第5章 水能、小水力发电与控制技术

*,新能源发电与控制技术,第,5,章 水能、小水力发电与控制技术,机械工业出版社,机械工业出版社,第,5,章,水能、小水力发电与控制技术,1,机械工业出版社,2,主要内容,机械工业出版社,5.1 水力资源与水能的利用,5.2 水力发电,5.3 小水力发电机组的构成及工作原理,5.4 小水力发电机组的控制,5.5 小水电站的计算机监控与,SCADA,系统,5.6 小水力发电的经济技术性评价,3,小型水力发电机组,机械工业出版社,4,水力发电站,机械工业出版社,5,小水力发电站机房与户外输配电,机械工业出版社,6,自然界中的,水体在流动过程中产生的能量，称为水能。,水能的,重要应用就是水力发电,。,水力发电是利用河流、湖泊中的水,在流经不同高度地形时产生的能量来发电，是由,水力发电机组,中的,水轮机,和,发电机,实现,将水的位能通过水轮机变为机械能，再驱动发电机变为电能,的二次能源转换。,水力发电机组,主要由,水轮机和发电机组成,，水轮机的种类很多，不同种类的水轮机在小水电中均有应用。,水力发电机主要是同步发电机,。,机械工业出版社,7,小水电的新技术重点：,水力发电机组的控制,水力发电机组的控制：,频率及功率控制为主,水力发电机组并网：,准同步并网和自同步并网实现自动并网，,其中以准同步并网为主,电网的无功功率补偿：,由各种无功功率补偿器完成,计算机监控系统：,小型水电站的自动监测、控制和保护,水电站的现场监控及远程监控,监控与数据采集系统（,SCADA,系统,），可实现水力发电与调度的完全自动化。,机械工业出版社,8,全世界技术上可开发的水能资源约,15,万亿,kW,h,。,水能,包括：,位能、压能,和,动能,三种形式,广义的水能：,河流,水能、,潮汐,水能、,波浪,能和,海洋热能,狭义的水能：,河流水能，即河流、湖泊等位于高处的水流,至低处时所具有的位能,机械工业出版社,5.1.1 水能及水力资源的特点,水能：,自然界中的水体在流动过程中产生的能量,5.1 水力资源与水能的利用,9,根据当前技术、经济水平，可开发资源主要是河川水能资源，潮汐能资源占小部分，波浪能利用尚处于试验阶段。,水能资源，亦称水力资源。,机械工业出版社,水能资源分3级统计,理论蕴藏量,技术可开发资源,经济可开发资源,10,我国水力资源的特点:,机械工业出版社,）,水力资源总量较多，但开发利用率低,）,水力资源地区分布不均，与经济发展不匹配,） 大多数河流年内、年际径流分布不均,）,水力资源主要集中于大江大河，有利于集中开发和规模外送,11,当位于,高处具有位能的水流至低处冲击水轮机时，将其中所含有的位能转换成水轮机的动能，再由水轮机作为原动机推动发电机发电。,水能的,主要利用形式是水力发电,。,水力发电是,利用河流在流经不同高度地形时产生的能量来发电。,因此水力发电在某种意义上讲是水的位能变成机械能，又,变成电能的“转换过程”。,机械工业出版社,5.1.2 水能及水力资源的利用,12,可利用的水量和一年中不同的流量决定了水力发电站一年的发电量是不同的。,水能的大小取决于两个因素：,河流中水的,流量,（,Q,）,和水从多,高,的地方流下来（水头,/H,）,水的,流量：,指单位时间内水流通过河流（或水工建筑物）过水断 面的体积，,一般用立方米,/,秒（,m/s,）,和升,/,秒（,l/s,）,来表示。,水头：,用来表示发电站的发电机到水坝的水平面的高度（,m,）。,机械工业出版社,13,式中,P,发电机的输出功率（,kW,）；,Q,流量（,m/s,），,单位时间内流过水轮机水的体积；,H,水头（,m,），,水轮机做功用的有效水头，为,水轮机,进出口断面的总水位差,；,电厂的效率,（包括,水轮机和发电机,的总效率,0.60-0.85,）；,9.81,流速和水头转换为,kW,h,的常系数。,水力发电机发出的电能称为发电机的出力。,（,5,-,1,）,其计算公式为,机械工业出版社,14,对于小型水电站，水力发电机的出力近似为,（,5,-,2,）,年发电量的公式为,（,5,-,3,）,式中,E,年发电量（,kW,h,）；,平均出力（,kW,）；,T,年利用小时数（,h,）,机械工业出版社,15,按,照水源的性质可分为,常规水电站,和,抽水蓄能电站,。,按水电站集中水头的手段可分为,堤坝式,、,引水式,和,混合式,水电站三种基本类型；堤坝式适用大中型、引水式适用小型。,按水电站利用水头的大小可分为,高水头,（,70,m,以上）、,中水头,（,15,70,m,）,和,低水头,（,低于,15,m,）,三种水电站。,按水电站装机容量的大小可分为,大型,水电站（装机容量,在,30,万,kW,或以上）、,中型,水电站（,5,30,万,kW,）,和,小型,水,电站（,5,万,kW,以下）,。,按照水库的调节性能可分为具有调节水量能力的,水库式水,电站,和无水库调节能力的,径流式水电站,。,机械工业出版社,5.2.1 水电站的分类,5.2,水力发电,16,水力发电一般是通过集中水头，用人工的方式引导水流以高速度冲击水轮机，带动发电机发电，因此典型的水电站由以下几部分组成：,（,1,）水工建筑物包括大坝、引水建筑物和泄水建筑物等。,（,2,）水轮发电机组水轮机、发电机、主轴及控制系统等组成。,（,3,）厂房生产发电、输电和生活的建筑。,（,4,）变电所主要包括变压器、各种开关控制设备等。,（,5,）输电线输送电到变电站和终端用户的线路。