰和低谷時電量的最佳方式 機械工業(yè)出版社 3 抽水蓄能電站的組成 22 小水電是指裝機容量50000kW以下水電站及其配套電網(wǎng)的統(tǒng)稱 因此 小水電也包括小小型 容量在101 500kW 和微型 小于100kW 水電站 1 小水電的定義 機械工業(yè)出版社 7 2 3小水電 2 小水電的特點 1 小水電環(huán)境影響遠小于大型水電站 2 小水電開發(fā)靈活 可以分散開發(fā) 就地成網(wǎng) 分布供電 3 小水電可與灌溉 養(yǎng)殖 防洪 航運 旅游等有機結(jié)合 同時受公益事業(yè)制約 4 小水電站的電力生產(chǎn)規(guī)模小 單位裝機容量成本較高 5 小水電站存在著豐枯矛盾 23 堤壩式 包括河床式 壩后式和岸式 水電站根據(jù)其集中水頭的方式來分類 機械工業(yè)出版社 我國的小水電站目前多半為引水式 一般采用梯級開發(fā) 3 小水電的類型 引水式 混合式 河床式 壩后式 岸式 24 小型水電站主要由及四大部分組成 組成 擋水建筑物 壩 泄洪建筑物 溢洪道或閘 引水建筑物 引水渠或隧洞 包括調(diào)壓井 電站廠房 包括發(fā)電設(shè)備 尾水渠 升壓站 機械工業(yè)出版社 4 小型水電站的組成 25 1 水輪發(fā)電機組的構(gòu)成 水輪發(fā)電機組是實現(xiàn)水的位能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置 水輪機 水輪發(fā)電機 調(diào)速器 勵磁系統(tǒng) 冷卻系統(tǒng) 電站控制設(shè)備 機械工業(yè)出版社 7 3小水輪發(fā)電機組的構(gòu)成及工作原理 一般組成 26 1 水輪機 2 水輪發(fā)電機水輪發(fā)電機大部分采用同步發(fā)電機 其轉(zhuǎn)速較低 水輪發(fā)電機組的安裝型式上有立式和臥式兩種 常用的水輪機有沖擊式和反擊式兩種 機械工業(yè)出版社 3 調(diào)速和控制裝置 包括調(diào)速器和油壓裝置 作用是調(diào)節(jié)水輪機轉(zhuǎn)速 以保證輸出電能的頻率符合供電要求 并實現(xiàn)機組操作 開機 停機 變速 增 減負荷 及安全經(jīng)濟運行 4 勵磁系統(tǒng) 通過對直流勵磁系統(tǒng)的控制可實現(xiàn)電能的調(diào)壓 有功功率和無功功率的調(diào)節(jié) 27 5 冷卻系統(tǒng)小型水輪發(fā)電機的冷卻主要采用空氣冷卻 大容量水輪發(fā)電機采用了定 轉(zhuǎn)子繞組直接水冷的方式 或者定子繞組用水冷 而轉(zhuǎn)子用強風冷卻 電站控制設(shè)備目前主要以微機為主 實現(xiàn)水力發(fā)電機的并網(wǎng) 調(diào)壓 調(diào)頻 功率因數(shù)的調(diào)節(jié) 保護和通信等功能 6 電站控制設(shè)備 7 制動裝置額定容量超過一定值的水輪發(fā)電機均設(shè)有制動裝置 機械工業(yè)出版社 28 2 水輪發(fā)電機組的工作原理 水輪發(fā)電機組的能量轉(zhuǎn)換過程分為二個階段 水輪機在水流的沖擊作用下開始旋轉(zhuǎn) 將水的位能轉(zhuǎn)換為機械能 發(fā)電機將水輪機的機械能轉(zhuǎn)換為電能 水輪機帶動同軸相連的水輪發(fā)電機旋轉(zhuǎn) 在勵磁電流的作用下 旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子帶動勵磁磁場旋轉(zhuǎn) 發(fā)電機的定子繞組切割勵磁磁力線產(chǎn)生感應電動勢 輸出電能實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換 所以水輪機和發(fā)電機是水輪發(fā)電機組中最關(guān)鍵的兩個部件 機械工業(yè)出版社 29 水輪機的本體由轉(zhuǎn)輪 座環(huán) 蝸殼和主軸等組成 除此以外 根據(jù)型號的不同 還配有附屬裝置和部件 不同型式的水輪機 其結(jié)構(gòu)和適用范圍不甚相同 水輪機是水渦輪機的簡稱 水輪機是根據(jù)水的流量和水頭大小進行設(shè)計和制造的 作用是將水能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能 并帶動水輪發(fā)電機發(fā)電 機械工業(yè)出版社 7 3 1水輪機 30 Q Av 7 4 式中A 水輪機的過水斷面的面積 單位m v 過水斷面平均流速 單位為m s 1 水輪機的基本工作參數(shù) 水輪機的基本工作參數(shù)有水頭 流量 轉(zhuǎn)速 出力和效率 水輪機水頭 指水輪機進口斷面與其出口斷面的單位重量水流能量的差值 用H表示 單位為m 水輪機流量 指單位時間內(nèi)通過水輪機過水斷面的水流體積 單價為m s 通常用Q來表示 即 機械工業(yè)出版社 1 水輪機的主要工作參數(shù) 31 式中 s 水輪機的效率 Pi 水流輸入水輪機的功率 kW 水輪機的轉(zhuǎn)速 指水輪機主軸每分鐘旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù) r min 水輪機的出力 指水輪機軸端輸出的功率 其表達式為 Ps 9 81QH 7 5 式中Ps 水輪機軸端輸出的功率 kW 水輪機效率 指水輪機出力與水流出力之比 其表達式為 7 6 機械工業(yè)出版社 32 式中ns 水輪機的比轉(zhuǎn)速 n 水輪機的轉(zhuǎn)速 r min 2 水輪機的比轉(zhuǎn)速 水輪機比轉(zhuǎn)速的的定義為 幾何相似的水輪機 當水頭為1m 輸出的機械功率為1kW時的轉(zhuǎn)速稱為水輪機比轉(zhuǎn)速 水輪機比轉(zhuǎn)速的計算公式為 7 7 機械工業(yè)出版社 33 水輪機按照工作原理可分為 轉(zhuǎn)輪在水中受到水流的反作用力而旋轉(zhuǎn) 工作過程中水流的壓力能和動能均發(fā)生變化 主要是壓力能的轉(zhuǎn)換 機械工業(yè)出版社 2 水輪機的分類 沖擊式水輪機 反擊式水輪機 轉(zhuǎn)輪受到水流的沖擊而旋轉(zhuǎn) 工作過程中水流的壓力不變 主要是動能的轉(zhuǎn)換 1 沖擊式水輪機 沖擊式水輪機根據(jù)水流噴射條件和轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)的不同 可分為水斗式 斜擊式 雙擊式三種 其中以前兩種為主 34 圖7 6水斗式水輪機a 水斗式水輪發(fā)電機組b 雙噴嘴水斗式水輪機轉(zhuǎn)輪 a b 機械工業(yè)出版社 水斗式水輪機又稱培爾頓 Petion 水輪機 如圖7 6所示 1 水斗式水輪機 35 c 水斗式水輪機工作原理示意圖1 轉(zhuǎn)輪室2 水輪機葉片3 射流制動器4 折向器 水斗式水輪機 從噴嘴噴出來的射流沿轉(zhuǎn)輪圓周切線方向射向雙U型的水斗中部 然后在水斗中轉(zhuǎn)向兩側(cè)排出 領(lǐng)先壓力水 通過噴嘴形成一股強有力的高速射流射出 沖擊轉(zhuǎn)輪上的水斗使其旋轉(zhuǎn) 實現(xiàn)水能向機械能的轉(zhuǎn)換 機械工業(yè)出版社 36 a 斜擊式水輪發(fā)電機組b 斜擊式水輪機轉(zhuǎn)輪 圖7 7斜擊式水輪機 a b 機械工業(yè)出版社 斜擊式水輪機中的結(jié)構(gòu)與水斗式水輪機基本相同 