小水力發(fā)電與控制技術(shù).ppt

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1 機(jī)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(jī)械工業(yè)出版社 3 主要內(nèi)容 機(jī)械工業(yè)出版社 7 1水能及水力資源的特點(diǎn)7 2水力發(fā)電7 3小水輪發(fā)電機(jī)組的構(gòu)成及工作原理7 4小水電的新技術(shù)及其應(yīng)用7 5小水電站的計(jì)算機(jī)監(jiān)控與SCADA系統(tǒng)7 6小水力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)技術(shù)性評(píng)價(jià) 4 小型水力發(fā)電機(jī) 機(jī)械工業(yè)出版社 5 水電站 機(jī)械工業(yè)出版社 6 水電站 機(jī)械工業(yè)出版社 7 自然界中的水體在流動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的能量 稱為水能 水能的重要應(yīng)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(shí)產(chǎn)生的能量來(lái)發(fā)電 是由水輪發(fā)電機(jī)組中的水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)水的位能向機(jī)械能再向電能的二次轉(zhuǎn)換 水輪發(fā)電機(jī)組主要由水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)組成 水輪機(jī)的種類很多 不同種類的水輪機(jī)在小水電中均有應(yīng)用 水輪發(fā)電機(jī)主要是同步發(fā)電機(jī) 機(jī)械工業(yè)出版社 8 小水電的新技術(shù)重點(diǎn) 水輪發(fā)電機(jī)組的控制 水輪發(fā)電機(jī)組的控制 頻率及功率控制為主 水輪發(fā)電機(jī)組并網(wǎng) 準(zhǔn)同步并網(wǎng)和自同步并網(wǎng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)并網(wǎng) 其中以準(zhǔn)同步并網(wǎng)為主 電網(wǎng)的無(wú)功功率補(bǔ)償 由各種無(wú)功功率補(bǔ)償器完成 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng) 小型水電站的自動(dòng)監(jiān)測(cè) 控制和保護(hù) 水電站的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控及遠(yuǎn)程監(jiān)控 監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) SCADA系統(tǒng) 可實(shí)現(xiàn)水力發(fā)電與調(diào)度的完全自動(dòng)化 機(jī)械工業(yè)出版社 9 全世界技術(shù)上可開(kāi)發(fā)的水能資源約15萬(wàn)億kW h 水能包括位能 壓能和動(dòng)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(shí)所具有的位能 機(jī)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(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的能量 7 1水能及水力資源的特點(diǎn) 10 根據(jù)當(dāng)前技術(shù) 經(jīng)濟(jì)水平 可開(kāi)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(yàn)階段 水能資源 亦稱水力資源 機(jī)械工業(yè)出版社 水能資源分3級(jí)統(tǒng)計(jì) 理論蘊(yùn)藏量 技術(shù)可開(kāi)發(fā)資源 經(jīng)濟(jì)可開(kāi)發(fā)資源 11 我國(guó)水力資源的特點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn) 機(jī)械工業(yè)出版社 7 1 2水力資源的特點(diǎn) 水力資源總量較多 但開(kāi)發(fā)利用率低 水力資源地區(qū)分布不均 與經(jīng)濟(jì)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(kāi)發(fā)和規(guī)模外送 12 當(dāng)位于高處具有位能的水流至低處沖擊水輪機(jī)時(shí) 將其中所含有的位能轉(zhuǎn)換成水輪機(jī)的動(dòng)能 再由水輪機(jī)作為原動(dòng)機(jī)推動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電 水能的主要應(yīng)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(shí)產(chǎn)生的能量來(lái)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(jī)械能 又變成電能的 轉(zhuǎn)換過(guò)程 機(jī)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(gè)因素 河流中水的流量和水從多高的地方流下來(lái) 水頭 水的流量 指單位時(shí)間內(nèi)水流通過(guò)河流 或水工建筑物 過(guò)水?dāng)嗝娴捏w積 一般用立方米 秒 m s 和升 秒 l s 來(lái)表示 水頭 用來(lái)表示發(fā)電站的發(fā)電機(jī)到水壩的水平面的高度 m 機(jī)械工業(yè)出版社 14 式中P 發(fā)電機(jī)的輸出功率 kW Q 流量 m s 單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)水輪機(jī)水的體積 H 水頭 m 水輪機(jī)做功用的有效水頭 為水輪機(jī)進(jìn)出口斷面的總水位差 電廠的效率 包括水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的總效率 9 81 流速和水頭轉(zhuǎn)換為kW h的一個(gè)常數(shù) 水力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能稱為發(fā)電機(jī)的出力 7 1 其計(jì)算公式為 機(jī)械工業(yè)出版社 15 對(duì)于小型水電站 水力發(fā)電機(jī)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(shí)數(shù) h 機(jī)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(jī)容量的大小 可分為大型水電站 裝機(jī)容量在30萬(wàn)kW或以上 中型水電站 5 30萬(wàn)kW 和小型水電站 5萬(wàn)kW以下 按照水庫(kù)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(kù)水電站和無(wú)水庫(kù)調(diào)節(jié)能力的徑流式水電站 機(jī)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(guò)集中水頭 用人工的方式引導(dǎo)水流以高速度沖擊水輪機(jī) 帶動(dòng)發(fā)電機(jī)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(jī)組水輪機(jī) 發(fā)電機(jī) 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(kāi)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(jī)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(jī)房的照片 圖7 1水電站的大壩 圖7 2水電站發(fā)電機(jī)房 機(jī)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(kāi)導(dǎo)管的閥門(mén)3 水輪機(jī)的葉輪4 發(fā)電機(jī) 機(jī)械工業(yè)出版社 20 常規(guī)水電站一般由水庫(kù) 水壩 引水隧道 發(fā)電設(shè)備 開(kāi)關(guān)場(chǎng)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(jī)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(kāi)關(guān)場(chǎng)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(shí)現(xiàn)負(fù)載管理 調(diào)節(jié)系統(tǒng)用電高峰和低谷時(shí)電量的最佳方式 機(jī)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(jī)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(jī)械工業(yè)出版社 7 2 3小水電 2 小水電的特點(diǎn) 1 小水電環(huán)境影響遠(yuǎn)小于大型水電站 2 小水電開(kāi)發(fā)靈活 可以分散開(kāi)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(yùn) 旅游等有機(jī)結(jié)合 同時(shí)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(jī)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(lái)分類 