,1,典型水电站的组成,5.2.2,水电站的组成,机械工业出版社,17,图,5,-,1,、图,5,-,2,分别为水电站的大坝和水电站发电机房的照片,图5,-1,水电站的大坝,图5,-2,水电站发电机房,机械工业出版社,18,图,5,-,3,为水力发电站发电原理示意图,图5,-3,水力发电站发电原理示意图,1,挡河大坝,2,打开导管的阀门,3,水轮机的叶轮,4,发电机,机械工业出版社,19,常规水电站一般由水库、水坝、引水隧道、发电设备、开关场和输电设备等组成。,图,5,-4,常规水力发电流程图,图,5,-4,为常规水力发电流程图,机械工业出版社,2常规水电站的组成,20,图,5,-,5,为抽水蓄能水力发电流程图。抽水蓄能电站由上池和上池坝、下池和下池坝、引水隧道、尾水路、发电设备、变压器、开关场及输电设备等组成。,图5,-5,抽水蓄能水力发电流程图,抽水蓄能发电为目前实现负载管理、调节系统用电高峰和低谷时电量的最佳方式。,机械工业出版社,3抽水蓄能电站的组成,21,1.定义:,小水电是,指装机容量,50000,kW,以下水,电站及其配套电网的统称。因此，小水电也包括,小小型,(,容量在,101,500,kW,),和,微型,(,小于,100,kW,),水电站,。,机械工业出版社,5.2.3 小水电,2.,特点:,1,）小水电环境影响远小于大型水电站；,2,）小水电开发灵活，可以分散开发、就地成网、分布供电；,3,）小水电可与灌溉、养殖、防洪、航运、旅游等有机结合，,同时受公益事业制约；,4,）小水电站的电力生产规模小，单位装机容量成本较高；,5,）小水电站存在着丰枯矛盾。,22,堤坝式,(,包括河床式、坝后式和岸式,水电站根据其集中水头的方式来分类:,机械工业出版社,我国的小水电站目前多半为引水式,，一般,采用梯级开发。,3小水电的类型,引水式,混合式,河床式,坝后式,岸式,23,小型水电站主要由及四大部分组成：,组成,挡水建筑物（坝）,泄洪建筑物（溢洪道或闸）,引水建筑物（引水渠或隧洞，包括调压井）,电站厂房（包括发电设备、尾水渠、升压站）,机械工业出版社,4小型水电站的组成,24,机械工业出版社,5.2.4 小水电的新技术及其应用,采用新材料和新技术,应用高科技提高发电机的性价比,箱式整装小水电站的应用,采用计算机远程监控新技术,水力发电机组的自动控制,25,1,水力发电机组的构成,水力发电机组是实现水的位能转化为电能的能量转换装置,水轮机,水轮发电机,调速器,励磁系统,冷却系统,电站控制设备,机械工业出版社,5.3 小水力发电机组的构成及工作原理,一般组成,5.3.1 小水力发电机组的构成及工作原理,26,（1）,水轮机,常用的水轮机有,冲击式,和,反击式,两种。,（2）,水力发电机,水力发电机大部分采用,同步发电机，,其 转速较低，水力发电机组的安装型式上有立式和卧式两种。,机械工业出版社,（3）,调速和控制装置（包括调速器和油压装置）,作用是,调节,水轮机转速，以保证输出电能的频率符合供电要求，并实现机,组操作(开机、停机、变速、增、减负荷)及安全经济运行。,（4）,励磁系统,通过对直流励磁系统的控制可实现电能的调压、有功功率和无功功率的调节。,27,（,5,）冷却系统,小型水力发电机的冷却主要采用空气冷却, 大容量水力发电机采用了定、转子绕组直接水冷的方式；或者定子绕组用水冷，而转子用强风冷却。,（6）,电站控制设备,电站控制设备目前主要以微机为主，实现水力发电机的并网、调压、调频、功率因数的调节、保护和通信等功能。,（7）,制动装置,额定容量超过一定值的水力发电机均设有制动装置。,机械工业出版社,28,2,水力发电机组的工作原理,水力发电机组的能量转换过程分为二个阶段：,水轮机在水流的冲击作用下开始旋转，将水的位能转换为,机械能。,发电机将水轮机的机械能转换为电能：,水轮机带动同轴相连的水力发电机旋转，在励磁电流的作用下，旋转的转子带动励磁磁场旋转，发电机的定子绕组切割励磁磁力线产生感应电动势，输出电能实现能量的转换。,所以水轮机和发电机是水力发电机组中最关键的两个部件。,机械工业出版社,29,水轮机的本体由转轮、座环、蜗壳和主轴等组成。除此以外，根据型号的不同，还配有附属装置和部件。不同型式的水轮机，其结构和适用范围不甚相同。,水轮机是水涡轮机的简称。,水轮机是根据水的流量和水头大小进行设计和制造的，,作用是将水能转变为,机械能,，并带动水轮发,电机,发电。,机械工业出版社,5.3.2,水轮机,30,Q=Av,（,5,-,4,）,式中,A,水轮机的过水断面的面积，单位,m,；,v,过水断面平均流速，单位为,m/s,。,1,),水轮机的基本工作参数,水轮机的基本工作参数有,水头、流量、转速、出力和效率。,水轮机水头：,指水轮机进口断面与其出口断面的单位重量水流,能量的差值，用,H,表示，单位为,m,。,水,轮机流量,：指单位时间内通过水轮机过水断面的水流体积，,单价为,m/s,，,通常用,Q,来表示，即,机械工业出版社,1,.,水轮机的主要工作参数,31,式中,s,水轮机的效率；,P,i,水流输入水轮机的功率（,kW,）,。,水轮机的转速,：,指水轮机主轴每分钟旋转的转数,(,r/min),，,水轮机的出力,：,指水轮机轴端输出的功率，其表达式为,P,s,=,9.81,QH,（,5,-,5,）,式中,P,s,水轮机轴端输出的功率,(,kW),。,水轮机效率：,指水轮机出力与水流出力之比，其表达式为,（,5,-,6,）,机械工业出版社,32,式中,n,s,水轮机的比转速；,n,水轮机,的转速（,r/min,）。,2,),水轮机的比转速,水轮机比转速的定义为：,几何相似的水轮机，当水头为,1,m,、,输出的机械功率为,1,kW,时的转速,称为水轮机比转速。