只是射流方向有一個傾角 如圖7 7所示 2 斜擊式水輪機 37 斜擊式水輪機 圖7 7斜擊式水輪機 c 斜擊式水輪機轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu) 1 射流2 噴嘴3 轉(zhuǎn)輪4 斗葉 噴嘴與轉(zhuǎn)輪平面成大約22 5 的角度 射流傾斜于轉(zhuǎn)輪軸線 從進口平面一側(cè)射向葉片 通過葉片后從另一側(cè)排出 機械工業(yè)出版社 38 雙擊式水輪機噴嘴中的水流首先從轉(zhuǎn)輪外周進入葉片流道 其中大部分 70 80 水流的能量轉(zhuǎn)變成轉(zhuǎn)輪的機械能 然后離開流道穿過轉(zhuǎn)輪中心部分的自由空間 第二次從內(nèi)周進入葉片流道 剩余 20 30 的水流能量再轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)輪的機械能 最后水流從轉(zhuǎn)輪外周流出 機械工業(yè)出版社 3 雙擊式水輪機 39 在反擊式水輪機中 由于水流充滿整個轉(zhuǎn)輪流道 全部葉片同時受到水流的作用 所以在同樣的水頭下其轉(zhuǎn)輪直徑小于沖擊式水輪機 其最高效率也高于沖擊式水輪機 但當負荷變化時 水輪機的效率將受到不同程度的影響 反擊式水輪機根據(jù)水輪機轉(zhuǎn)輪內(nèi)水流的特點和水輪機結(jié)構(gòu)上的特點 可分為混流式 軸流式 斜流式和貫流式四種 機械工業(yè)出版社 2 反擊式水輪機 40 a b 1 混流式水輪機 圖7 8混流式水輪機 a 混流式水輪發(fā)電機組b 混流式水輪機轉(zhuǎn)輪 機械工業(yè)出版社 混流式水輪機又稱為弗朗西斯水輪機 如圖7 8所示 41 混流式水輪機 c 混流式水輪機工作原理示意圖 1 導葉2 轉(zhuǎn)輪3 水輪機軸 圖7 8混流式水輪機 水流徑向進入導水機構(gòu) 軸向流出轉(zhuǎn)輪 帶動轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動 機械工業(yè)出版社 42 圖7 9為軸流式水輪機 a b 圖7 9軸流式水輪機 a 軸流式水輪發(fā)電機組b 軸流式水輪機轉(zhuǎn)輪 機械工業(yè)出版社 軸流式水輪機又可分為轉(zhuǎn)槳式和定槳式水輪機 2 軸流式水輪機 43 軸流式水輪機 圖7 9軸流式水輪機c 軸流式水輪機導水機構(gòu)d 軸流式水輪機工作原理示意圖1 導葉2 輪葉3 轉(zhuǎn)轂 在軸流式水輪機中 水流徑向進入導水機構(gòu)中的導葉 軸向進入和流出轉(zhuǎn)輪 帶動轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動 機械工業(yè)出版社 44 a 貫流式水輪發(fā)電機組b 燈泡貫流式水輪發(fā)電機組剖面圖 機械工業(yè)出版社 貫流式水輪機可分為全貫流式和半貫流式 貫流式又分為燈泡式和豎井式 燈泡式如圖7 10所示 3 貫流式水輪機 45 c 燈泡貫流式水輪機結(jié)構(gòu)和原理示意圖 尾水管 轉(zhuǎn)輪 活動導葉 固定導葉 發(fā)電機 燈泡體 圖7 10貫流式水輪機 機械工業(yè)出版社 46 斜流式水輪機如圖7 11所示 圖7 11斜流式水輪機a 斜流式水輪機轉(zhuǎn)輪b 斜流式水輪機工作原理示意圖1 導葉2 輪葉3 水輪機軸 a b 機械工業(yè)出版社 4 斜流式水輪機 47 同步發(fā)電機是交流電機的一種 其運行特點是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度和定子旋轉(zhuǎn)磁場的速度嚴格同步 既電能的頻率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速有著嚴格的不變的關(guān)系 同步發(fā)電機可通過調(diào)節(jié)勵磁電流來改變功率因數(shù)和穩(wěn)定輸出電壓 以改善供電質(zhì)量 小型水輪發(fā)電機多數(shù)為同步發(fā)電機 異步發(fā)電機使用較少 微型水輪發(fā)電機有異步發(fā)電機 同步發(fā)電機 永磁發(fā)電機 其中又分為單相和三相發(fā)電機 機械工業(yè)出版社 7 3 2水輪同步發(fā)電機 48 同步發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)主要有兩大類 供給勵磁電流的整個系統(tǒng)稱為勵磁系統(tǒng) 通過整流裝置將交流電流整成直流電流以滿足需要 直流發(fā)電機供給直流勵磁電流 機械工業(yè)出版社 同步發(fā)電機按照轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)來分有隱極式和凸極式兩種 1 同步發(fā)電機的結(jié)構(gòu) 2 同步發(fā)電機的勵磁系統(tǒng) 49 1 額定容量SN發(fā)電機出線端額定視在功率 單位 kVA 2 額定功率PN發(fā)電機出線端額定輸出的有功功率 單位 kW 3 額定電壓UN發(fā)電機額定運行時定子的線電壓 單位 V或kV 4 額定電流IN發(fā)電機額定運行時定子的線電流 單位 A 5 額定功率因數(shù)cos N發(fā)電機額定運行時的功率因數(shù) 6 額定效率 N發(fā)電機額定運行時的效率 7 額定頻率fN發(fā)電機額定運行時定子電流的頻率 單位 Hz 機械工業(yè)出版社 3 水輪同步發(fā)電機的額定值 50 對于直流勵磁系統(tǒng) 還有額定勵磁電流IfN A 額定勵磁電壓UfN V 8 額定轉(zhuǎn)速nN發(fā)電機額定運行時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 單位 r min 其中 7 8 機械工業(yè)出版社 水輪發(fā)電機還有飛逸轉(zhuǎn)速 飛輪轉(zhuǎn)矩和短路比等參數(shù) 飛逸轉(zhuǎn)速 是在考慮發(fā)電機的結(jié)構(gòu)和強度要求決定的 飛輪轉(zhuǎn)矩 是發(fā)電機轉(zhuǎn)動部分的重量與飛輪直徑平方的乘積 短路比 是發(fā)電機在空載額定電壓時勵磁電流與三相穩(wěn)態(tài)短路額定電流時勵磁電流的比值 51 空載特性 短路特性 負載特性則是檢驗發(fā)電機基本性能的特性 水輪同步發(fā)電機的運行特性 空載特性 短路特性 負載特性 外特性和調(diào)節(jié)特性等 外特性和調(diào)節(jié)特性是主要運行特性 根據(jù)這兩種特性 可以判斷發(fā)電機的運行狀態(tài)是否正常 以便及時調(diào)整 確保電能的質(zhì)量 機械工業(yè)出版社 4 水輪同步發(fā)電機的運行特性 52 同步發(fā)電機不同功率因數(shù)時的外特性如圖7 12所示 外特性是發(fā)電機在轉(zhuǎn)速為額定值 勵磁電流和負載功率因數(shù)不變的條件下 發(fā)電機端電壓U和負載電流I之間的關(guān)系曲線U f I 圖7 12同步發(fā)電機的外特性 感性 純電阻負載 即I U 容性負載時 I U 感性負載 過勵狀態(tài)容性負載 欠勵狀態(tài) 為使在不同功率因數(shù)條件下發(fā)電機工作于額定點 機械工業(yè)出版社 1 外特性 53 