機(jī)械工業(yè)出版社 我國(guó)的小水電站目前多半為引水式 一般采用梯級(jí)開(kāi)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(jī)械工業(yè)出版社 4 小型水電站的組成 25 1 水輪發(fā)電機(jī)組的構(gòu)成 水輪發(fā)電機(jī)組是實(shí)現(xiàn)水的位能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置 水輪機(jī) 水輪發(fā)電機(jī) 調(diào)速器 勵(lì)磁系統(tǒng) 冷卻系統(tǒng) 電站控制設(shè)備 機(jī)械工業(yè)出版社 7 3小水輪發(fā)電機(jī)組的構(gòu)成及工作原理 一般組成 26 1 水輪機(jī) 2 水輪發(fā)電機(jī)水輪發(fā)電機(jī)大部分采用同步發(fā)電機(jī) 其轉(zhuǎn)速較低 水輪發(fā)電機(jī)組的安裝型式上有立式和臥式兩種 常用的水輪機(jī)有沖擊式和反擊式兩種 機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速 以保證輸出電能的頻率符合供電要求 并實(shí)現(xiàn)機(jī)組操作 開(kāi)機(jī) 停機(jī) 變速 增 減負(fù)荷 及安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行 4 勵(lì)磁系統(tǒng) 通過(guò)對(duì)直流勵(lì)磁系統(tǒng)的控制可實(shí)現(xiàn)電能的調(diào)壓 有功功率和無(wú)功功率的調(diào)節(jié) 27 5 冷卻系統(tǒng)小型水輪發(fā)電機(jī)的冷卻主要采用空氣冷卻 大容量水輪發(fā)電機(jī)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(qiáng)風(fēng)冷卻 電站控制設(shè)備目前主要以微機(jī)為主 實(shí)現(xiàn)水力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng) 調(diào)壓 調(diào)頻 功率因數(shù)的調(diào)節(jié) 保護(hù)和通信等功能 6 電站控制設(shè)備 7 制動(dòng)裝置額定容量超過(guò)一定值的水輪發(fā)電機(jī)均設(shè)有制動(dòng)裝置 機(jī)械工業(yè)出版社 28 2 水輪發(fā)電機(jī)組的工作原理 水輪發(fā)電機(jī)組的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程分為二個(gè)階段 水輪機(jī)在水流的沖擊作用下開(kāi)始旋轉(zhuǎn) 將水的位能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能 發(fā)電機(jī)將水輪機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能 水輪機(jī)帶動(dòng)同軸相連的水輪發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn) 在勵(lì)磁電流的作用下 旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子帶動(dòng)勵(lì)磁磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn) 發(fā)電機(jī)的定子繞組切割勵(lì)磁磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 輸出電能實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換 所以水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)是水輪發(fā)電機(jī)組中最關(guān)鍵的兩個(gè)部件 機(jī)械工業(yè)出版社 29 水輪機(jī)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(hào)的不同 還配有附屬裝置和部件 不同型式的水輪機(jī) 其結(jié)構(gòu)和適用范圍不甚相同 水輪機(jī)是水渦輪機(jī)的簡(jiǎn)稱 水輪機(jī)是根據(jù)水的流量和水頭大小進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造的 作用是將水能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能 并帶動(dòng)水輪發(fā)電機(jī)發(fā)電 機(jī)械工業(yè)出版社 7 3 1水輪機(jī) 30 Q Av 7 4 式中A 水輪機(jī)的過(guò)水?dāng)嗝娴拿娣e 單位m v 過(guò)水?dāng)嗝嫫骄魉?單位為m s 1 水輪機(jī)的基本工作參數(shù) 水輪機(jī)的基本工作參數(shù)有水頭 流量 轉(zhuǎn)速 出力和效率 水輪機(jī)水頭 指水輪機(jī)進(jìn)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(jī)流量 指單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)水輪機(jī)過(guò)水?dāng)嗝娴乃黧w積 單價(jià)為m s 通常用Q來(lái)表示 即 機(jī)械工業(yè)出版社 1 水輪機(jī)的主要工作參數(shù) 31 式中 s 水輪機(jī)的效率 Pi 水流輸入水輪機(jī)的功率 kW 水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速 指水輪機(jī)主軸每分鐘旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù) r min 水輪機(jī)的出力 指水輪機(jī)軸端輸出的功率 其表達(dá)式為 Ps 9 81QH 7 5 式中Ps 水輪機(jī)軸端輸出的功率 kW 水輪機(jī)效率 指水輪機(jī)出力與水流出力之比 其表達(dá)式為 7 6 機(jī)械工業(yè)出版社 32 式中ns 水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速 n 水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速 r min 2 水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速 水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速的的定義為 幾何相似的水輪機(jī) 當(dāng)水頭為1m 輸出的機(jī)械功率為1kW時(shí)的轉(zhuǎn)速稱為水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速 水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式為 7 7 機(jī)械工業(yè)出版社 33 水輪機(jī)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(guò)程中水流的壓力能和動(dòng)能均發(fā)生變化 主要是壓力能的轉(zhuǎn)換 機(jī)械工業(yè)出版社 2 水輪機(jī)的分類 沖擊式水輪機(jī) 反擊式水輪機(jī) 轉(zhuǎn)輪受到水流的沖擊而旋轉(zhuǎn) 工作過(guò)程中水流的壓力不變 主要是動(dòng)能的轉(zhuǎn)換 1 沖擊式水輪機(jī) 沖擊式水輪機(jī)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(jī)a 水斗式水輪發(fā)電機(jī)組b 雙噴嘴水斗式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪 a b 機(jī)械工業(yè)出版社 水斗式水輪機(jī)又稱培爾頓 Petion 水輪機(jī) 如圖7 6所示 1 水斗式水輪機(jī) 35 c 水斗式水輪機(jī)工作原理示意圖1 轉(zhuǎn)輪室2 水輪機(jī)葉片3 射流制動(dòng)器4 折向器 水斗式水輪機(jī) 從噴嘴噴出來(lái)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(guò)噴嘴形成一股強(qiáng)有力的高速射流射出 沖擊轉(zhuǎn)輪上的水斗使其旋轉(zhuǎn) 實(shí)現(xiàn)水能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換 機(jī)械工業(yè)出版社 36 a 斜擊式水輪發(fā)電機(jī)組b 斜擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪 圖7 7斜擊式水輪機(jī) a b 機(jī)械工業(yè)出版社 斜擊式水輪機(jī)中的結(jié)構(gòu)與水斗式水輪機(jī)基本相同 只是射流方向有一個(gè)傾角 如圖7 7所示 2 斜擊式水輪機(jī) 37 斜擊式水輪機(jī) 圖7 7斜擊式水輪機(jī) c 斜擊式水輪機(jī)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(jìn)口平面一側(cè)射向葉片 通過(guò)葉片后從另一側(cè)排出 機(jī)械工業(yè)出版社 38 雙擊式水輪機(jī)噴嘴中的水流首先從轉(zhuǎn)輪外周進(jìn)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(jī)械能 然后離開(kāi)流道穿過(guò)轉(zhuǎn)輪中心部分的自由空間 第二次從內(nèi)周進(jìn)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(jī)械能 最后水流從轉(zhuǎn)輪外周流出 機(jī)械工業(yè)出版社 3 雙擊式水輪機(jī) 