,水轮机比转速的计算公式为,（,5,-,7,）,机械工业出版社,33,水轮机按照工作原理可分为,:,-,转轮在水中受到水流的反作用力而旋转，工作过程中水流的压力能和动能均发生变化，主要是压力能的转换。,机械工业出版社,2.,水轮机的分类,冲击式水轮机,反击式水轮机,-,转轮受到水流的冲击而旋转，工作过程中水流的压力不变，主要是动能的转换。,1,),冲击式水轮机,冲击式水轮机根据水流喷射条件和转轮结构的不同，可分为,水斗式、斜击式、双击式,三种。,34,a,）,水斗式水轮发电机组,b,）,双喷嘴水斗式水轮机转轮,图,5,-,6,水斗式水,轮机,机械工业出版社,水斗式水轮机又称培尔顿(,Petion,),水轮机，如图5,-6,所示。,（1）,水斗式水轮机,35,c,）,水斗式水轮机工作原理示意图,1,转轮室,2,水轮机叶片,3,射流制动器,4,折向器,水斗式水轮机,从喷嘴喷出来的射流沿转轮圆周切线方向射向双,U,型的水斗中部，然后在水斗中转向两侧排出，领先压力水，通过喷嘴形成一股强有力的高速射流射出，冲击转轮上的水斗使其旋转，实现水能向机械能的转换。,机械工业出版社,36,a）,斜击式水轮发电机组,b）,斜击式水轮机转轮,图,5,-,7,斜击式水轮机,机械工业出版社,斜击式水轮机中的结构与水斗式水轮机基本相同，只是,射流方向有一个倾角。如图,5,-7,所,示。,（2）斜击,式水轮机,37,斜击式水轮机,图,5,-,7,斜击式水轮机,c,）,斜击式水轮机转轮结构,1射流 2喷嘴 3转轮 4斗叶,喷嘴与转轮平面成大约22.5的角度，射流倾斜于转轮轴线，从进口平面一侧射向叶片，通过叶片后从另一侧排出。,机械工业出版社,38,双击式水轮机喷嘴中的水流首先从转轮外周进入叶片流道，其中大部分（,70%,80%,）水流的能量转变成转轮的机械能，然后离开流道穿过转轮中心部分的自由空间，第二次从内周进入叶片流道，剩余（,20%,30%,）的水流能量再转变为转轮的机械能，最后水流从转轮外周流出。,机械工业出版社,（3）双击式水轮机,39,在反击式水轮机中，由于水流充满整个转轮流道，全部叶片同时受到水流的作用，所以在同样的水头下其转轮直径小于冲击式水轮机，其最高效率也高于冲击式水轮机，但当负荷变化时，水轮机的效率将受到不同程度的影响。,反击式水轮机根据水轮机转轮内水流的特点和水轮机结构上的特点，可分为,混流式、轴流式、斜流式和贯流式四种。,机械工业出版社,2）反击式水轮机,40,（1）混流式水轮机,图,5,-,8,混流式,水轮机,a）,混流式水轮发电机组,b）,混流式水轮机转轮,机械工业出版社,混流式水轮机又称为弗朗西斯水轮机。如图,5,-8,所示。,41,混流式水轮机,c,）,混流式水轮机工作原理示意图,1,导叶,2,转轮,3,水轮机,轴,图,5,-,8,混流式,水轮机,水流径向进入导水机构，轴向流出转轮，带动转轮转动。,机械工业出版社,42,图,5,-,9,轴流式水轮机,a）,轴流式水轮发电机组,b）,轴流式水轮机转轮,机械工业出版社,轴流式水轮机又可分为转桨式和定桨式水轮机。,图,5,-9,为轴流,式水轮机。,（2）轴流式水轮机,43,轴流式水轮机,c,）,轴流式水轮机导水机构,d,）,轴,流式水轮机工作原理示意图,1,导叶,2,轮叶,3,转毂,图,5,9,轴流,式水轮机,在轴流式水轮机中，水流径向进入导水机构中的导,叶，轴向进入和流出转轮，带动转轮转动。,机械工业出版社,44,a),贯流式水轮发电机组,b）,灯泡贯流式水轮发电机组剖面图,机械工业出版社,贯流式水轮机可分为全贯流式和半贯流式。,贯流式,又分为灯,泡式和竖井式，灯泡式,如图,5,-10,所示。,（3）贯流式水轮机,图,5,-,10,贯流式水轮机,45,c,）,灯泡贯流式水轮机结构和原理示意图,尾水管转轮活动导叶固定导叶,发电机灯泡体,图,5,-,10,贯流式水轮机,机械工业出版社,46,斜流式水轮机如图,5,-,11,所示,a),斜流式水轮机转轮,b),斜流式水轮机工作原理示意图,1,导叶,2,轮叶,3,水轮机轴,图,5,-,11,斜流式水轮机,机械工业出版社,（4）斜流式水轮机,47,同步发电机是交流电机的一种，其运行特点是转子旋转速度和定子旋转磁场的速度严格同步，既电能的频率与转子转速有着严格的不变的关系；同步发电机可通过调节励磁电流来改变功率因数和稳定输出电压，以改善供电质量。,小型水力发电机多数为同步发电机，异步发电机使用较少。,微型水力发电机有异步发电机、同步发电机、永磁发电机，,其中又分为单相和三相发电机。,机械工业出版社,5.3.2 水力发电机,48,同步发电机的励磁系统主要有两大类：,供给励磁电流的整个系统称为励磁系统,通过整流装置将交流电流整成直流电流以满足需要,直流发电机供给直流励磁电流,机械工业出版社,同步发电机按照转子的结构来分有隐极式和凸极式两种。,1同步发电机的结构,2同步发电机的励磁系统,49,（,1,）额定容,量,S,N,发电机出线端额定视在功率，单位：,kVA,（,2,）,额定功率,P,N,发电机出线端额定输出的有功功率，,单位：,kW,（,3,）,额定电压,U,N,发电机额定运行时定子的线电压，,单位：,V,或,kV,（,4,）,额定电流,I,N,发电机额定运行时定子的线电流，单位：,A,（,5,）,额定功率因数,cos,N,发电机额定运行时的功率因数。,（,6,）,额定效率,N,发电机额定运行时的效率。,（,7,）额定频率,f,N,发电机额定运行时定子电流的频率，,单位：,Hz,。,机械工业出版社,3水轮同步发电机的额定值,50,对于直流励磁系统，还有额定励磁电流,I,fN,（,A,）、,额定励磁电压,U,fN,（,V,）。