調(diào)整特性是發(fā)電機在轉(zhuǎn)速為額定值 勵磁電流和端電壓不變的條件下 發(fā)電機勵磁電流If和負載電流I之間的關(guān)系曲線If f I 圖7 13為同步發(fā)電機的調(diào)整特性曲線 圖7 13同步發(fā)電機的調(diào)整特性 容性負載 I If 感性和純電阻性負載 I If 為維持端電壓不變 機械工業(yè)出版社 2 調(diào)整特性 54 機械工業(yè)出版社 小水電的新技術(shù)及其應用 7 4小水電的新技術(shù)及其應用 7 4 1概述 采用新材料和新技術(shù) 應用高科技提高發(fā)電機的性價比 箱式整裝小水電站的應用 采用計算機遠程監(jiān)控新技術(shù) 水輪發(fā)電機組的自動控制 55 其中以頻率及功率控制為主 水輪發(fā)電機組自動控制系統(tǒng)承擔的任務有 水輪發(fā)電機組的自動并列 自動調(diào)節(jié)勵磁 頻率和有功功率 無功功率的補償 輔機的自動控制 水輪發(fā)電機組的自動操作 自動保護等 機械工業(yè)出版社 7 4 2水輪發(fā)電機組的自動控制系統(tǒng) 1 水輪發(fā)電機組自動控制系統(tǒng)的任務 56 機械工業(yè)出版社 負載要求電能的電壓和頻率應為額定值 波動小 發(fā)電機發(fā)出電能的電壓 頻率或并網(wǎng)電壓 頻率的穩(wěn)定度分別取決于發(fā)電機或電網(wǎng)內(nèi)無功與有功功率的平衡 頻率的波動是由發(fā)電機輸入功率和輸出功率之間的不平衡引起的 電壓的波動主要由負載大小的變化和負載性質(zhì)的變化 即有功功率和無功功率的變化 引起 57 水輪發(fā)電機組控制的基本任務 根據(jù)負載的變化不斷調(diào)整水輪發(fā)電機組的有功和無功功率輸出 并維持機組轉(zhuǎn)速 頻率 和輸出端電壓在規(guī)定的范圍內(nèi) 兩者的調(diào)節(jié)相對獨立 相互影響較小 機械工業(yè)出版社 水輪發(fā)電機組頻率的控制由水輪機調(diào)速器實現(xiàn) 端電壓的穩(wěn)定可由發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)器來完成 58 式中TS 水輪機的動力轉(zhuǎn)矩 N m TL 發(fā)電機阻轉(zhuǎn)矩 包括發(fā)電機電磁制動轉(zhuǎn)矩和摩擦等制動轉(zhuǎn)矩 N m J 機組轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)動飛輪總慣量 kg m2 機組的角速度 rad s 水輪發(fā)電機組的運動方程式可以表示為 7 9 機械工業(yè)出版社 1 水輪機調(diào)速器的調(diào)節(jié)原理 2 水輪機調(diào)速器的工作原理及特性 水輪機調(diào)速器主要用于控制水輪發(fā)電機組轉(zhuǎn)速與出力 其品質(zhì)與性能直接影響到電能品質(zhì)和水電站的安全可靠運行 59 水輪機動力轉(zhuǎn)矩的表達式為 7 10 式中 水的密度 kg m3 為保證電能的頻率不變 發(fā)電機的轉(zhuǎn)速必須恒定 d dt 0 控制水輪機的動力轉(zhuǎn)矩TS時刻跟隨著TL的變化 使TS TL 0 由式 7 10 可見 通過調(diào)速器改變水輪機導水機構(gòu)導葉的開度 來改變水輪原動機的進水量 可達到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩的目的 機械工業(yè)出版社 60 水輪機調(diào)節(jié)的基本任務是 當負載變化時 原來的穩(wěn)定平衡被破壞 動力矩和阻力矩不再相等 使轉(zhuǎn)速和頻率與額定值之間出現(xiàn)偏差 這時由頻率閉環(huán)調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用 可快速 準確地消除偏差 使機組在新的平衡條件下運行 頻率調(diào)節(jié)或頻率控制 機械工業(yè)出版社 2 頻率調(diào)節(jié) 61 電力系統(tǒng)的負荷是不斷變化的 而原動機輸入功率的改變則較緩慢 因此系統(tǒng)中頻率的波動是難免的 圖7 14電力系統(tǒng)負荷瞬時變動情況 電力系統(tǒng)負荷瞬時變動情況如圖7 14所示 機械工業(yè)出版社 負荷的變動情況分解成幾個分量 1 變化周期一般小于10s的隨機分量 其變化幅度較小 2 變化周期在10s 3min之間的脈動分量 其變化幅度比隨機分量要大些 3 變化十分緩慢的持續(xù)分量并帶有周期規(guī)律的負荷 為負荷變化中主體 62 第二種負荷變化引起的頻率偏移較大 必須由調(diào)頻器參與控制和調(diào)整 這種調(diào)整稱為頻率的二次調(diào)整 第一種負荷變化引起的頻率偏移 一般利用水輪發(fā)電機組上裝設(shè)的調(diào)速器來控制和調(diào)整原動機的輸入功率 以維持系統(tǒng)的頻率水平 稱為頻率的一次調(diào)整 第三種負荷變化可以用負荷預測的方法預先估計得到 在滿足系統(tǒng)有功功率平衡的條件下 將這部分負荷按照經(jīng)濟分配原則在各發(fā)電廠間進行分配 機械工業(yè)出版社 63 當電力系統(tǒng)負載 系統(tǒng)頻率 調(diào)速器作用 輸出功率 圖7 15同步發(fā)電機組功率頻率特性 機械工業(yè)出版社 發(fā)電機輸出的有功功率和頻率之間密切相關(guān) 兩者的關(guān)系稱為發(fā)電機的功率 頻率靜態(tài)特性 如圖7 15所示 3 有功功率調(diào)節(jié) 64 式中K 頻率調(diào)差系數(shù) f 頻率差 對應有功功率 P時頻率相應的增量 Hz P 發(fā)電機有功功率增量 MW 式中負號表示發(fā)電機輸出功率的變化和頻率變化符號相反 同步發(fā)電機組功率 頻率特性的斜率稱為發(fā)電機的頻率調(diào)差系數(shù) 即 7 11 機械工業(yè)出版社 65 式中fN PN分別為頻率和功率的額定值 水輪發(fā)電機組的K 2 4 調(diào)差系數(shù)K的標么值表達式為 7 12 發(fā)電機組功率 頻率特性的調(diào)差系數(shù)主要決定于調(diào)速器的靜態(tài)調(diào)節(jié)特性 與機組間有功功率的分配密切相關(guān) 機械工業(yè)出版社 66 兩臺發(fā)電機并聯(lián)運行時其調(diào)差特性與機組間的有功功率的分配情況可用圖7 16來說明 圖7 16兩臺發(fā)電機的并聯(lián)運行 曲線 1號發(fā)電機組的調(diào)節(jié)特性 曲線 2號發(fā)電機組的調(diào)節(jié)特性 系統(tǒng)總負荷為 PL 如線段CB的長度所示 系統(tǒng)頻率為fN 1號機組承擔的負荷為P1 2號機承擔的負荷為P2 于是有 P1十P2 PL 機械工業(yè)出版社 67 當系統(tǒng)負荷增加 經(jīng)過調(diào)速器的調(diào)節(jié)后 系統(tǒng)頻率為f1 1號發(fā)電機組的負荷為P1 增加了 Pl 2號發(fā)電機組的負荷為P2 增加了 P2 兩臺發(fā)電機組增量之和等于 PL 式 7 13 表明 并聯(lián)運行的發(fā)電機組間功率分配與機組調(diào)差系數(shù)成反比 