39 在反擊式水輪機(jī)中 由于水流充滿整個(gè)轉(zhuǎn)輪流道 全部葉片同時(shí)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(jī) 其最高效率也高于沖擊式水輪機(jī) 但當(dāng)負(fù)荷變化時(shí) 水輪機(jī)的效率將受到不同程度的影響 反擊式水輪機(jī)根據(jù)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪內(nèi)水流的特點(diǎn)和水輪機(jī)結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn) 可分為混流式 軸流式 斜流式和貫流式四種 機(jī)械工業(yè)出版社 2 反擊式水輪機(jī) 40 a b 1 混流式水輪機(jī) 圖7 8混流式水輪機(jī) a 混流式水輪發(fā)電機(jī)組b 混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪 機(jī)械工業(yè)出版社 混流式水輪機(jī)又稱為弗朗西斯水輪機(jī) 如圖7 8所示 41 混流式水輪機(jī) c 混流式水輪機(jī)工作原理示意圖 1 導(dǎo)葉2 轉(zhuǎn)輪3 水輪機(jī)軸 圖7 8混流式水輪機(jī) 水流徑向進(jìn)入導(dǎo)水機(jī)構(gòu) 軸向流出轉(zhuǎn)輪 帶動(dòng)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng) 機(jī)械工業(yè)出版社 42 圖7 9為軸流式水輪機(jī) a b 圖7 9軸流式水輪機(jī) a 軸流式水輪發(fā)電機(jī)組b 軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪 機(jī)械工業(yè)出版社 軸流式水輪機(jī)又可分為轉(zhuǎn)槳式和定槳式水輪機(jī) 2 軸流式水輪機(jī) 43 軸流式水輪機(jī) 圖7 9軸流式水輪機(jī)c 軸流式水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)d 軸流式水輪機(jī)工作原理示意圖1 導(dǎo)葉2 輪葉3 轉(zhuǎn)轂 在軸流式水輪機(jī)中 水流徑向進(jìn)入導(dǎo)水機(jī)構(gòu)中的導(dǎo)葉 軸向進(jìn)入和流出轉(zhuǎn)輪 帶動(dòng)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng) 機(jī)械工業(yè)出版社 44 a 貫流式水輪發(fā)電機(jī)組b 燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組剖面圖 機(jī)械工業(yè)出版社 貫流式水輪機(jī)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(jī) 45 c 燈泡貫流式水輪機(jī)結(jié)構(gòu)和原理示意圖 尾水管 轉(zhuǎn)輪 活動(dòng)導(dǎo)葉 固定導(dǎo)葉 發(fā)電機(jī) 燈泡體 圖7 10貫流式水輪機(jī) 機(jī)械工業(yè)出版社 46 斜流式水輪機(jī)如圖7 11所示 圖7 11斜流式水輪機(jī)a 斜流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪b 斜流式水輪機(jī)工作原理示意圖1 導(dǎo)葉2 輪葉3 水輪機(jī)軸 a b 機(jī)械工業(yè)出版社 4 斜流式水輪機(jī) 47 同步發(fā)電機(jī)是交流電機(jī)的一種 其運(yùn)行特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度和定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度嚴(yán)格同步 既電能的頻率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速有著嚴(yán)格的不變的關(guān)系 同步發(fā)電機(jī)可通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流來(lái)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(jī)多數(shù)為同步發(fā)電機(jī) 異步發(fā)電機(jī)使用較少 微型水輪發(fā)電機(jī)有異步發(fā)電機(jī) 同步發(fā)電機(jī) 永磁發(fā)電機(jī) 其中又分為單相和三相發(fā)電機(jī) 機(jī)械工業(yè)出版社 7 3 2水輪同步發(fā)電機(jī) 48 同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)主要有兩大類 供給勵(lì)磁電流的整個(gè)系統(tǒng)稱為勵(lì)磁系統(tǒng) 通過(guò)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(jī)供給直流勵(lì)磁電流 機(jī)械工業(yè)出版社 同步發(fā)電機(jī)按照轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)來(lái)分有隱極式和凸極式兩種 1 同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu) 2 同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng) 49 1 額定容量SN發(fā)電機(jī)出線端額定視在功率 單位 kVA 2 額定功率PN發(fā)電機(jī)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(jī)額定運(yùn)行時(shí)定子的線電壓 單位 V或kV 4 額定電流IN發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)定子的線電流 單位 A 5 額定功率因數(shù)cos N發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù) 6 額定效率 N發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)的效率 7 額定頻率fN發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)定子電流的頻率 單位 Hz 機(jī)械工業(yè)出版社 3 水輪同步發(fā)電機(jī)的額定值 50 對(duì)于直流勵(lì)磁系統(tǒng) 還有額定勵(lì)磁電流IfN A 額定勵(lì)磁電壓UfN V 8 額定轉(zhuǎn)速nN發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 單位 r min 其中 7 8 機(jī)械工業(yè)出版社 水輪發(fā)電機(jī)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(jī)的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度要求決定的 飛輪轉(zhuǎn)矩 是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的重量與飛輪直徑平方的乘積 短路比 是發(fā)電機(jī)在空載額定電壓時(shí)勵(lì)磁電流與三相穩(wěn)態(tài)短路額定電流時(shí)勵(lì)磁電流的比值 51 空載特性 短路特性 負(fù)載特性則是檢驗(yàn)發(fā)電機(jī)基本性能的特性 水輪同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性 空載特性 短路特性 負(fù)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(yùn)行特性 根據(jù)這兩種特性 可以判斷發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)是否正常 以便及時(shí)調(diào)整 確保電能的質(zhì)量 機(jī)械工業(yè)出版社 4 水輪同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性 52 同步發(fā)電機(jī)不同功率因數(shù)時(shí)的外特性如圖7 12所示 外特性是發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)速為額定值 勵(lì)磁電流和負(fù)載功率因數(shù)不變的條件下 發(fā)電機(jī)端電壓U和負(fù)載電流I之間的關(guān)系曲線U f I 圖7 12同步發(fā)電機(jī)的外特性 感性 純電阻負(fù)載 即I U 容性負(fù)載時(shí) I U 感性負(fù)載 過(guò)勵(lì)狀態(tài)容性負(fù)載 欠勵(lì)狀態(tài) 為使在不同功率因數(shù)條件下發(fā)電機(jī)工作于額定點(diǎn) 機(jī)械工業(yè)出版社 1 外特性 53 調(diào)整特性是發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)速為額定值 勵(lì)磁電流和端電壓不變的條件下 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流If和負(fù)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(jī)的調(diào)整特性曲線 圖7 13同步發(fā)電機(jī)的調(diào)整特性 容性負(fù)載 I If 感性和純電阻性負(fù)載 I If 為維持端電壓不變 機(jī)械工業(yè)出版社 2 調(diào)整特性 54 機(jī)械工業(yè)出版社 小水電的新技術(shù)及其應(yīng)用 7 4小水電的新技術(shù)及其應(yīng)用 7 4 1概述 采用新材料和新技術(shù) 