,(8),额定,转速,n,N,发电机额定运行时转子转速，单位：,r/min,。,其中,（,5,-,8,）,机械工业出版社,水轮发电机还有,飞逸转速、飞轮转矩和短路比,等参数：,飞逸转速：,是在考虑发电机的结构和强度要求决定的。,飞轮转矩：,是发电机转动部分的重量与飞轮直径平方的乘积。,短路比：,是发电机在空载额定电压时励磁电流与三相稳态短路额定电流时励磁电流的比值。,51,空载特性、短路特性、负载特性则是检验发电机基本性能的特性。,水轮同步发电机的运行特性：,空载特性、短路特性、负载,特性、外特性和调节特性,等。,外特性和调节特性是主要运行特性，根据这两种特性，可以判断发电机的运行状态是否正常，以便及时调整，确保电能的质量。,机械工业出版社,4水轮同步发电机的运行特性,52,同步发电机不同功率因数时的外特性如图,5,-,12,所示。,外特性是发电机,在转速为额定值、励磁电流和负载功率因数,不变的条件下,，发电机,端电压,U,和,负载电流,I,之间的关系曲线,U,=,f,（,I,）。,图,5-12,同步发电机的外特性,感性、纯电阻负载：即,I,U,容性负载时：,I,U,感性负载：过励状态,容性负载：欠励状态,为使在不同功率因数条件下发电机,工作于额定点：,机械工业出版社,(1) 外特性,53,调整特性是发电机,在转速为额定值、,功率因数,和端电压不变的条件下，,发电机,励磁电流,I,f,和,负载电流,I,之间的关系曲线,I,f,=,f,（,I,）。,图,5,-13,为同步发电机的调整特性曲线。,图,5-13,同步发电机的调整特性,对容性负载,欠励：,I,I,f,对感性和纯电阻性负载,过励：,I,I,f,为维持,端电压,U,不变,：,机械工业出版社,（2）调整特性,54,其中以频率及功率控制为主。,水轮发电机组的自动并列,自动调节励磁、频率和有功功率,无功功率的补偿,辅机的自动控制,水轮发电机组的自动操作，自动保护等,机械工业出版社,5.4 小水力发电机组的控制,1.,水轮发电机组自动控制系统的任务,5.4.1 小水力发电机组的自动控制系统,任务,55,机械工业出版社,任务要求和影响因数,负载要求电能的电压和频率应为额定值，波动小。,发电机发出电能的电压、频率或并网电压、频率的稳定度分别取决于发电机或电网内无功与有功功率的平衡。,频率的波动是由发电机输入功率和输出功率之间的不平衡引起的。,电压的波动主要由负载大小的变化和负载性质的变化（即有功功率和无功功率的变化）引起。,56,水力发电机组控制的基本任务,:,根据负载的变化不断调整水轮发电机组的有功和无功功率输出，并维持机组,转速（频率）,和输出,端电压,U,在规定的范围内。,两者的调节相对独立，相互影响较小。,机械工业出版社,水轮发电机组,频率的控制由水轮机调速器实现,端电压的稳定可由发电机励磁调节器来完成,57,式中,T,S,水轮机的动力转矩（,N,m,）；,T,L,发电机阻力转矩，包括发电机电磁制动转矩和,摩擦等制动转矩（,N,m,）；,J,机组转动部分的转动飞轮总惯量（,kg,m,2,）；,机组的角速度（,rad/s,），,水轮发电机组的运动方程式可以表示为,(5,-,9),机械工业出版社,1）水轮机调速器的调节原理,2 .水轮机调速器的工作原理及特性,水轮机调速器主要用于控制水力发电机组转速与出力，其品质与性能直接影响到电能品质和水电站的安全可靠运行。,58,水轮机动力转矩的表达式为,（,5,-,10,）,式中,水的密度（,kg/m,3,）,为保证电能的频率不变，水轮机驱动发电机的转速必须恒定，,d,/,dt,=0。,控制水轮机的动力转矩,T,S,时刻跟随着,T,L,的变化， 使,T,S,T,L,=0。,由式,（5,-10,）,可见，通过调速器改变水轮机导水机构导叶的开度，来,改变,水轮原动机的进水量,Q,，可达到调节转矩的目的。,机械工业出版社,59,水轮机调节的基本任务是：当负载变化时，原来的稳定平衡被破坏，动力矩和阻力矩不再相等，使转速和频率与额定值之间出现偏差，这时由频率闭环调节器的调节作用，可快速、准确地消除偏差，使机组在新的平衡条件下运行。,机械工业出版社,2）频率调节,60,电力系统的,负荷是不断变化,的，而,原动机输入功率,的改变则,较缓慢,，因此系统中,频率的波动,是难免的。,图5,-14,电力系统负荷瞬时变动情况,电力系统负荷瞬时变动情况如图,5,-14,所示。,机械工业出版社,负荷的变动情况分解成几个分量：,1）变化周期一般小于10,s,的随机分量，其变化幅度较小。,2）变化周期在,10,s3min,之间的脉动分量，其变化幅度比随机分量要大些。,3）变化十分缓慢的持续分量并带有周期规律的负荷，为负荷变化中主体。,61,第二种负荷变化引起的频率偏移较大，必须由,调频器,参与,水轮机转速控制和调整,这种调整称为频率的,二次调整,。,第一种负荷变化引起的频率偏移，一般利用水轮发电机组上装设的,调速器对水流调节，,控制和调整原动机的输入功率，以维持系统的频率水平，称为频率的,一次调整,。,第三种负荷变化可以用,负荷预测,的方法预先估计得到。在满足系统有功功率平衡的条件下，将这部分,负荷按照经济分配原则,在各发电厂间进行分配。,机械工业出版社,62,当电力系统负载系统频率,调速器作用,输出功率, 输出频率,图5,-15,同步发电机组功率频率特性,机械工业出版社,发电机输出的有功功率和频率之间密切相关，两者的关系称为发电机的,功率频率静态特性,，如图,5,-15,所示。