調(diào)差系數(shù)標么值大的機組分擔的有功功率標么值反而小 由式 7 12 可得 7 13 電力系統(tǒng)中 機組調(diào)差系數(shù)等于零是不能并聯(lián)運行的 機械工業(yè)出版社 68 調(diào)速器的靜特性是機組頻率f和導葉開度Y之間的關(guān)系曲線如圖7 17所示 因并網(wǎng)后有功功率調(diào)節(jié)的需要 其頻率必須是有差調(diào)節(jié) 圖7 17調(diào)節(jié)器的靜特性 圖7 17中對應接力器行程 0 100 的頻差相對值 稱為永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp 即 bp的值可根據(jù)要求進行設(shè)定 機械工業(yè)出版社 4 調(diào)速器的靜特性 69 現(xiàn)代水輪機的調(diào)速器 控制器 功能 機械工業(yè)出版社 3 水輪機調(diào)速器的總體結(jié)構(gòu) 功率調(diào)節(jié) 水輪機葉片開度調(diào)節(jié) 起停機操作及工況轉(zhuǎn)換等 功能不同 調(diào)速器的結(jié)構(gòu)也不盡相同 速度調(diào)節(jié) 70 采集各種外部信號 狀態(tài)和命令 實現(xiàn)水輪機導葉開度Y的控制 圖7 18電子式調(diào)速器總體結(jié)構(gòu)a 模擬式綜合b 數(shù)字式綜合 調(diào)速器的總體結(jié)構(gòu)主要有機械式和電子式兩種 電子式又分為模擬式和數(shù)字式 如圖7 18所示 電子控制器的任務 機械工業(yè)出版社 71 n 脈沖頻率 頻率變送器輸出 經(jīng)信號整形和放大后 啟動閥控 導葉開度 水輪機進水量 原動機輸入功率 n 圖7 19為電子液壓式水輪發(fā)電機組調(diào)速系統(tǒng)原理示意圖 圖7 19電子液壓式水輪發(fā)電機組調(diào)速系統(tǒng)原理示意圖 裝在發(fā)電機軸上的齒輪 脈沖傳感器和頻率變送器 轉(zhuǎn)速測量部分 機械工業(yè)出版社 72 1 微機調(diào)速系統(tǒng)的組成 圖7 20微機調(diào)速器控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu) 機械工業(yè)出版社 4 水輪機微機調(diào)速系統(tǒng) 微機調(diào)速器組成的水輪機自動調(diào)速系統(tǒng) 由被控對象水輪發(fā)電機組 檢測部分 微機智能控制器 執(zhí)行器等組成閉環(huán)控制系統(tǒng) 如圖7 20所示 73 機械工業(yè)出版社 2 微機調(diào)節(jié)器的控制功能 一套為自動調(diào)節(jié)器 另一套為手動調(diào)節(jié)器 正常運行時采用自動調(diào)節(jié)器 手動調(diào)節(jié)器在自動調(diào)節(jié)器發(fā)生故障時備用 微機調(diào)節(jié)器除了轉(zhuǎn)速 頻率 控制外 一般還具備水輪機的開度調(diào)節(jié) 水位控制和發(fā)電機輸出有功功率的調(diào)節(jié) 微機調(diào)節(jié)器微機調(diào)節(jié)器一般由兩套調(diào)節(jié)器組成 3 微機調(diào)節(jié)器控制策略 由微機調(diào)節(jié)器組成的水輪發(fā)電機組轉(zhuǎn)速 頻率 閉環(huán)自動控制系統(tǒng) 其控制策略通過軟件來實現(xiàn) 各種控制方法目前有許多研究 但主要還是以數(shù)字PID控制方法為主 數(shù)字PID控制器是將連續(xù)域的PID控制器離散化得到的 74 圖7 21為PID調(diào)節(jié)器的框圖 圖中r t 為調(diào)節(jié)器的給定輸入信號 u t 為調(diào)節(jié)器的輸出信號 e t 為調(diào)節(jié)器的偏差信號 y t 為系統(tǒng)的輸出 圖7 21PID調(diào)節(jié)器框圖 機械工業(yè)出版社 75 調(diào)節(jié)器的輸入和輸出之間的關(guān)系為 式中Kp 比例系數(shù) i 積分時間常數(shù) d 微分時間常數(shù) 7 14 機械工業(yè)出版社 其傳遞函數(shù)為 7 15 式中Ki 積分系數(shù) Ki Kp i Kd 微分系數(shù) Kd Kp d 76 對式 7 14 離散化 可得數(shù)字PID調(diào)節(jié)器為 式中T 采樣周期 為保證精度采樣周期應可能短 采樣后的積分系數(shù) 采樣后的微分系數(shù) u kT 第k次采樣周期的輸出量 e kT e kT 1 分別為第k次 k 1次采樣周期的輸入誤差 7 16 機械工業(yè)出版社 77 式 7 16 稱為位置式PID 其特點是調(diào)節(jié)器的輸出u kT 與過去的狀態(tài)有關(guān) 系統(tǒng)運算工作量大 需要對e kT 作累加 從而產(chǎn)生誤差積累 影響控制系統(tǒng)的性能 在水輪發(fā)電機組的調(diào)速控制中 一般采用增量式PID 通過對式 7 16 取增量 可得數(shù)字式調(diào)節(jié)器的增量輸出為 7 17 機械工業(yè)出版社 78 PID調(diào)節(jié)器的輸出可由下式求得 在水輪發(fā)電機組的調(diào)速 調(diào)頻 控制中 誤差為 式中f 給定頻率 f 實測的頻率 f0 基準頻率 f0 50Hz 7 18 7 19 機械工業(yè)出版社 79 為提高PID調(diào)節(jié)器的抗干擾能力 一般用實際微分環(huán)節(jié)取代理想微分環(huán)節(jié) 即用Kds 1 ds 取代Kds 此外水輪機在并網(wǎng)前 空載時 按PID調(diào)節(jié)規(guī)律進行頻率控制外 并網(wǎng)后需按穩(wěn)態(tài) 永態(tài) 轉(zhuǎn)差系數(shù)bp作頻率的有差調(diào)節(jié) 此時式 7 14 中的積分項用下式代替 式中bp 永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù) Y 接力器的行程給定 Y 接力器的實際行程 7 20 機械工業(yè)出版社 80 因此 水輪發(fā)電機組調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 7 21 式 7 17 中增量的積分項可表達為 機械工業(yè)出版社 81 式 7 17 中增量的微分項可表達為 7 22 式中 可以推導出水輪發(fā)電機組調(diào)節(jié)器實用的增量型PID控制算式 7 23 機械工業(yè)出版社 82 圖7 22為帶電液隨動系統(tǒng)的增量式數(shù)字PID微機調(diào)速器控制系統(tǒng)的原理圖 圖中步進電機與機液隨動系統(tǒng)組成數(shù)字式電液隨動系統(tǒng) 圖7 22增量式數(shù)字PID微機調(diào)速器控制系統(tǒng)的原理圖 機械工業(yè)出版社 4 微機調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)原理框圖 83 由PLC組成的微機調(diào)速器其頻率的測量一般由單片機實現(xiàn) 圖7 