應(yīng)用高科技提高發(fā)電機(jī)的性價(jià)比 箱式整裝小水電站的應(yīng)用 采用計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控新技術(shù) 水輪發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)控制 55 其中以頻率及功率控制為主 水輪發(fā)電機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)承擔(dān)的任務(wù)有 水輪發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)并列 自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁 頻率和有功功率 無(wú)功功率的補(bǔ)償 輔機(jī)的自動(dòng)控制 水輪發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)操作 自動(dòng)保護(hù)等 機(jī)械工業(yè)出版社 7 4 2水輪發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)控制系統(tǒng) 1 水輪發(fā)電機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)的任務(wù) 56 機(jī)械工業(yè)出版社 負(fù)載要求電能的電壓和頻率應(yīng)為額定值 波動(dòng)小 發(fā)電機(jī)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(jī)或電網(wǎng)內(nèi)無(wú)功與有功功率的平衡 頻率的波動(dòng)是由發(fā)電機(jī)輸入功率和輸出功率之間的不平衡引起的 電壓的波動(dòng)主要由負(fù)載大小的變化和負(fù)載性質(zhì)的變化 即有功功率和無(wú)功功率的變化 引起 57 水輪發(fā)電機(jī)組控制的基本任務(wù) 根據(jù)負(fù)載的變化不斷調(diào)整水輪發(fā)電機(jī)組的有功和無(wú)功功率輸出 并維持機(jī)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(duì)獨(dú)立 相互影響較小 機(jī)械工業(yè)出版社 水輪發(fā)電機(jī)組頻率的控制由水輪機(jī)調(diào)速器實(shí)現(xiàn) 端電壓的穩(wěn)定可由發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器來(lái)完成 58 式中TS 水輪機(jī)的動(dòng)力轉(zhuǎn)矩 N m TL 發(fā)電機(jī)阻轉(zhuǎn)矩 包括發(fā)電機(jī)電磁制動(dòng)轉(zhuǎn)矩和摩擦等制動(dòng)轉(zhuǎn)矩 N m J 機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)飛輪總慣量 kg m2 機(jī)組的角速度 rad s 水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)動(dòng)方程式可以表示為 7 9 機(jī)械工業(yè)出版社 1 水輪機(jī)調(diào)速器的調(diào)節(jié)原理 2 水輪機(jī)調(diào)速器的工作原理及特性 水輪機(jī)調(diào)速器主要用于控制水輪發(fā)電機(jī)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(yùn)行 59 水輪機(jī)動(dòng)力轉(zhuǎn)矩的表達(dá)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(jī)的轉(zhuǎn)速必須恒定 d dt 0 控制水輪機(jī)的動(dòng)力轉(zhuǎn)矩TS時(shí)刻跟隨著TL的變化 使TS TL 0 由式 7 10 可見(jiàn) 通過(guò)調(diào)速器改變水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)導(dǎo)葉的開(kāi)度 來(lái)改變水輪原動(dòng)機(jī)的進(jìn)水量 可達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩的目的 機(jī)械工業(yè)出版社 60 水輪機(jī)調(diào)節(jié)的基本任務(wù)是 當(dāng)負(fù)載變化時(shí) 原來(lái)的穩(wěn)定平衡被破壞 動(dòng)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(shí)由頻率閉環(huán)調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用 可快速 準(zhǔn)確地消除偏差 使機(jī)組在新的平衡條件下運(yùn)行 頻率調(diào)節(jié)或頻率控制 機(jī)械工業(yè)出版社 2 頻率調(diào)節(jié) 61 電力系統(tǒng)的負(fù)荷是不斷變化的 而原動(dòng)機(jī)輸入功率的改變則較緩慢 因此系統(tǒng)中頻率的波動(dòng)是難免的 圖7 14電力系統(tǒng)負(fù)荷瞬時(shí)變動(dòng)情況 電力系統(tǒng)負(fù)荷瞬時(shí)變動(dòng)情況如圖7 14所示 機(jī)械工業(yè)出版社 負(fù)荷的變動(dòng)情況分解成幾個(gè)分量 1 變化周期一般小于10s的隨機(jī)分量 其變化幅度較小 2 變化周期在10s 3min之間的脈動(dòng)分量 其變化幅度比隨機(jī)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(fù)荷 為負(fù)荷變化中主體 62 第二種負(fù)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(fù)荷變化引起的頻率偏移 一般利用水輪發(fā)電機(jī)組上裝設(shè)的調(diào)速器來(lái)控制和調(diào)整原動(dòng)機(jī)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(fù)荷變化可以用負(fù)荷預(yù)測(cè)的方法預(yù)先估計(jì)得到 在滿足系統(tǒng)有功功率平衡的條件下 將這部分負(fù)荷按照經(jīng)濟(jì)分配原則在各發(fā)電廠間進(jìn)行分配 機(jī)械工業(yè)出版社 63 當(dāng)電力系統(tǒng)負(fù)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(jī)組功率頻率特性 機(jī)械工業(yè)出版社 發(fā)電機(jī)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(jī)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(duì)應(yīng)有功功率 P時(shí)頻率相應(yīng)的增量 Hz P 發(fā)電機(jī)有功功率增量 MW 式中負(fù)號(hào)表示發(fā)電機(jī)輸出功率的變化和頻率變化符號(hào)相反 同步發(fā)電機(jī)組功率 頻率特性的斜率稱為發(fā)電機(jī)的頻率調(diào)差系數(shù) 即 7 11 機(jī)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(jī)組的K 2 4 調(diào)差系數(shù)K的標(biāo)么值表達(dá)式為 7 12 發(fā)電機(jī)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(jī)組間有功功率的分配密切相關(guān) 機(jī)械工業(yè)出版社 66 兩臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)其調(diào)差特性與機(jī)組間的有功功率的分配情況可用圖7 16來(lái)說(shuō)明 圖7 16兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行 曲線 1號(hào)發(fā)電機(jī)組的調(diào)節(jié)特性 曲線 2號(hào)發(fā)電機(jī)組的調(diào)節(jié)特性 系統(tǒng)總負(fù)荷為 PL 如線段CB的長(zhǎng)度所示 系統(tǒng)頻率為fN 1號(hào)機(jī)組承擔(dān)的負(fù)荷為P1 2號(hào)機(jī)承擔(dān)的負(fù)荷為P2 于是有 P1十P2 PL 機(jī)械工業(yè)出版社 67 當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷增加 經(jīng)過(guò)調(diào)速器的調(diào)節(jié)后 系統(tǒng)頻率為f1 1號(hào)發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷為P1 增加了 Pl 2號(hào)發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷為P2 增加了 P2 兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組增量之和等于 PL 式 7 13 表明 并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組間功率分配與機(jī)組調(diào)差系數(shù)成反比 調(diào)差系數(shù)標(biāo)么值大的機(jī)組分擔(dān)的有功功率標(biāo)么值反而小 由式 7 12 可得 7 13 電力系統(tǒng)中 機(jī)組調(diào)差系數(shù)等于零是不能并聯(lián)運(yùn)行的 機(jī)械工業(yè)出版社 68 調(diào)速器的靜特性是機(jī)組頻率f和導(dǎo)葉開(kāi)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(duì)應(yīng)接力器行程 