,3）有功功率调节,63,式中负号表示发电机输出功率的变化和频率变化符号相反；,其中,K,频率调差系数；,f,频率差，对应有功功率,P,时频率相应的增量（,Hz,）；,P,发电机有功功率增量（,MW,）；,同步发电机组,功率频率特性,的斜率称为发电机的,频率调差系数,即,（,5,-,11,）,机械工业出版社,64,式中,f,N,、,P,N,分别为频率和功率的额定值；,水轮发电机组的,K,*=,（,2,4,）,%,。,调差系数,K,的,标么值,表达式为,（,5,-,12,）,发电机组,功率频率特性,的,调差系数,主要决定于调速器的静态调节特性，与机组间有功功率的分配密切相关。,机械工业出版社,65,两台发电机并联运行时其调差特性与机组间的有功功率的分配情况可用图,5,-16,来说明。,图5,-16,两台发电机的并联运行,曲线,1号发电机组,的调节特性,曲线,2,号发电机组的调节特性,系统总负荷为,P,L,，,如线段,CB,的长度所示，系统频率为,f,N,，,1,号机组承担的负荷为,P,1,，,2,号机承担的负荷为,P,2,，,于是有：,P,1,十,P,2,=,P,L,。,机械工业出版社,66,当系统负荷增加，经过调速器的调节后，系统频率为,f,1,，,1,号发电机组的负荷为,P,1,，,增加了,P,l,；,2,号发电机组的负荷为,P,2,，,增加了,P,2,，,两台发电机组增量之和等于,P,L,。,式（,5,-,13,）表明，并联运行的发电机组间功率分配与机组调差系数成反比，调差系数标么值大的机组分担的有功功率标么值反而小。,由式（,5,-,12,）可得,（,5,-,13,）,电力系统中，机组调差系数等于零是不能并联运行的。,机械工业出版社,67,调速器的静特性是机组频率,f,和导叶开度,Y,之间的关系曲线,如图,5,-,17,所示。因并网后有功功率调节的需要，其频率必须是有差调节。,图 5,-17,调节器,的静特性,图,5,-,17,中对应接力器行程,(0,100%),的频差相对值，称为永态转差系数,b,p,，,即：,b,p,的值可根据要求进行设定,机械工业出版社,4）调速器的静特性,68,现代水轮机的调速器（控制器）功能：,机械工业出版社,3,.,水轮机,调速器的总体结构,功率调节,水轮机叶片开度调节,起停机操作及工况转换等,功能不同，调速器的结构也不尽相同。,速度调节,69,采集各种外部信号（状态和命令）实现水轮机导叶开度,Y,的控制。,图5,-18,电子式调速器总体结构,a,）,模拟式综合,b,）,数字式,综合,调速器的总体结构主要有机械式和电子式两种。,电子式又分为模拟式和数字式，如图,5,-,18,所示。,电子控制器的任务：,机械工业出版社,70,n,脉冲频率, ,频率变送器输出, ,经信号整形和放大后，启动阀控,导叶,开度,水轮机进水量,原动机输入功率,n,图,5,-,19,为电子液压式水轮发电机组调速系统原理示意图。,图5,-19,电子液压式水轮发电机组调速,系统原理示意图,装在发电机轴上的齿轮、脉冲传感器和频率变送器,转速测量部分,机械工业出版社,71,1,),微机调速系统的组成,图5,-20,微机调速器控制系统的典,型结构,机械工业出版社,4,.,水轮机微机调速系统,微机调速器组成的水轮机自动调速系统，由被控对象水轮发电机组、检测部分、微机智能控制器、执行器等组成闭环控制系统，如图,5,-20,所示。,72,机械工业出版社,2),微机调节器的控制功能,一套为自动调节器，另一套为手动调节器。正常运行时采用自动调节器，手动调节器在自动调节器发生故障时备用。,微机调节器除了转速（频率）控制外，一般还具备水轮机的开度调节、水位控制和发电机输出有功功率的调节。,微机调节器微机调节器一般由两套调节器组成：,3),微机调节器控制策略,由微机调节器组成的水轮发电机组转速,(,频率,),闭环自动控制系统，其控制策略通过软件来实现，各种控制方法目前有许多研究，但主要还是以数字,PID,控制方法为主，数字,PID,控制器是将连续域的,PID,控制器离散化得到的。,73,图,5-21,为,PID,调节器的框图，图中,r,（,t,）为调节器的给定输入信号，,u,（,t,）为调节器的输出信号，,e,（,t,）为调节器的偏差信号，,y,（,t,）为系统的输出,。,图,5-21,PID,调节,器框图,机械工业出版社,74,调节器的输入和输出之间的关系为,式中,K,p,比例系数；,i,积分时间常数；,d,微分时间常数。,（,5-14,）,机械工业出版社,其传递函数为,（,5-15,）,式中,K,i,积分系数，,K,i,=,K,p,/,i,；,K,d,微分系数，,K,d,=,K,p,d,。,75,对式（,5-14,）离散化，可得数字,PID,调节器为,式中,T,采样周期，为保证精度采样周期应可能短；,采样后的积分系数，,采样后的微分系数，,u,（,kT,）,第,k,次采样周期的输出量；,e,（,kT,）、,e,（,kT,1,）,分别为第,k,次、,k,1,次采样周期,的输入误差。,（,5-16,）,机械工业出版社,76,式（,5-16,）称为位置式,PID,，其特点是调节器的输出,u,（,kT,）与过去的状态有关，系统运算工作量大，需要对,e,（,kT,）作累加，从而产生误差积累，影响控制系统的性能。,在水轮发电机组的调速控制中，一般采用增量式,PID,，通,过对式（,5-16,）取增量，可得数字式调节器的增量输出为,（,5-17,）,机械工业出版社,77,PID,调节器的输出可由下式求得,在水轮发电机组的调速（调频）控制中，误差为,式中,f*,给定频率；,f,实测的频率；,f,0,基准频率，,f,0,=50Hz,。