第五章 电力系统电压和无功功率自动控制第一节电力系统电压和无功功率控制的必要性一、电力系统电压控制的必要性 （一）电压偏移对电力用户的影响异步电动机转矩2U ∝；电炉有功功率2U ∝；电压高，电气设备绝缘受损，变压器、电动机等铁损增大； 白炽灯，对电压变化敏感；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，引起附近用户灯光闪烁等。

（二）电压偏移对电力系统的影响电压↓→--电厂的厂用机械出力↓→--电厂出力↓；电压过低时，低于临界值时，母线电压有微小下降时，负荷的无功消耗量的增加值大于系统向该节点提供的无功功率的增加值→--无功缺额进一步加大→--电压进一步下降→--恶性循环产生“电压崩溃”（母线电压下降到很低的水平）。

二、无功功率控制的必要性1、维持电力系统电压在允许范围之内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要消耗的无功功率时，电压是稳定的，可稳定在额定电压下，当无功缺额时，电压下降，可稳定在一个较低的电压。

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。

xQ Q2、提高系统运行的经济性无功功率一般尽可能地就地就近平衡。

3、维持电力系统稳定第二节电力系统电压和无功功率的控制一、电力系统的电压控制 （一）电力系统的无功负荷系统正常运行时电压变化主要由负荷无功功率变化引起。

电力系统无功负荷变化分两类：变化周期长、波及面大的负荷变化，可预测；冲击性造成间歇性负荷变化，不可预测。

（二）电力系统的电压控制任务：①线损、变压器损耗）(l1k m1j Ljen1i Gie∑∑∑=∑==∆+=keQ Q Q ； ②（允许电压）yU U ≤。

负荷引起的电压波动，采用：a 、设置串联电容器；b 、设置调相机和电抗器；c 、设置静止补偿器。

仅控制各电压中枢点的电压偏移不超过允许值。

二、电力系统的无功功率控制任务：①损耗）(l1k m1j Ljen1i Gie∑∑∑=∑==∆+=keQ Q Q ； ②优化电力系统中无功功率分布。

优化内容：a 、负荷所需的无功功率让哪些无功功率电源提供最好，即无功电源的最优分布问题；b 、负荷所需的无功功率是让已投入运行的无功电源供给好，还是装设新的无功电源更好，即无功功率的优化补偿问题。

优化目的：保证电压质量的前提下获得更多的经济效益。

第三节 同步发电机励磁控制系统的主要任务和对它的基本要求励磁系统是向发电机供给励磁电流的系统，它包括产生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，灭磁保护，监视装置和仪表等。

一、 同步发电机励磁控制系统的主要任务 （一）控制电压LI +-FLQLUdX等值电路图G U――――――q Eq Idj X I G dq j X I p IδδGI向量图q E=G U + d j X I G 式中dX 为发电机直轴电抗。

正常时，流经FLQ 的励磁电流L I 在同步发电机内建立磁场，使定子绕组产生空载感应电势qE。

COS E q δ=G U +d q X Iδ很小COS δ≈1，则qE=G U +d q X I◆发电机单机带负荷运行：a 、L I 不变时，电压变化主要是由定子电流的无功分量q I 变化引起的；b 、若q I 不变，改变L I 可以改变q E ，进而可以改变G U 或使G U 保持恒定，即发电机单机运行调节励磁电流可以改变机端电压。

◆ 发电机并入系统运行改变一台机组的励磁电流对系统电压影响很小，但可以改变机组发出的无功功率，这时机端电压有一些变化。

◆若接入无穷大系统，则励磁电流的改变不影响机端电压的变化，只改变发出的无功功率。

G U ≈X U +q I （B X +L X ）B U ≈X U +q I L XLB d Xq q X X X U E I ++-=X B X LX X（1）L I 变q E 变q I 变B U 或G U 在给定水平（2）无穷大系统，0=L B X X ＝则X G U U =B X ：变压器的漏抗L X ：输电线路电抗（二）合理分配并联运行发电机间的无功功率 “合理控制”含义：a 、每台发电机发出的无功功率数量要合理；b 、当系统电压变化时，每台发电机输出的无功功率要随时自动调节，而且调节量要合理； 1、发电机无功功率控制的原理同步发电机与无限大母线并列运行G U =常数 这里仅调无功故有功G P 不变2K Ad2j X I G B1K ‘A1q I 2q IG P =G U G I cos ϕ=constqEsin δ=d G X I .sin(90-ϕ)=d G X I cos ϕ 两边同乘以G U 得：δsin ⋅=dG q G X U E P = const 故：qE sin δGGd U P X == const=2K G I cos ϕGGU P== const=1KqE和L I 成正比，故上图中2L I 1L I 2q I 1q I由于发电机电压G U 为定值，所以当励磁电流增加时，发电机发出的无功功率（G Q =q G I U ）就增加了，反之减少，即无功功率调节原理。

2、合理分配并联运行发电机间的无功功率―――－―――－―――－－――――1q I *G U 1F 1'F 1M U 1qI '0*q I 1MU '*发电机的外特性，表征发电机电压*G U 与无功电流*q I 的关系（标幺值）由于斜率（调差率）和Y 截距（电压给定值，空载电压）决定。