0 100 的頻差相對(duì)值 稱為永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp 即 bp的值可根據(jù)要求進(jìn)行設(shè)定 機(jī)械工業(yè)出版社 4 調(diào)速器的靜特性 69 現(xiàn)代水輪機(jī)的調(diào)速器 控制器 功能 機(jī)械工業(yè)出版社 3 水輪機(jī)調(diào)速器的總體結(jié)構(gòu) 功率調(diào)節(jié) 水輪機(jī)葉片開(kāi)度調(diào)節(jié) 起停機(jī)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(hào) 狀態(tài)和命令 實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)導(dǎo)葉開(kāi)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(jī)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(wù) 機(jī)械工業(yè)出版社 71 n 脈沖頻率 頻率變送器輸出 經(jīng)信號(hào)整形和放大后 啟動(dòng)閥控 導(dǎo)葉開(kāi)度 水輪機(jī)進(jìn)水量 原動(dòng)機(jī)輸入功率 n 圖7 19為電子液壓式水輪發(fā)電機(jī)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(jī)組調(diào)速系統(tǒng)原理示意圖 裝在發(fā)電機(jī)軸上的齒輪 脈沖傳感器和頻率變送器 轉(zhuǎn)速測(cè)量部分 機(jī)械工業(yè)出版社 72 1 微機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的組成 圖7 20微機(jī)調(diào)速器控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu) 機(jī)械工業(yè)出版社 4 水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 微機(jī)調(diào)速器組成的水輪機(jī)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng) 由被控對(duì)象水輪發(fā)電機(jī)組 檢測(cè)部分 微機(jī)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(jī)械工業(yè)出版社 2 微機(jī)調(diào)節(jié)器的控制功能 一套為自動(dòng)調(diào)節(jié)器 另一套為手動(dòng)調(diào)節(jié)器 正常運(yùn)行時(shí)采用自動(dòng)調(diào)節(jié)器 手動(dòng)調(diào)節(jié)器在自動(dòng)調(diào)節(jié)器發(fā)生故障時(shí)備用 微機(jī)調(diào)節(jié)器除了轉(zhuǎn)速 頻率 控制外 一般還具備水輪機(jī)的開(kāi)度調(diào)節(jié) 水位控制和發(fā)電機(jī)輸出有功功率的調(diào)節(jié) 微機(jī)調(diào)節(jié)器微機(jī)調(diào)節(jié)器一般由兩套調(diào)節(jié)器組成 3 微機(jī)調(diào)節(jié)器控制策略 由微機(jī)調(diào)節(jié)器組成的水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速 頻率 閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng) 其控制策略通過(guò)軟件來(lái)實(shí)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(hào) u t 為調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào) e t 為調(diào)節(jié)器的偏差信號(hào) y t 為系統(tǒng)的輸出 圖7 21PID調(diào)節(jié)器框圖 機(jī)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(shí)間常數(shù) d 微分時(shí)間常數(shù) 7 14 機(jī)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(duì)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(yīng)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(jī)械工業(yè)出版社 77 式 7 16 稱為位置式PID 其特點(diǎn)是調(diào)節(jié)器的輸出u kT 與過(guò)去的狀態(tài)有關(guān) 系統(tǒng)運(yùn)算工作量大 需要對(duì)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(jī)組的調(diào)速控制中 一般采用增量式PID 通過(guò)對(duì)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(jī)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(jī)組的調(diào)速 調(diào)頻 控制中 誤差為 式中f 給定頻率 f 實(shí)測(cè)的頻率 f0 基準(zhǔn)頻率 f0 50Hz 7 18 7 19 機(jī)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(shí)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(jī)在并網(wǎng)前 空載時(shí) 按PID調(diào)節(jié)規(guī)律進(jìn)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(shí)式 7 14 中的積分項(xiàng)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(shí)際行程 7 20 機(jī)械工業(yè)出版社 80 因此 水輪發(fā)電機(jī)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(xiàng)可表達(dá)為 機(jī)械工業(yè)出版社 81 式 7 17 中增量的微分項(xiàng)可表達(dá)為 7 22 式中 可以推導(dǎo)出水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)器實(shí)用的增量型PID控制算式 7 23 機(jī)械工業(yè)出版社 82 圖7 22為帶電液隨動(dòng)系統(tǒng)的增量式數(shù)字PID微機(jī)調(diào)速器控制系統(tǒng)的原理圖 圖中步進(jìn)電機(jī)與機(jī)液隨動(dòng)系統(tǒng)組成數(shù)字式電液隨動(dòng)系統(tǒng) 圖7 22增量式數(shù)字PID微機(jī)調(diào)速器控制系統(tǒng)的原理圖 機(jī)械工業(yè)出版社 4 微機(jī)調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)原理框圖 83 由PLC組成的微機(jī)調(diào)速器其頻率的測(cè)量一般由單片機(jī)實(shí)現(xiàn) 圖7 23為由單片機(jī)80C51組成的智能測(cè)頻單元 圖7 23單片機(jī)測(cè)頻原理框圖 機(jī)械工業(yè)出版社 5 智能測(cè)頻單元 84 機(jī)械工業(yè)出版社 6 微機(jī)調(diào)速器的三種調(diào)節(jié)模式及其轉(zhuǎn)換 微機(jī)調(diào)速器有頻率調(diào)節(jié) 功率調(diào)節(jié)和水輪機(jī)開(kāi)度調(diào)節(jié)三種調(diào)節(jié)模式 不同的工況下 微機(jī)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(jī)組擔(dān)任調(diào)頻任務(wù) 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(jī)組擔(dān)任額定負(fù)載調(diào)節(jié) 則調(diào)速器可處于功率調(diào)節(jié)或開(kāi)度調(diào)節(jié)模式下運(yùn)行 85 當(dāng)機(jī)組處于空載運(yùn)行時(shí) 調(diào)速器在自動(dòng)工況 頻率跟蹤功能退出 此時(shí)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(dòng)調(diào)節(jié)原理圖 1 頻率自動(dòng)調(diào)節(jié) 機(jī)械工業(yè)出版社 1 頻率調(diào)節(jié)與跟蹤 86 當(dāng)投入頻率跟蹤功能時(shí) 調(diào)節(jié)器自動(dòng)地將網(wǎng)頻作為頻率給定 與頻率自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程一樣 在調(diào)節(jié)過(guò)程終了時(shí) 機(jī)頻與網(wǎng)頻相等 實(shí)現(xiàn)機(jī)組頻率跟蹤電網(wǎng)頻率的功能 2 頻率跟蹤 機(jī)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(yùn)行時(shí) 即使機(jī)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(jī)組快速并網(wǎng) 為此增加相位控制功能 