23為由單片機80C51組成的智能測頻單元 圖7 23單片機測頻原理框圖 機械工業(yè)出版社 5 智能測頻單元 84 機械工業(yè)出版社 6 微機調(diào)速器的三種調(diào)節(jié)模式及其轉(zhuǎn)換 微機調(diào)速器有頻率調(diào)節(jié) 功率調(diào)節(jié)和水輪機開度調(diào)節(jié)三種調(diào)節(jié)模式 不同的工況下 微機調(diào)速器的調(diào)節(jié)模式不同 空載狀態(tài)下只能是頻率模式 并網(wǎng)后如調(diào)度中心要求機組擔任調(diào)頻任務 則調(diào)速器必須處于頻率調(diào)節(jié)模式 如果調(diào)度中心要求機組擔任額定負載調(diào)節(jié) 則調(diào)速器可處于功率調(diào)節(jié)或開度調(diào)節(jié)模式下運行 85 當機組處于空載運行時 調(diào)速器在自動工況 頻率跟蹤功能退出 此時頻率給定為f 頻率反饋為f 控制策略一般為PID控制 其調(diào)節(jié)框圖如圖7 24所示 圖7 24頻率自動調(diào)節(jié)原理圖 1 頻率自動調(diào)節(jié) 機械工業(yè)出版社 1 頻率調(diào)節(jié)與跟蹤 86 當投入頻率跟蹤功能時 調(diào)節(jié)器自動地將網(wǎng)頻作為頻率給定 與頻率自動調(diào)節(jié)過程一樣 在調(diào)節(jié)過程終了時 機頻與網(wǎng)頻相等 實現(xiàn)機組頻率跟蹤電網(wǎng)頻率的功能 2 頻率跟蹤 機械工業(yè)出版社 3 相位控制 調(diào)速器處于頻率跟蹤方式運行時 即使機組頻率等于電網(wǎng)頻率 但由于可能存在相位差 也不能使機組快速并網(wǎng) 為此增加相位控制功能 這時調(diào)節(jié)系統(tǒng)框圖如圖7 25所示 7 25具有相位控制的調(diào)節(jié)系統(tǒng)框圖 87 圖7 26功率調(diào)節(jié)原理框圖 2 功率調(diào)節(jié) 并網(wǎng)運行的發(fā)電機的調(diào)速器受電網(wǎng)頻率及功率給定值控制 功率調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)原理如圖7 26所示 機組并網(wǎng)前bp 0 并網(wǎng)后 頻率給定自動整定為50Hz bp置整定值 實現(xiàn)有差調(diào)節(jié) 同時切除微分作用 采用PI控制 并投入人工失靈區(qū) 機械工業(yè)出版社 88 當調(diào)速器處于水位調(diào)節(jié)運行方式時 發(fā)電狀態(tài)下的調(diào)速器按水位給定值采用PI控制 如圖7 27所示 圖7 27水位控制原理圖 機械工業(yè)出版社 3 水位 開度 調(diào)節(jié) 89 三種調(diào)節(jié)模式間的轉(zhuǎn)換關(guān)系見圖7 28 圖7 28微機調(diào)速器的三種調(diào)節(jié)模式及其轉(zhuǎn)換 機械工業(yè)出版社 90 水輪同步發(fā)電機在實現(xiàn)水能向電能轉(zhuǎn)換的過程中 借助于勵磁系統(tǒng)中的直流電流建立的磁場作為媒介 產(chǎn)生感應電動勢和輸出交流電流 勵磁電流不僅影響其能量的轉(zhuǎn)換 而且對輸出電能的質(zhì)量影響很大 通過勵磁電流的調(diào)節(jié)與控制 可穩(wěn)定輸出電壓 實現(xiàn)有功功率和無功功率的調(diào)節(jié) 機械工業(yè)出版社 7 4 3同步發(fā)電機自動勵磁控制系統(tǒng) 1 同步發(fā)電機自動勵磁系統(tǒng)的組成及任務 91 同步發(fā)電機的自動控制勵磁系統(tǒng)是由勵磁調(diào)節(jié)器 勵磁功率單元 檢測部分和同步發(fā)電機組成的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng) 如圖7 29所示 圖7 29同步發(fā)電機自動控制勵磁系統(tǒng)構(gòu)成框圖 機械工業(yè)出版社 1 同步發(fā)電機自動控制勵磁系統(tǒng)的基本組成 92 機械工業(yè)出版社 2 同步發(fā)電機自動控制勵磁系統(tǒng)的任務 1 電壓的調(diào)節(jié) 2 無功功率的調(diào)節(jié) 3 并聯(lián)運行各發(fā)電機之間無功功率的合理分配 4 提高電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性 5 改善電力系統(tǒng)的運行條件 6 水輪發(fā)電機組要求實現(xiàn)強行減磁 93 無功負載電流是造成發(fā)電機端電壓變化的主要原因 為維持端電壓的穩(wěn)定 負載變化時必須調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流 圖7 30為隱極同步發(fā)電機運行時 不計電阻壓降 的相量圖 圖7 30同步發(fā)電機運行時相量圖 機械工業(yè)出版社 1 電壓的調(diào)節(jié) 發(fā)電機定子繞組中由勵磁磁場產(chǎn)生的空載感應電動勢 發(fā)電機定子端輸出電壓 定子繞組中的電流 無功電流 有功電流 同步電抗 功率因數(shù)角 和 之間的夾角 同步發(fā)電機功率角 94 由圖7 30可得 7 24 和 之間的數(shù)量關(guān)系為 一般 很小 可以近似認為cos 1 7 25 于是 上式可簡化為 機械工業(yè)出版社 95 機械工業(yè)出版社 結(jié)論 由式 7 25 可見 在發(fā)電機勵磁電流不變 即空載感應電動勢Eq不變時 發(fā)電機端電壓隨著無功電流的增大而減小 為維持端電壓不變 必須增大發(fā)電機的勵磁電流 同理 無功電流減小時 發(fā)電機端電壓將增大 必須減小勵磁電流 同步發(fā)電機勵磁自動控制系統(tǒng)就是通過不斷地調(diào)節(jié)勵磁電流來維持發(fā)電機輸出電壓為給定水平 96 設(shè)同步發(fā)電機與無窮大電網(wǎng)UM并聯(lián) 因此發(fā)電機端電壓不隨負荷大小而變 其接線圖如圖7 31 所示 圖7 31 是不同勵磁電流情況下的相量圖 圖7 31同步發(fā)電機與無窮大電網(wǎng)并聯(lián) 接線圖 相量圖 機械工業(yè)出版社 2 無功功率的調(diào)節(jié) 97 因發(fā)電機發(fā)出的有功功率只與其輸入功率有關(guān) 與勵磁電流無關(guān) 所以勵磁電流變化時 發(fā)電機輸出的有功功率 G均不變 即 式中C1 常數(shù) 7 26 不計定子電阻和凸極效應時 發(fā)電機有功功率又可用下式表示 式中 同步發(fā)電機功率角 C2 常數(shù) 7 27 機械工業(yè)出版社 98 由上面兩式可見 當發(fā)電機的有功功率不變而勵磁電流變化時 和 的值均不變 即 式中 K1 K2為常數(shù) 由圖7 31 中的相量關(guān)系可見 發(fā)電機勵磁電流的變化只是改變了機組的無功功率和功率角 值的大小 機械工業(yè)出版社 結(jié)論 與無限大容量母線并聯(lián)運行的機組 調(diào)節(jié)它的勵磁電流可以改變發(fā)電機無功功率的數(shù)值 99 并聯(lián)運行的各發(fā)電機間無功電流的分配取決于各自的外特性 