,（,5-18,）,（,5-19,）,机械工业出版社,78,为提高,PID,调节器的抗干扰能力，一般用实际微分环节取代理想微分环节，即用,K,d,s,/,（,1+,d,s,）取代,K,d,s,，此外水轮机在并网前（空载时）按,PID,调节规律进行频率控制外，并网后需按稳态（永态）转差系数,b,p,作频率的有差调节，此时式（,5,14,）中的积分项用下式代替,式中,b,p,永态转差系数；,Y*,接力器的行程给定；,Y,接力器的实际行程。,（,5-20,）,机械工业出版社,79,因此，水轮发电机组调节器的传递函数为,（,5,-,21,）,式（,5-17,）中增量的积分项可表达为,机械工业出版社,80,式（,5-17,）中增量的微分项可表达为,（,5-22,）,；,。,式中,可以推导出水轮发电机组调节器实用的增量型,PID,控制算式,（,5-23,）,机械工业出版社,81,图,5-22,为带电液随动系统的增量式数字,PID,微机调速器控制系统的原理图，图中步进电机与机液随动系统组成数字式电液随动系统。,图,5-22,增量式数字,PID,微机,调速器控制系统的原理图,机械工业出版社,4),微机调节器控制系统原理框图,82,由,PLC,组成的微机调速器其频率的测量一般由单片机实现，,图,5-23,为由单片机,80C51,组成的智能测频单元。,图,5-23,单片机测频原,理框图,机械工业出版社,5),智能测频单元,83,机械工业出版社,6),微机调速器的三种调节模式及其转换,微机调速器有频率调节、功率调节和水轮机开度调节三种调节模式。,不同的工况下，微机调速器的调节模式不同：,空载状态下只能是频率模式；,并网后如调度中心要求机组担任调频任务，则调速器必须处于频率调节模式；,如果调度中心要求机组担任额定负载调节，则调速器可处于功率调节或开度调节模式下运行。,84,当机组处于空载运行时，调速器在自动工况，频率跟踪功能退出，此时频率给定为,f*,，频率反馈为,f,，控制策略一般为,PID,控制。其调节框图如图,5-24,所示。,图,5-24,频率自动调节原理图,1),频率自动调节,机械工业出版社,（,1,）,频率调节与跟踪,85,当投入频率跟踪功能时，调节器自动地将网频作为频率给定，与频率自动调节过程一样，在调节过程终了时，机频与网频相等，实现机组频率跟踪电网频率的功能。,2,）频率跟踪,机械工业出版社,3,）相位控制,调速器处于频率跟踪方式运行时，即使机组频率等于电网频率，但由于可能存在相位差，也不能使机组快速并网。为此增加相位控制功能，这时调节系统框图如图,5-25,所示。,5-25,具有相位控制的调节系统框图,86,图,5-26,功率调节原理框图,（,2,）,功率调节,并网运行的发电机的调速器受电网频率及功率给定值控制。,功率调节控制系统原理如图,5-26,所示。,机组并网前,b,p,0,，并网后，频率给定自动整定为,50Hz,，,b,p,置整定值，实现有差调节；同时切除微分作用，采用,PI,控制，并投入人工失灵区。,机械工业出版社,87,当调速器处于水位调节运行方式时，发电状态下的调速器按水位给定值采用,PI,控制，如图,5-27,所示。,图,5-27,水位控制原理图,机械工业出版社,(3),水位（开度）调节,88,三种调节模式间的转换关系见图,5-28,。,图,5-28,微机调速器的三种调节模式及,其转换,机械工业出版社,89,水轮同步发电机在实现水能向电能转换的过程中，借助于励磁系统中的直流电流建立的磁场作为媒介，产生感应电动势和输出交流电流。励磁电流不仅影响其能量的转换，而且对输出电能的质量影响很大。通过励磁电流的调节与控制，可稳定输出电压、实现有功功率和无功功率的调节。,机械工业出版社,5.4.2,小水力同步发电机自动励磁控制系统,1.,小水力同步发电机自动励磁系统的组成及任务,90,同步发电机的自动控制励磁系统是由励磁调节器、励磁功率单元、检测部分和同步发电机组成的闭环反馈控制系统，如图,5-29,所示。,图,5-29,同步发电机自动控制励磁系统构成框图,机械工业出版社,1),同步发电机自动控制励磁系统的基本组成,91,机械工业出版社,2),同步发电机自动控制励磁系统的任务,（,1,）电压的调节,（,2,）无功功率的调节,（,3,）并联运行各发电机之间无功功率的合理分配,（,4,）提高电力系统运行的稳定性,（,5,）改善电力系统的运行条件,（,6,）,水轮发电机组要求实现强行减磁,92,无功负载电流是造成发电机端电压变化的主要原因。为维持,端电压的稳定，负载变化时必须调节发电机的励磁电流。图,5-30,为隐极同步发电机运行时（不计电阻压降）的相量图。,图,5-30,同步发电机运行时相量图,机械工业出版社,（,1,）电压,的调节,-,发电机定子绕组中由励磁磁场产生,的空载感应电动势；,-,发电机定子端输出电压；,-,定子绕组中的电流；,-,无功电流；,-,有功电流；,-,同步电抗；,-,功率因数角；,-,和,之间的夹角（同步发电机功率角）。,93,由图,5-30,可得,（,5-24,）,和,之间的数量关系为,一般,很小，可以近似认为,cos,1,，,（,5-25,）,于是，上式可简化为,机械工业出版社,94,机械工业出版社,结论：,由式（,5-25,）可见，在发电机励磁电流不变，即空载感应电动势,E,q,不变时，发电机端电压随着无功电流的增大而减小，为维持端电压不变，必须增大发电机的励磁电流。,同理，无功电流减小时，发电机端电压将增大，必须减小励磁电流。,同步发电机励磁自动控制系统就是通过不断地调节励磁电流来维持发电机输出电压为给定水平。,95,设同步发电机与无穷大电网,U,M,并联，因此发电机端电压不随负荷大小而变，其接线图如图,5-31,所示，图,5-31,是不同励磁电流情况下的相量图。