這時(shí)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(yùn)行的發(fā)電機(jī)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(jī)組并網(wǎng)前bp 0 并網(wǎng)后 頻率給定自動(dòng)整定為50Hz bp置整定值 實(shí)現(xiàn)有差調(diào)節(jié) 同時(shí)切除微分作用 采用PI控制 并投入人工失靈區(qū) 機(jī)械工業(yè)出版社 88 當(dāng)調(diào)速器處于水位調(diào)節(jié)運(yùn)行方式時(shí) 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(jī)械工業(yè)出版社 3 水位 開(kāi)度 調(diào)節(jié) 89 三種調(diào)節(jié)模式間的轉(zhuǎn)換關(guān)系見(jiàn)圖7 28 圖7 28微機(jī)調(diào)速器的三種調(diào)節(jié)模式及其轉(zhuǎn)換 機(jī)械工業(yè)出版社 90 水輪同步發(fā)電機(jī)在實(shí)現(xiàn)水能向電能轉(zhuǎn)換的過(guò)程中 借助于勵(lì)磁系統(tǒng)中的直流電流建立的磁場(chǎng)作為媒介 產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和輸出交流電流 勵(lì)磁電流不僅影響其能量的轉(zhuǎn)換 而且對(duì)輸出電能的質(zhì)量影響很大 通過(guò)勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié)與控制 可穩(wěn)定輸出電壓 實(shí)現(xiàn)有功功率和無(wú)功功率的調(diào)節(jié) 機(jī)械工業(yè)出版社 7 4 3同步發(fā)電機(jī)自動(dòng)勵(lì)磁控制系統(tǒng) 1 同步發(fā)電機(jī)自動(dòng)勵(lì)磁系統(tǒng)的組成及任務(wù) 91 同步發(fā)電機(jī)的自動(dòng)控制勵(lì)磁系統(tǒng)是由勵(lì)磁調(diào)節(jié)器 勵(lì)磁功率單元 檢測(cè)部分和同步發(fā)電機(jī)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(jī)自動(dòng)控制勵(lì)磁系統(tǒng)構(gòu)成框圖 機(jī)械工業(yè)出版社 1 同步發(fā)電機(jī)自動(dòng)控制勵(lì)磁系統(tǒng)的基本組成 92 機(jī)械工業(yè)出版社 2 同步發(fā)電機(jī)自動(dòng)控制勵(lì)磁系統(tǒng)的任務(wù) 1 電壓的調(diào)節(jié) 2 無(wú)功功率的調(diào)節(jié) 3 并聯(lián)運(yùn)行各發(fā)電機(jī)之間無(wú)功功率的合理分配 4 提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性 5 改善電力系統(tǒng)的運(yùn)行條件 6 水輪發(fā)電機(jī)組要求實(shí)現(xiàn)強(qiáng)行減磁 93 無(wú)功負(fù)載電流是造成發(fā)電機(jī)端電壓變化的主要原因 為維持端電壓的穩(wěn)定 負(fù)載變化時(shí)必須調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流 圖7 30為隱極同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí) 不計(jì)電阻壓降 的相量圖 圖7 30同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)相量圖 機(jī)械工業(yè)出版社 1 電壓的調(diào)節(jié) 發(fā)電機(jī)定子繞組中由勵(lì)磁磁場(chǎng)產(chǎn)生的空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 發(fā)電機(jī)定子端輸出電壓 定子繞組中的電流 無(wú)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(jī)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(rèn)為cos 1 7 25 于是 上式可簡(jiǎn)化為 機(jī)械工業(yè)出版社 95 機(jī)械工業(yè)出版社 結(jié)論 由式 7 25 可見(jiàn) 在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流不變 即空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Eq不變時(shí) 發(fā)電機(jī)端電壓隨著無(wú)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(jī)的勵(lì)磁電流 同理 無(wú)功電流減小時(shí) 發(fā)電機(jī)端電壓將增大 必須減小勵(lì)磁電流 同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)就是通過(guò)不斷地調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流來(lái)維持發(fā)電機(jī)輸出電壓為給定水平 96 設(shè)同步發(fā)電機(jī)與無(wú)窮大電網(wǎng)UM并聯(lián) 因此發(fā)電機(jī)端電壓不隨負(fù)荷大小而變 其接線圖如圖7 31 所示 圖7 31 是不同勵(lì)磁電流情況下的相量圖 圖7 31同步發(fā)電機(jī)與無(wú)窮大電網(wǎng)并聯(lián) 接線圖 相量圖 機(jī)械工業(yè)出版社 2 無(wú)功功率的調(diào)節(jié) 97 因發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率只與其輸入功率有關(guān) 與勵(lì)磁電流無(wú)關(guān) 所以勵(lì)磁電流變化時(shí) 發(fā)電機(jī)輸出的有功功率 G均不變 即 式中C1 常數(shù) 7 26 不計(jì)定子電阻和凸極效應(yīng)時(shí) 發(fā)電機(jī)有功功率又可用下式表示 式中 同步發(fā)電機(jī)功率角 C2 常數(shù) 7 27 機(jī)械工業(yè)出版社 98 由上面兩式可見(jiàn) 當(dāng)發(fā)電機(jī)的有功功率不變而勵(lì)磁電流變化時(shí) 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(jiàn) 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的變化只是改變了機(jī)組的無(wú)功功率和功率角 值的大小 機(jī)械工業(yè)出版社 結(jié)論 與無(wú)限大容量母線并聯(lián)運(yùn)行的機(jī)組 調(diào)節(jié)它的勵(lì)磁電流可以改變發(fā)電機(jī)無(wú)功功率的數(shù)值 99 并聯(lián)運(yùn)行的各發(fā)電機(jī)間無(wú)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(yùn)行發(fā)電機(jī)間無(wú)功負(fù)荷的分配 原理圖 外特性和無(wú)功負(fù)荷的分配 機(jī)械工業(yè)出版社 3 并聯(lián)運(yùn)行各發(fā)電機(jī)之間無(wú)功功率的合理分配 100 當(dāng)兩臺(tái)以上發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí) 它們發(fā)出的無(wú)功功率 即 7 28 發(fā)電機(jī)的端電壓都等于母線電壓 機(jī)械工業(yè)出版社 之和必須與母線中總無(wú)功電流 當(dāng)電網(wǎng)需要的無(wú)功電流增大時(shí) 將改變兩機(jī)組的無(wú)功電流分配 斜率越小的機(jī)組 無(wú)功電流的增量就越大 電流 值相等 結(jié)論 電網(wǎng)需要的無(wú)功電流 U 101 機(jī)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(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)有關(guān) 當(dāng)電力系統(tǒng)由于種種原因 出現(xiàn)短時(shí)低電壓時(shí) 勵(lì)磁自動(dòng)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(lì)磁以提高系統(tǒng)電壓 改善系統(tǒng)的運(yùn)行條件 在機(jī)組甩負(fù)荷或其他原因造成發(fā)電機(jī)過(guò)電壓時(shí) 強(qiáng)行減磁 4 提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性 5 改善電力系統(tǒng)的運(yùn)行條件 6 水輪發(fā)電機(jī)組要求實(shí)現(xiàn)強(qiáng)行減磁 102 水輪發(fā)電機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)的任務(wù)由勵(lì)磁調(diào)節(jié)器和勵(lì)磁功率單元共同完成 因此對(duì)兩者各自提出如下的要求 機(jī)械工業(yè)出版社 3 對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)的基本要求 1 對(duì)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的要求 2 對(duì)勵(lì)磁功率單元的要求 103 機(jī)械工業(yè)出版社 4 自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律 