如圖7 32所示 圖7 32并聯(lián)運行發(fā)電機間無功負荷的分配 原理圖 外特性和無功負荷的分配 機械工業(yè)出版社 3 并聯(lián)運行各發(fā)電機之間無功功率的合理分配 100 當兩臺以上發(fā)電機并聯(lián)運行時 它們發(fā)出的無功功率 即 7 28 發(fā)電機的端電壓都等于母線電壓 機械工業(yè)出版社 之和必須與母線中總無功電流 當電網(wǎng)需要的無功電流增大時 將改變兩機組的無功電流分配 斜率越小的機組 無功電流的增量就越大 電流 值相等 結(jié)論 電網(wǎng)需要的無功電流 U 101 機械工業(yè)出版社 電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定都與勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)有關(guān) 當電力系統(tǒng)由于種種原因 出現(xiàn)短時低電壓時 勵磁自動控制系統(tǒng)可以發(fā)揮其調(diào)節(jié)功能 即大幅度地增加勵磁以提高系統(tǒng)電壓 改善系統(tǒng)的運行條件 在機組甩負荷或其他原因造成發(fā)電機過電壓時 強行減磁 4 提高電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性 5 改善電力系統(tǒng)的運行條件 6 水輪發(fā)電機組要求實現(xiàn)強行減磁 102 水輪發(fā)電機組自動控制系統(tǒng)的任務由勵磁調(diào)節(jié)器和勵磁功率單元共同完成 因此對兩者各自提出如下的要求 機械工業(yè)出版社 3 對勵磁系統(tǒng)的基本要求 1 對勵磁調(diào)節(jié)器的要求 2 對勵磁功率單元的要求 103 機械工業(yè)出版社 4 自動勵磁調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律 自動勵磁調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律有比例式 P 比例積分式 PI 及比例積分微分式 PID 比例式是按發(fā)電機電壓及電流的偏差進行調(diào)節(jié) 比例積分式除按比例式調(diào)節(jié)外 尚有積分部分 可提高調(diào)節(jié)的準確度 比例積分微分式除按比例調(diào)節(jié)外 還引入電壓 電流的導數(shù)或轉(zhuǎn)速頻率等信號 以改善電力系統(tǒng)的動態(tài)性能 104 機械工業(yè)出版社 同步發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)有直流勵磁機勵磁系統(tǒng) 交流勵磁機勵磁系統(tǒng)和發(fā)電機自并勵系統(tǒng)三大類 直流勵磁機勵磁系統(tǒng)中采用直流發(fā)電機作為勵磁電源 供給發(fā)電機轉(zhuǎn)子回路的勵磁電流 直流機勵磁方式又可分為自勵式和它勵式 2 同步發(fā)電機自動控制勵磁系統(tǒng) 直流勵磁機勵磁系統(tǒng) 105 圖中直流發(fā)電機LG本身的勵磁電流通過自勵方式獲得 其勵磁繞組LLQ與直流發(fā)電機電樞繞組并聯(lián) 直流發(fā)電機發(fā)出的電提供給同步發(fā)電機G的勵磁繞組FLQ TV為變壓器 TA為電流互感器 圖7 33自勵式直流勵磁機系統(tǒng)原理接線圖 機械工業(yè)出版社 圖7 33為自勵式直流勵磁機系統(tǒng)原理接線圖 106 圖7 34為他勵式直流勵磁機系統(tǒng)原理接線圖 圖7 34他勵直流勵磁機系統(tǒng)原理接線圖 它是在自勵系統(tǒng)中增加副勵磁機 用來供給勵磁機的勵磁電流 副勵磁機FL為主勵磁機JL的勵磁機 副勵磁機與主勵磁機均與發(fā)電機同軸 機械工業(yè)出版社 107 機械工業(yè)出版社 交流勵磁機勵磁系統(tǒng) 交流勵磁機勵磁系統(tǒng)的核心設(shè)備是交流勵磁機 交流勵磁機容量相對較小 只占同步發(fā)電機容量的0 3 0 5 且時間常數(shù)也較小 即響應速度快 交流勵磁機系統(tǒng)也有他勵方式和自勵方式兩種 交流勵磁機系統(tǒng)是采用專門的交流勵磁機代替了直流勵磁機 并與發(fā)電機同軸 它運行發(fā)出的交流電 經(jīng)整流電路后變成直流 供給發(fā)電機勵磁 108 自并勵系統(tǒng)中 因沒有轉(zhuǎn)動部分 故又稱靜止勵磁系統(tǒng) 如圖7 35所示 圖7 35發(fā)電機自并勵系統(tǒng)框圖 機械工業(yè)出版社 發(fā)電機自并勵交流勵磁系統(tǒng) 靜止勵磁系統(tǒng) 109 無刷勵磁系統(tǒng) 如下圖7 36所示 圖7 36無刷勵磁系統(tǒng)框圖 機械工業(yè)出版社 4 無刷勵磁系統(tǒng) 110 同步發(fā)電機自動控制勵磁系統(tǒng)實際上是一個電壓負反饋閉環(huán)控制系統(tǒng) 其基本原理如圖7 37所示 圖7 37自動勵磁系統(tǒng)基本原理框圖 機械工業(yè)出版社 3 晶閘管同步發(fā)電機自動控制勵磁系統(tǒng) 111 典型的晶閘管自動勵磁調(diào)節(jié)器的框圖如圖7 38所示 它是由測量 放大 同步 觸發(fā) 反饋 調(diào)差 起勵及輔助 穩(wěn)定 限制 等單元組成 圖7 38典型的晶閘管自動勵磁調(diào)節(jié)器的框圖 機械工業(yè)出版社 112 機械工業(yè)出版社 4 微機同步發(fā)電機自動控制勵磁系統(tǒng) 微機 數(shù)字 式勵磁調(diào)節(jié)器其構(gòu)成的主要環(huán)節(jié)與模擬型調(diào)節(jié)器相似微機型勵磁調(diào)節(jié)器是由一臺專用的計算機控制系統(tǒng)構(gòu)成計算機控制系統(tǒng)由硬件 即電氣元件 和軟件 即程序 兩部分組成 113 硬件的基本配置為主機 輸入 輸出接口和輸入 輸出過程通道等環(huán)節(jié)組成 它的典型框圖如圖7 39所示 圖7 39典型微機勵磁調(diào)節(jié)器框圖 機械工業(yè)出版社 1 硬件電路 114 機械工業(yè)出版社 微機同步發(fā)電機自動控制勵磁系統(tǒng) 1 主機由微處理器CPU RAM ROM存儲器等組成 實現(xiàn)對勵磁電流的控制 2 模擬量輸入通道輸入的模擬量主要有測量出的發(fā)電機運行電壓UG 無功功率Q 有功功率P和勵磁電流IE等 3 開關(guān)量輸入 輸出通道開關(guān)量輸入主要有發(fā)電機運行狀態(tài)的信息 如斷路器 滅磁開關(guān)等的狀態(tài)信息 4 脈沖輸出通道輸出的控制脈沖信號需經(jīng)中間和末級放大后 才能觸發(fā)大功率晶閘管控制其輸出電流 115 微機勵磁調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)和限制及控制等功能都是通過軟件實現(xiàn)的 微機勵磁調(diào)節(jié)器的軟件流程框圖如圖7 40所示 微機勵磁調(diào)節(jié)器的軟件由主程序和中斷服務程序兩部分組成 圖7 40微機勵磁調(diào)節(jié)器的軟件流程框圖 機械工業(yè)出版社 2 軟件結(jié)構(gòu) 116 交流信號的采樣中斷服務子程序 