*改变电压给定值使外特性曲线移动，如1F '1F 。

*当母线电压波动时，并列运行的发电机的无功电流改变量与电压波动量成正比，与调差系数成反比，与电压给定值无关如1m U 1'm U 。

（三）改善电力系统的运行条件 1、改善异步电动机的自启动条件―――－―――－―――－―――－―――－*U 0.14.0102030t(s)21机组有，无励磁控制时短路切除后电压恢复的不同情况： 1、无励磁自动控制时 2、有励磁自动控制时2、为同步发电机异步运行创造条件3、提高继电保护装置工作的正确性 （四）防止水轮发电机过电压 1、水轮发电机过电压产生的原因水轮机组机械转动惯量大，且水锤效应使机组甩负荷时不能以最快的速度来关闭水轮机导叶转速上升很多机端电压与励磁电流和转速成正比电压升高很多2、防止过电压的方法发电机电压G U =115%e G U （额定电压）时，强行减磁，减少励磁电流，当G U =130%e G U 时延时0.5s 跳发电机灭磁开关，强行把励磁电流减到零。

二、对励磁系统的基本要求 （一） 具有十分高的可靠性（二） 保证发电机具有足够的励磁容量当同步发电机的励磁电压和电流不超过其额定电压和电流的1.1倍时励磁系统应保证能连续运行。

（三）足够的强励能力强励：在发电机电压下降较多时，励磁系统快速地将励磁电流和电压升到顶值的一种运行行为。

强励指标： a 、励磁顶值电压励磁系统负载顶值电压指“当提供励磁系统顶值电流时，从励磁系统端部可能提供的最大直流电压”。

励磁系统顶值电流指在规定时间内，励磁系统从它的端部能够提供的最大直流电流。

励磁系统顶值电压的倍数等于励磁系统负载顶值电压与额定励磁电压之比，应满足国标要求。

b 、励磁系统电压响应时间发电机在额定工况下运行，励磁系统起始电压为发电机额定励磁电压条件下，励磁系统达到顶值电压之差的95%所需时间的秒数。

响应时间小于等于0.1s 则为高起始响应。

一般要求允许励磁时间不大于10s c 、励磁系统标称响应e L U B L U U在暂态过程中，励磁系统对发电机影响最大的量是转子磁通增量L φ∆(t)。

L φ∆(t)=L U tK∆⎰1(t)dt与ADC 围成面积正比强励时，励磁电压在最初的0.5秒内上升的平均速度E U =LeLe LB U U U 5.0-（1-s）定义为励磁系统标称响应。

（四）发电机电压调差率有足够的整定范围调差率：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发电机机端电压的变化率。

*GU 0G U U *e q I *qI100(%)00⨯-=G G U U U δ0G U ：发电机空载额定工况下的发电机机端电压U ：发电机无功电流等于额定值时的发电机机端电压国标规定：%10±（半导体） %5±（电磁型调节器）（五）保证发电机电压有足够的调节范围自动电压调节器应保证在发电机空载额定电压的70%～110%范围内能稳定平滑地调节。

（六）保证发电机励磁自动控制系统具有良好的调节特性 1、保证发电机机端电压调节精度不大于规定值调压精度用静差率表示，是指发电机励磁自动控制系统投入运行，励磁系统调差单元切除，发电机电压的给定值不进行调节的情况下，原动机转速及功率因数在规定范围内变化，发电机负载从额定变化到零时发电机端电压变化率即：100(%)0⨯-=GeGeG U U U δe G U ：发电机在额定工况下的发电机端电压 0G U 同上国标：%1± (半导体)%3±（电磁型）2、保证励磁自动控制系统具有良好的动态特性%10±阶跃响应，超调量%50≤阶跃量，摆动次数3≤，调节时间s 10≤，零起升压，超调量%15≤额定值，摇动次数3≤，调节时间s 10≤第四节 同步发电机的励磁自动控制系统的分类 一、 同步发电机励磁自动控制系统基本构成发电机励磁系统：自动励磁调节器+励磁功率单元同步发电机励磁自动控制系统由发电机及其励磁系统组成的反馈自动控制系统。

按功率单元分类：直流励磁机系统（分自励，它励）交流励磁机系统（分自励，它励）静止励磁系统按调节器水平分：电磁式励磁调节器半导体励磁调节器计算机励磁调节器二、直流机励磁系统（一）自励直流励磁系统时间常数大（二）它励直流励磁系统时间常数较小（三）评价1、存在机械整流子换向，维护不方便P 100MW2、由于换向原因，容量有限G3、体积大，造价贵三、交流励磁机系统（一）它励交流励磁机静止整流励磁系统1、系统基本情况（见书P146图4-14）交流副励磁机JFL交流励磁机FL不可控整流励磁绕组自励磁调节器2、对系统的基本评价a、容量比直流机大，维护方便b、由同轴JFL，JL供电，不受电网干扰，可靠性高c、调节相对较快d、交流励磁机时间常数较大，控制环节多，更使时间常数升高e、仍存在集电环和碳刷，不能用于巨型机f、三机、主轴长，增大厂房投资（二）自励交流励磁机静止硅整流励磁系统取消副励磁机，直接控制发电机励磁电流评价：a、时间常数小b 、缩短了主轴长度，土建投资较省c 、可控硅电流较大（三）交流励磁机旋转整流励磁系统（无刷励磁）1、基本情况交流副励磁机为永磁发电机，没有碳刷 2、评价a 、解决了巨型机组励磁电流引入转子绕组的技术困难。