自動(dòng)勵(lì)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(jī)電壓及電流的偏差進(jìn)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(zhǔn)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(dǎo)數(shù)或轉(zhuǎn)速頻率等信號(hào) 以改善電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能 104 機(jī)械工業(yè)出版社 同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)有直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng) 交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)自并勵(lì)系統(tǒng)三大類 直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)中采用直流發(fā)電機(jī)作為勵(lì)磁電源 供給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路的勵(lì)磁電流 直流機(jī)勵(lì)磁方式又可分為自勵(lì)式和它勵(lì)式 2 同步發(fā)電機(jī)自動(dòng)控制勵(lì)磁系統(tǒng) 直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng) 105 圖中直流發(fā)電機(jī)LG本身的勵(lì)磁電流通過(guò)自勵(lì)方式獲得 其勵(lì)磁繞組LLQ與直流發(fā)電機(jī)電樞繞組并聯(lián) 直流發(fā)電機(jī)發(fā)出的電提供給同步發(fā)電機(jī)G的勵(lì)磁繞組FLQ TV為變壓器 TA為電流互感器 圖7 33自勵(lì)式直流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)原理接線圖 機(jī)械工業(yè)出版社 圖7 33為自勵(lì)式直流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)原理接線圖 106 圖7 34為他勵(lì)式直流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)原理接線圖 圖7 34他勵(lì)直流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)原理接線圖 它是在自勵(lì)系統(tǒng)中增加副勵(lì)磁機(jī) 用來(lái)供給勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流 副勵(lì)磁機(jī)FL為主勵(lì)磁機(jī)JL的勵(lì)磁機(jī) 副勵(lì)磁機(jī)與主勵(lì)磁機(jī)均與發(fā)電機(jī)同軸 機(jī)械工業(yè)出版社 107 機(jī)械工業(yè)出版社 交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng) 交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的核心設(shè)備是交流勵(lì)磁機(jī) 交流勵(lì)磁機(jī)容量相對(duì)較小 只占同步發(fā)電機(jī)容量的0 3 0 5 且時(shí)間常數(shù)也較小 即響應(yīng)速度快 交流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)也有他勵(lì)方式和自勵(lì)方式兩種 交流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)是采用專門(mén)的交流勵(lì)磁機(jī)代替了直流勵(lì)磁機(jī) 并與發(fā)電機(jī)同軸 它運(yùn)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(jī)勵(lì)磁 108 自并勵(lì)系統(tǒng)中 因沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)部分 故又稱靜止勵(lì)磁系統(tǒng) 如圖7 35所示 圖7 35發(fā)電機(jī)自并勵(lì)系統(tǒng)框圖 機(jī)械工業(yè)出版社 發(fā)電機(jī)自并勵(lì)交流勵(lì)磁系統(tǒng) 靜止勵(lì)磁系統(tǒng) 109 無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng) 如下圖7 36所示 圖7 36無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)框圖 機(jī)械工業(yè)出版社 4 無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng) 110 同步發(fā)電機(jī)自動(dòng)控制勵(lì)磁系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)電壓負(fù)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(dòng)勵(lì)磁系統(tǒng)基本原理框圖 機(jī)械工業(yè)出版社 3 晶閘管同步發(fā)電機(jī)自動(dòng)控制勵(lì)磁系統(tǒng) 111 典型的晶閘管自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的框圖如圖7 38所示 它是由測(cè)量 放大 同步 觸發(fā) 反饋 調(diào)差 起勵(lì)及輔助 穩(wěn)定 限制 等單元組成 圖7 38典型的晶閘管自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的框圖 機(jī)械工業(yè)出版社 112 機(jī)械工業(yè)出版社 4 微機(jī)同步發(fā)電機(jī)自動(dòng)控制勵(lì)磁系統(tǒng) 微機(jī) 數(shù)字 式勵(lì)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(jī)型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器是由一臺(tái)專用的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成計(jì)算機(jī)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(jī) 輸入 輸出接口和輸入 輸出過(guò)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(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器框圖 機(jī)械工業(yè)出版社 1 硬件電路 114 機(jī)械工業(yè)出版社 微機(jī)同步發(fā)電機(jī)自動(dòng)控制勵(lì)磁系統(tǒng) 1 主機(jī)由微處理器CPU RAM ROM存儲(chǔ)器等組成 實(shí)現(xiàn)對(duì)勵(lì)磁電流的控制 2 模擬量輸入通道輸入的模擬量主要有測(cè)量出的發(fā)電機(jī)運(yùn)行電壓UG 無(wú)功功率Q 有功功率P和勵(lì)磁電流IE等 3 開(kāi)關(guān)量輸入 輸出通道開(kāi)關(guān)量輸入主要有發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的信息 如斷路器 滅磁開(kāi)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(hào)需經(jīng)中間和末級(jí)放大后 才能觸發(fā)大功率晶閘管控制其輸出電流 115 微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)和限制及控制等功能都是通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)的 微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的軟件流程框圖如圖7 40所示 微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的軟件由主程序和中斷服務(wù)程序兩部分組成 圖7 40微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的軟件流程框圖 機(jī)械工業(yè)出版社 2 軟件結(jié)構(gòu) 116 交流信號(hào)的采樣中斷服務(wù)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(cè)頻中斷服務(wù)子程序 流程圖如圖7 42所示 中斷服務(wù)子程序 圖7 41采樣中斷服務(wù)子程序流程圖 圖7 42觸發(fā)脈沖及電壓測(cè)頻中斷服務(wù)子程序流程圖 機(jī)械工業(yè)出版社 117 機(jī)械工業(yè)出版社 7 4 4無(wú)功功率補(bǔ)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(biāo)之一 由前面的分析可知 無(wú)功功率是影響電壓質(zhì)量的一個(gè)重要因素 可以說(shuō) 電壓?jiǎn)栴}本質(zhì)上就是無(wú)功功率問(wèn)題 因此解決好無(wú)功功率補(bǔ)償問(wèn)題 具有十分重要的意義 118 機(jī)械工業(yè)出版社 1 無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)淖饔?1 減少電力損失一般工廠動(dòng)力配線依據(jù)不同的線路及負(fù)載情況 其電力損耗約2 3 左右 使用無(wú)功功率補(bǔ)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(fù)載總電流及電壓降 