流程圖如圖7 41所示 觸發(fā)脈沖軟件分相和輸出電壓測頻中斷服務子程序 流程圖如圖7 42所示 中斷服務子程序 圖7 41采樣中斷服務子程序流程圖 圖7 42觸發(fā)脈沖及電壓測頻中斷服務子程序流程圖 機械工業(yè)出版社 117 機械工業(yè)出版社 7 4 4無功功率補償技術(shù)及裝置 在電力系統(tǒng)中電壓是電能質(zhì)量的重要指標之一 由前面的分析可知 無功功率是影響電壓質(zhì)量的一個重要因素 可以說 電壓問題本質(zhì)上就是無功功率問題 因此解決好無功功率補償問題 具有十分重要的意義 118 機械工業(yè)出版社 1 無功功率補償?shù)淖饔?1 減少電力損失一般工廠動力配線依據(jù)不同的線路及負載情況 其電力損耗約2 3 左右 使用無功功率補償后提高了功率因數(shù) 總電流降低 可降低供電端與用電端的電力損失 2 改善供電品質(zhì)提高功率因數(shù) 減少負載總電流及電壓降 提高供電設(shè)備容量的利用率 3 延長設(shè)備壽命改善功率因數(shù)后線路總電流減少 使接近或已經(jīng)飽和的變壓器 開關(guān)等機器設(shè)備和線路容量負荷降低 因此可以降低溫升增加壽命 119 7 29 電源提供的無功功率 包括由發(fā)電機提供的無功功率 和無功功率補償設(shè)備供應的無功功率 感應電動機等負荷所需的無功功率 輸電設(shè)備 包括輸配電變壓器 輸電線路等 引起的無功功率損耗 式中 電網(wǎng)中無功功率電源所發(fā)出無功功率必須與無功功率負荷及無功功率損耗相平衡 即 機械工業(yè)出版社 2 電力系統(tǒng)無功功率平衡與電壓的關(guān)系 120 補償容量不足時的無功功率平衡 圖7 43系統(tǒng)負荷無功功率一電壓特性 負荷無功功率 電壓特性可以用圖7 43所示的二次曲線表示 進行系統(tǒng)無功功率平衡的前提是保持系統(tǒng)的電壓水平正常 正常情況下 U UN 無功功率 U 機械工業(yè)出版社 121 在正常情況下 系統(tǒng)電壓為額定電壓 系統(tǒng)無功電源Q同電壓U的關(guān)系如圖7 44中的曲線 所示 負荷的無功電壓特性為曲線2 兩者的交點a確定了負荷節(jié)點的電壓Ua 圖7 44電力系統(tǒng)和無功功率電壓的靜態(tài)特性 正常情況下 U Ua Q 曲線2 2 無功電源不變 U Ua U Q 無功電源 U Ua 機械工業(yè)出版社 2 補償容量充足時的無功功率平衡 122 機械工業(yè)出版社 3 無功補償?shù)囊话惴椒?1 低壓個別補償 2 低壓集中補償 3 高壓集中補償 123 機械工業(yè)出版社 4 電力系統(tǒng)的無功電源 電力系統(tǒng)的無功電源除了同步電機外 還有靜止電容器 靜止無功補償器以及靜止無功發(fā)生器 這4種裝置又稱為無功補償裝置 除電容器外 其余幾種既能吸收容性無功功率又能吸收感性無功功率 124 同步電機中有同步發(fā)電機 同步電動機和同步調(diào)相機三種 1 同步發(fā)電機 同步發(fā)電機在額定狀態(tài)下運行時 可以發(fā)出無功功率 式中 Q S P 分別是無功功率 視在功率 有功功率和功率因數(shù)角 7 30 機械工業(yè)出版社 2 同步調(diào)相機 同步調(diào)相機是空載運行的同步電機 可視為不帶有功負荷的同步發(fā)電機或是不帶機械負荷的同步電動機 1 同步電機 125 電容器所輸出的無功功率Qc與其端電壓U的平方成正比 即 式中Xc 電容器容抗 7 31 由式 7 31 可知 當電容器安裝處節(jié)點電壓下降時 其所提供給電力系統(tǒng)的無功功率也將減少 而此時正是電力系統(tǒng)需要無功功率電源的時候 這是其不足之處 機械工業(yè)出版社 2 并聯(lián)電容器 126 圖7 45TCR的基本原理圖a 基本原理圖b 電感負載的交流調(diào)壓電路結(jié)構(gòu)c 三相TCR的基本結(jié)構(gòu) 機械工業(yè)出版社 靜止補償器是一種動態(tài)無功功率補償裝置 有兩種基本結(jié)構(gòu)型式的SVC 晶閘管控制電抗器 TCR 和晶閘管投切電容器 TSC 圖7 45為TCR的基本原理圖 3 靜止無功補償器 SVC 127 晶閘管投切電容器 TSC 是由兩個反并聯(lián)的晶閘管構(gòu)成靜態(tài)開關(guān)與電容串聯(lián)組成 其單相結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)原理圖如圖7 46所示 圖7 46TSC單機結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)原理圖a TSC單機結(jié)構(gòu)b TSC控制系統(tǒng) 機械工業(yè)出版社 128 靜止無功發(fā)生器 SVG 的主體是一個電壓源型逆變器 通過對可關(guān)斷晶閘管進行適當?shù)耐〝嗫刂?使其處于容性 感性或零負荷狀態(tài) 其基本電路結(jié)構(gòu)如圖7 47所示 圖7 47靜止無功發(fā)生器 SVG 的基本結(jié)構(gòu) 機械工業(yè)出版社 4 靜止無功發(fā)生器 SVG 129 靜止無功發(fā)生器 SVG 的等效電路及其工作原理如圖7 48所示 圖7 48靜止無功發(fā)生器 SVG 的等效電路及其工作原理a 單相電路b 相量圖 電網(wǎng)電壓 SVG輸出的交流電壓 連接電抗器的電壓 的大小來控制SVG從電網(wǎng)吸收的電流是超前90 或滯后90 機械工業(yè)出版社 同時可以控制電流的大小 由 130 機械工業(yè)出版社 5 無功功率補償策略 無功功率補償策略目前可分為三相共補和三相分補兩種 三相共補是根據(jù)三相總的無功需求來投切電容器組 電容器接法為三角形 三相共補適用于三相負載較平衡的場合 三相分補則是根據(jù)每相各自的無功需求投切電容器組 電容器接法為星形 三相分補用于三相負載不平衡的場合 把三相共補和三相分補相結(jié)合 便實現(xiàn)補償綜合方案 混補 可以用于任何負載 131 機械工業(yè)出版社 6 微機無功功率補償控制器 靜止無功補償器 SVC 的控制器是無功補償裝置的指揮系統(tǒng) 目前一般由單片機 PLC DSP等微機控制 無功功率補償控制器有三種采樣方式 功率因數(shù)型 無功功率型 無功電流型 采樣方式不同 無功功率補償控制器不同 主要有功率因數(shù)型控制器和無功電流 無功功率 型控制器兩種 132 圖7 49為無功功率補償原理圖 圖中電壓電流互感器組檢測出的電壓和電流等參數(shù) 送入檢測控制器中進行計算 計算出應該投入的電容容量 然后在電容組合方式中選出一種最接近但又不會過補償?shù)慕M合方式 電容器投切一次到位 圖7 49無功功率補償原理圖 機械工業(yè)出版社 133 圖7 50為采用DSP組成的靜止無功補償系統(tǒng) 本系統(tǒng)主要由DSP基本系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 補償電容器投切單元三個部分組成 圖7 50由DSP組成的靜止無功補償系統(tǒng) 機械工業(yè)出版社 134 機械工業(yè)出版社 7 4 5水輪同步發(fā)電機組的并網(wǎng)技術(shù) 1 概述 由于水電廠的調(diào)節(jié)性能好 調(diào)節(jié)速度快 