,图,5-31,同步发电机与无穷大电网并联,）接线图,）相量图,机械工业出版社,（,2,）无功功率的调节,96,因发电机发出的有功功率只与其输入功率有关，与励磁电流无关，所以励磁电流变化时，发电机输出的有功功率,G,均不变，即,式中,C,1,常数。,（,5-26,）,不计定子电阻和凸极效应时，发电机有功功率又可用下式表示,式中,同步发电机功率角；,C,2,常数。,（,5-27,）,机械工业出版社,97,由上面两式可见，当发电机的有功功率不变而励磁电流变化时，,和,的值均不变，即,式中，,K,1,、,K,2,为常数。,由图,5-31,中的相量关系可见，发电机励磁电流的变化只是改变了机组的无功功率和功率角,值的大小。,机械工业出版社,结论：与无限大容量母线并联运行的机组，调节它的励磁电流可以改变发电机无功功率的数值。,98,并联运行的各发电机间无功电流的分配取决于各自的,外特性，如图,5-32,所示 。,图,5-32,并联运行发电机间无功负荷的分配,）原理图）外特性和无功负荷的分配,机械工业出版社,（,3,）并联运行各发电机之间无功功率的合理分配,99,当两台以上发电机并联运行时：,它们发出的无功功率,、,即,（,5-28,）,、,发电机的端电压都等于母线电压,机械工业出版社,之和必须与母线中总无功电流,当电网需要的无功电流增大时，将改变两机组的无功电流分,配，斜率越小的机组，无功电流的增量就越大。,，,电流,值相等，,结论：,电网需要的无功电流,U,100,机械工业出版社,电力系统的静态稳定和暂态稳定都与励磁调节系统有关。,当电力系统由于种种原因，出现短时低电压时励磁自动控制系统可以发挥其调节功能，即大幅度地增加励磁以提高系统电压，改善系统的运行条件。,在机组甩负荷或其他原因造成发电机过电压时，强行减磁。,（,4,）提高电力系统运行的稳定性,（,5,）改善电力,系统的运行条件,（,6,）水,轮发电机组要求实现强行减磁,101,水轮发电机组自动控制系统的任务由励磁调节器和励磁功率单元共同完成，因此对两者各自提出如下的要求：,机械工业出版社,3),对励磁系统的基本要求,（,1,）对励磁调节器的要求,（,2,）对,励磁功率单元的要求,102,机械工业出版社,4),自动励磁调节器的控制规律,自动励磁调节器的控制规律有比例式（,P,）、比例积分式（,PI,）及比例积分微分式（,PID,）。,比例式是按发电机电压及电流的偏差进行调节。,比例积分式除按比例式调节外，尚有积分部分，可提高调节的准确度。,比例积分微分式除按比例调节外，还引入电压、电流的导数或转速频率等信号，以改善电力系统的动态性能,。,103,机械工业出版社,同步发电机的励磁系统有直流励磁机励磁系统、交流励磁机励磁系统和发电机自并励系统三大类。,直流励磁机励磁系统中采用直流发电机作为励磁电源，供给发电机转子回路的励磁电流。,直流机励磁方式又可分为自励式和它励式。,2.,同步发电机自动控制励,磁系统,),直流励磁机励磁系统,104,图中直流发电机,LG,本身的励磁电流通过自励方式获得。其励磁绕组,LLQ,与直流发电机电枢绕组并联，直流发电机发出的电提供给同步发电机,G,的励磁绕组,FLQ,，,TV,为变压器。,TA,为电流互感器。,图,5-33,自励式直流励磁机系统原理接线图,机械工业出版社,图,5-33,为自励式直流励磁机系统原理接线图。,105,图,5-34,为他励式直流励磁机系统原理接线图。,图,5-34,他励直流励磁机系统原理接线图,它是在自励系统中增加副励磁机，用来供给励磁机的励磁电流，副励磁机,FL,为主励磁机,JL,的,励磁机，副励磁机与主励磁机均与发电机同轴。,机械工业出版社,106,机械工业出版社,),交流励磁机励磁系统,交流励磁机励磁系统的核心设备是交流励磁机，交流励磁机容量相对较小，只占同步发电机容量的,0.3,0.5,，且时间常数也较小（即响应速度快）。交流励磁机系统也有他励方式和自励方式两种。,交流励磁机系统是采用专门的交流励磁机代替了直流励磁机，并与发电机同轴。它运行发出的交流电，经整流电路后变成直流，供给发电机励磁。,107,自并励系统中，因没有转动部分，故又称静止励磁系统，,如图,5-35,所示。,图,5-35,发电机自并励系统框图,机械工业出版社,),发电机,自并励交流励磁系统（静止励磁系统）,108,无刷励磁系统，,如下图,5-36,所示。,图,5-36,无刷励磁系统框图,机械工业出版社,4),无刷励磁系统,109,同步发电机自动控制励磁系统实际上是一个电压负反馈闭环控制系统，其基本原理如图,5-37,所示。,图,5-37,自动励磁系统基本原理框图,机械工业出版社,3.,晶闸管同步发电机自动控制励磁系统,110,典型的晶闸管自动励磁调节器的框图如图,5-38,所示。它是由测量、放大、同步、触发、反馈、调差、起励及辅助（稳定、限制）等单元组成。,图,5-38,典型的晶闸管自动励磁调节器的框图,机械工业出版社,111,机械工业出版社,4.,微机同步发电机自动控制励磁系统,微机,(,数字,),式励磁调节器其构成的主要环节与模拟型调节器相似,微机型励磁调节器是由一台专用的计算机控制系统构成,计算机控制系统由硬件,(,即电气元件,),和软件,(,即程序,),两部分组成,112,硬件的基本配置为主机、输入、输出接口和输入、输出过程通道等环节组成。它的典型框图如图,5-39,所示。,图,5-39,典型微机励磁调节器框图,机械工业出版社,1),硬件电路,113,机械工业出版社,微机同步发电机自动控制励磁系统,(1),主机,由微处理器,CPU,、,RAM,、,ROM,存储器等组成。