一般情況下由水電廠承擔電力系統(tǒng)中峰荷和備用機組 水輪同步發(fā)電機的并網(wǎng)方法可分為準同步 準同期 并網(wǎng)和自同步 自同期 并網(wǎng)兩種 一般采用準同步并網(wǎng)方法將發(fā)電機組投入運行 準同步并網(wǎng) 設(shè)待并網(wǎng)的發(fā)電機組G已經(jīng)加上了勵磁電流 調(diào)節(jié)待G的電壓 使之符合并網(wǎng)條件并將發(fā)電并入系統(tǒng)的操作 準同步并網(wǎng)條件 要求并網(wǎng)發(fā)電機電壓和電網(wǎng)電壓的波形 頻率 幅值 相位及相序相同 135 圖7 51同步發(fā)電機的準同步并網(wǎng)a 電路示意圖b 相量圖c 等值電路圖 并列斷路器合閘之前 QF兩側(cè)電壓的狀態(tài)量一般不相等 通過對發(fā)電機組G進行控制使它符合并網(wǎng)條件 然后發(fā)出QF的合閘信號 使發(fā)電機并入電網(wǎng) QF另一側(cè)為電網(wǎng)電壓 在圖7 51b中 斷路器QF兩端的電位差 當符合準同步并網(wǎng)條件時 0 這時并網(wǎng)時產(chǎn)生 的沖擊電流為零 對電網(wǎng)的擾動最小 機械工業(yè)出版社 圖中QF為并列斷路器 136 電壓幅值差Us產(chǎn)生的沖擊電流主要為無功沖擊電流 若其他準同步并網(wǎng)條件滿足 只有并網(wǎng)點兩端電壓的大小不相同 合閘時產(chǎn)生的沖擊電流的最大值可用下式近似計算 式中I0max 并網(wǎng)時沖擊電流最大值 Xd 待并網(wǎng)同步發(fā)電機的縱軸次暫態(tài)電抗 7 32 一般要求沖擊電流不超過發(fā)電機機端短路電流的0 05 0 1倍 準同步并網(wǎng)時偏差電壓US不能超過額定電壓的5 10 盡量避免無功沖擊電流 機械工業(yè)出版社 電壓允許偏差 實際運行中待并發(fā)電機組除相序必須與電網(wǎng)嚴格相同外 頻率 幅值 相位允許有一定的偏差 137 如果電壓 頻率相同 只有合閘瞬間相位不同 當相位差 c較小時 由其引起的沖擊電流主要為有功電流 其最大值近似為 7 33 并網(wǎng)時 若相位差 c增大 沖擊電流也增大 根據(jù)沖擊電流不超過發(fā)電機機端短路電流的0 1倍的要求 合閘時相位差一般不超過10 式中Xq 待并網(wǎng)同步發(fā)電機的交軸次暫態(tài)電抗 機械工業(yè)出版社 相位允許偏差 138 發(fā)電機與電網(wǎng)之間的頻率差稱為轉(zhuǎn)差頻率 頻率不相等時 會產(chǎn)生脈動電流 脈動電流將產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩 從而引起剛并入電網(wǎng)的發(fā)電機軸振動 嚴重時可能使發(fā)電機失去同步 要求待并網(wǎng)發(fā)電機與電網(wǎng)的頻率差不超過0 1 0 25Hz 機械工業(yè)出版社 頻率允許偏差 139 為了使待并發(fā)電機組滿足并網(wǎng)條件 自動準同步裝置一般設(shè)置三個控制單元 機械工業(yè)出版社 1 自動準同步裝置的組成 2 自動準同步裝置 2 電壓差控制單元 3 合閘信號控制單元 1 頻率差控制單元 140 圖7 52為典型自動準同步裝置構(gòu)成框圖 由圖中可見自動準同步裝置主要由頻差控制單元 壓差控制單元 合閘信號控制單元和電源部分等組成 圖7 52典型自動準同步裝置構(gòu)成框圖 機械工業(yè)出版社 141 在準同步并網(wǎng)操作中 合閘信號控制單元是準同步并網(wǎng)裝置的核心部件 其控制原則是在頻率和電壓都滿足并列的條件下 在 和 重合之前發(fā)出合閘信號 該合閘信號稱為提前 圖7 53準同步并網(wǎng)合閘信號控制的邏輯結(jié)構(gòu)框圖 量信號 圖7 53為準同步并網(wǎng)合閘信號控制的邏輯結(jié)構(gòu)框圖 機械工業(yè)出版社 142 圖7 54微機自動準同步裝置構(gòu)成框圖 微機自動準同步裝置是以微處理器 CPU 為核心的一臺專用的計算機控制系統(tǒng) 其硬件的基本配置由主機 輸入 輸出接口和輸入 輸出過程通道等部件組成 構(gòu)成框圖如圖7 54所示 2 微機自動準同步裝置 機械工業(yè)出版社 143 機械工業(yè)出版社 微機自動準同步裝置 1 主機主機由微處理器 CPU 存貯器 RAM ROM 等組成 2 輸入通道輸入通道按發(fā)電機并網(wǎng)條件 分別從發(fā)電機和母線電壓互感器二次側(cè)交流電壓信號中提取電壓幅值 頻率和相角差等三種信息 作為并網(wǎng)操作的依據(jù) 144 最簡單的辦法是采用變送器 將交流電壓轉(zhuǎn)化為直流電壓 通過A D接口電路送入主機 CPU讀得發(fā)電機和電網(wǎng)電壓值后 由軟件判斷是否符合并網(wǎng)的條件 如圖7 55所示 圖7 55交流電壓幅值的測 機械工業(yè)出版社 1 交流電壓幅值測量 145 頻率測量的基本方法是測量交流信號波形的周期T 交流電壓正弦信號通過降壓濾波后轉(zhuǎn)換為方波 再經(jīng)二分頻后輸入微機的定時計數(shù)接口電路 它的半波時間即為交流電壓的周期T 如圖7 56所示 圖7 56交流電壓頻率的測量 機械工業(yè)出版社 2 頻率測量 146 相角差 c的測量方法有幾種 其中一種方法是將交流電壓uM uG信號轉(zhuǎn)換成同頻 同相的方波后接到異或門中 當兩個方波輸入電平不同時 異或門的輸出為高電平 此電平信號用于控制可編程定時計數(shù)器的計數(shù)時間 其計數(shù)值與相角差相對應 如圖7 57所示 圖7 57相角 c的測量 機械工業(yè)出版社 3 相角差 c的測量 147 輸出通道輸出的控制信號有 這些控制信號可由并行接口電路輸出 經(jīng)放大后驅(qū)動繼電器 通過觸點控制相應的電路 機械工業(yè)出版社 3 輸出通道 發(fā)電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的增速減速信號調(diào)節(jié)發(fā)電機電壓的升壓 降壓信號并網(wǎng)斷路器合閘脈沖控制信號 148 機械工業(yè)出版社 4 人一機聯(lián)系 人一機聯(lián)系屬常規(guī)外部設(shè)備 其配置則視具體情況而定 主要用于程序調(diào)試 設(shè)置或修改參數(shù) 在裝置運行時 用于顯示發(fā)電機并網(wǎng)過程中主要變量 如相角差 頻率差 電壓差的大小和方向以及調(diào)速 調(diào)壓的情況 為運行操作人員監(jiān)視裝置的運行提供方便 常用的設(shè)備有鍵盤 按鈕和CRT顯示器等 149 機械工業(yè)出版社 7 5小水電站的計算機監(jiān)控與SCADA系統(tǒng) 7 5 1小水電站的計算機監(jiān)控 計算機監(jiān)控系統(tǒng)用于小型水電站的自動監(jiān)測 控制和保護 可對水電站實行遙測 遙信 遙調(diào)和遙控 使水電站運行實現(xiàn)高度自動化 實現(xiàn)少人或無人值班 提高了電站運行的經(jīng)濟性 可靠性和安全性 小型水電站一般用于滿足本地區(qū)負荷所需 單機容量小 機組事故停機對系統(tǒng)的影響較小 此類電站的計算機監(jiān)控系統(tǒng)應本著安全經(jīng)濟的原則 根據(jù)小型水電站自動化設(shè)計的特點 尋求適合小型水電