实现对励磁电流的控制。,(2),模拟量输入通道,输入的模拟量主要有测量出的发电机运行电压,U,G,、无功功率,Q,、有功功率,P,和励磁电流,I,E,等。,(3),开关量输入、输出通道,开关量输入主要有发电机运行状态的信息，如断路器、灭磁开关等的状态信息。,(4),脉冲输出通道,输出的控制脉冲信号需经中间和末级放大后，才能触发大功率晶闸管控制其,输出电流。,114,微机励磁调节器的调节和限制及控制等功能都是通过软件实现的。微机励磁调节器的软件流程框图如图,5-40,所示。,微机励磁调节器的软件由主程序和中断服务程序两部分组成。,图,5-40,微机励磁调节器的软件流程框图,机械工业出版社,2),软件结构,115,交流信号的采样中断服务子程序，流程图如图,5-41,所示；,触发脉冲软件分相和输出电压测频中断服务子程序，流程图如图,5-42,所示。,中断服务子程序,图,5-41,采样中断服务子程序流程图,图,5-42,触发脉冲及电压测频中断,服务子程序流程图,机械工业出版社,116,机械工业出版社,5.4.3,无功功率补偿技术及装置,在电力系统中电压是电能质量的重要指标之一，由前面的分析可知，无功功率是影响电压质量的一个重要因素。可以说，电压问题本质上就是无功功率问题。因此解决好无功功率补偿问题，具有十分重要的意义。,117,机械工业出版社,1,无功功率补偿的作用,(1),减少电力损失,一般工厂动力配线依据不同的线路及负载情 况，其电力损耗约,2%,3%,左右，使用无功功率补偿后提高了功率因数，总电流降低，可降低供电端与用电端的电力损失。,(2),改善供电品质,提高功率因数，减少负载总电流及电压降，提高供电设备容量的利用率。,(3),延长设备寿命,改善功率因数后线路总电流减少，使接近或已经饱和的变压器、开关等机器设备和线路容量负荷降低，因此可以降低温,升增加寿命。,118,（,5-29,）,电源提供的无功功率，包括由发电机提供的无功功率,和无功功率补偿设备供应的无功功率,；,感应电动机等负荷所需的无功功率；,输电设备（包括输配电变压器、输电线路等）,引起的无功功率损耗。,式中,电网中无功功率电源所发出无功功率必须与无功功率负荷及,无功功率损耗相平衡，即,机械工业出版社,2,电力系统无功功率平衡与电压的关系,119,（）补偿,容量不足时的无功功率平衡,图,5-43,系统负荷无功功率一电压特性,负荷,无功功率,电压特性,可以用图,5-43,所示的二次曲线表示。,进行系统无功功率平衡的前提是保持系统的电压水平正常。,正常情况下，,U,=,U,N,无功功率,U,机械工业出版社,120,在正常情况下,(,系统电压为额定电压,),，系统无功电源,Q,同电压,U,的关系如图,5-44,中的曲线所示，负荷的无功功率,电压特性为曲线,2,，两者的交点,a,确定了负荷节点的电压,U,a,。,图,5-44,电力系统和无功功率,-,电压的静态特性,正常情况下，,U,=,U,a,Q,曲线,2,2,，无功电源不变,U,=,U,a,U,Q,无功电源,U,=,U,a,机械工业出版社,(2),补偿容量充足时的无功功率平衡,121,机械工业出版社,3,无功补偿的一般方法,(1),低压个别补偿,(2),低压集中补偿,(3),高压集中补偿,122,机械工业出版社,4,电力系统的无功电源,电力系统的无功电源除了同步电机外，还有静止电容器、静止无功补偿器以及静止无功发生器，这,4,种装置又称为无功补偿装置。除电容器外，其余几种既能吸收容性无功功率又能吸收感性无功功率。,123,同步电机中有同步发电机、同步电动机和同步调相机三种。,1,）同步发电机,同步发电机在额定状态下运行时，可以发出无功功率,:,式中，,Q,、,S,、,P,、,分别是无功功率、视在功率、有功功率和,功率因数角。,(5-30),机械工业出版社,2,）,同步调相机,同步调相机是空载运行的同步电机，可视为不带有功负荷的同步发电机或是不带机械负荷的同步电动机。,(1),同步电机,124,电容器所输出的无功功率,Q,c,与其端电压,U,的平方成正比，即,式中,X,c,电容器容抗。,（,5-31,）,由式,(531),可知，当电容器安装处节点电压下降时，其所提供给电力系统的无功功率也将减少，而此时正是电力系统需要无功功率电源的时候，这是其不足之处。,机械工业出版社,（,2,）并联电容器,125,图,5-45 TCR,的基本原理图,a,）基本原理图,b,）电感负载的交流调压电路结构,c,）三相,TCR,的基本结构,机械工业出版社,静止补偿器是一种动态无功功率补偿装置。有两种基本结构型式的,SVC,：晶闸管控制电抗器（,TCR,）和晶闸管投切电容器（,TSC,）。图,5-45,为,TCR,的基本原理图,。,（,3,）静止无功补偿器（,SVC,）,126,晶闸管投切电容器（,TSC,）是由两个反并联的晶闸管构成静态开关与电容串联组成，其单相结构和控制系统原理图如图,5-46,所示。,图,5-46 TSC,单机结构及控制系统原理图,a)TSC,单机结构,b)TSC,控制系统,机械工业出版社,127,静止无功发生器（,SVG,）的主体是一个电压源型逆变器，通过对可关断晶闸管进行适当的通断控制， 使其处于容性、感性或零负荷状态。 其基本电路结构如图,5-47,所示。,图,5-47,静止无功发生器（,SVG,）的基本结构,机械工业出版社,（,4,）静止无功发生器（,SVG,）,128,静止无功发生器（,SVG,）的等效电路及其工作原理如图,5-48,所示。,图,5-48,静止无功发生器（,SVG,）的等效电路及其工作