提高供電設(shè)備容量的利用率 3 延長(zhǎng)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(kāi)關(guān)等機(jī)器設(shè)備和線路容量負(fù)荷降低 因此可以降低溫升增加壽命 119 7 29 電源提供的無(wú)功功率 包括由發(fā)電機(jī)提供的無(wú)功功率 和無(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)備供應(yīng)的無(wú)功功率 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)等負(fù)荷所需的無(wú)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(wú)功功率損耗 式中 電網(wǎng)中無(wú)功功率電源所發(fā)出無(wú)功功率必須與無(wú)功功率負(fù)荷及無(wú)功功率損耗相平衡 即 機(jī)械工業(yè)出版社 2 電力系統(tǒng)無(wú)功功率平衡與電壓的關(guān)系 120 補(bǔ)償容量不足時(shí)的無(wú)功功率平衡 圖7 43系統(tǒng)負(fù)荷無(wú)功功率一電壓特性 負(fù)荷無(wú)功功率 電壓特性可以用圖7 43所示的二次曲線表示 進(jìn)行系統(tǒng)無(wú)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(wú)功功率 U 機(jī)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(wú)功電源Q同電壓U的關(guān)系如圖7 44中的曲線 所示 負(fù)荷的無(wú)功電壓特性為曲線2 兩者的交點(diǎn)a確定了負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的電壓Ua 圖7 44電力系統(tǒng)和無(wú)功功率電壓的靜態(tài)特性 正常情況下 U Ua Q 曲線2 2 無(wú)功電源不變 U Ua U Q 無(wú)功電源 U Ua 機(jī)械工業(yè)出版社 2 補(bǔ)償容量充足時(shí)的無(wú)功功率平衡 122 機(jī)械工業(yè)出版社 3 無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊话惴椒?1 低壓個(gè)別補(bǔ)償 2 低壓集中補(bǔ)償 3 高壓集中補(bǔ)償 123 機(jī)械工業(yè)出版社 4 電力系統(tǒng)的無(wú)功電源 電力系統(tǒng)的無(wú)功電源除了同步電機(jī)外 還有靜止電容器 靜止無(wú)功補(bǔ)償器以及靜止無(wú)功發(fā)生器 這4種裝置又稱為無(wú)功補(bǔ)償裝置 除電容器外 其余幾種既能吸收容性無(wú)功功率又能吸收感性無(wú)功功率 124 同步電機(jī)中有同步發(fā)電機(jī) 同步電動(dòng)機(jī)和同步調(diào)相機(jī)三種 1 同步發(fā)電機(jī) 同步發(fā)電機(jī)在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí) 可以發(fā)出無(wú)功功率 式中 Q S P 分別是無(wú)功功率 視在功率 有功功率和功率因數(shù)角 7 30 機(jī)械工業(yè)出版社 2 同步調(diào)相機(jī) 同步調(diào)相機(jī)是空載運(yùn)行的同步電機(jī) 可視為不帶有功負(fù)荷的同步發(fā)電機(jī)或是不帶機(jī)械負(fù)荷的同步電動(dòng)機(jī) 1 同步電機(jī) 125 電容器所輸出的無(wú)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(dāng)電容器安裝處節(jié)點(diǎn)電壓下降時(shí) 其所提供給電力系統(tǒng)的無(wú)功功率也將減少 而此時(shí)正是電力系統(tǒng)需要無(wú)功功率電源的時(shí)候 這是其不足之處 機(jī)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(fù)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(jī)械工業(yè)出版社 靜止補(bǔ)償器是一種動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)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T(mén)CR的基本原理圖 3 靜止無(wú)功補(bǔ)償器 SVC 127 晶閘管投切電容器 TSC 是由兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管構(gòu)成靜態(tài)開(kāi)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(jī)結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)原理圖a TSC單機(jī)結(jié)構(gòu)b TSC控制系統(tǒng) 機(jī)械工業(yè)出版社 128 靜止無(wú)功發(fā)生器 SVG 的主體是一個(gè)電壓源型逆變器 通過(guò)對(duì)可關(guān)斷晶閘管進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐〝嗫刂?使其處于容性 感性或零負(fù)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(wú)功發(fā)生器 SVG 的基本結(jié)構(gòu) 機(jī)械工業(yè)出版社 4 靜止無(wú)功發(fā)生器 SVG 129 靜止無(wú)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(wú)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(lái)控制SVG從電網(wǎng)吸收的電流是超前90 或滯后90 機(jī)械工業(yè)出版社 同時(shí)可以控制電流的大小 由 130 機(jī)械工業(yè)出版社 5 無(wú)功功率補(bǔ)償策略 無(wú)功功率補(bǔ)償策略目前可分為三相共補(bǔ)和三相分補(bǔ)兩種 三相共補(bǔ)是根據(jù)三相總的無(wú)功需求來(lái)投切電容器組 電容器接法為三角形 三相共補(bǔ)適用于三相負(fù)載較平衡的場(chǎng)合 三相分補(bǔ)則是根據(jù)每相各自的無(wú)功需求投切電容器組 電容器接法為星形 三相分補(bǔ)用于三相負(fù)載不平衡的場(chǎng)合 把三相共補(bǔ)和三相分補(bǔ)相結(jié)合 便實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償綜合方案 混補(bǔ) 可以用于任何負(fù)載 131 機(jī)械工業(yè)出版社 6 微機(jī)無(wú)功功率補(bǔ)償控制器 靜止無(wú)功補(bǔ)償器 SVC 的控制器是無(wú)功補(bǔ)償裝置的指揮系統(tǒng) 目前一般由單片機(jī) PLC DSP等微機(jī)控制 無(wú)功功率補(bǔ)償控制器有三種采樣方式 功率因數(shù)型 無(wú)功功率型 無(wú)功電流型 采樣方式不同 無(wú)功功率補(bǔ)償控制器不同 主要有功率因數(shù)型控制器和無(wú)功電流 無(wú)功功率 型控制器兩種 132 圖7 49為無(wú)功功率補(bǔ)償原理圖 圖中電壓電流互感器組檢測(cè)出的電壓和電流等參數(shù) 送入檢測(cè)控制器中進(jìn)行計(jì)算 計(jì)算出應(yīng)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(huì)過(guò)補(bǔ)償?shù)慕M合方式 電容器投切一次到位 圖7 49無(wú)功功率補(bǔ)償原理圖 機(jī)械工業(yè)出版社 133 圖7 50為采用DSP組成的靜止無(wú)功補(bǔ)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(bǔ)償電容器投切單元三個(gè)部分組成 圖7 50由DSP組成的靜止無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng) 機(jī)械工業(yè)出版社 134 機(jī)械工業(yè)出版社 7 4 5水輪同步發(fā)電機(jī)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(dān)電力系統(tǒng)中峰荷和備用機(jī)組 水輪同步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)方法可分為準(zhǔn)同步 準(zhǔn)同期 并網(wǎng)和自同步 自同期 并網(wǎng)兩種 一般采用準(zhǔn)同步并網(wǎng)方法將發(fā)電機(jī)組投入運(yùn)行 準(zhǔn)同步并網(wǎng) 設(shè)待并網(wǎng)的發(fā)電機(jī)組G已經(jīng)加上了勵(lì)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(zhǔn)同步并網(wǎng)條件 要求并網(wǎng)發(fā)電機(jī)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(jī)的準(zhǔn)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(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)組G進(jìn)行控制使它符合并網(wǎng)條件 然后發(fā)出QF的合閘信號(hào) 使發(fā)電機(jī)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(dāng)符合準(zhǔn)同步并網(wǎng)條件時(shí) 0 這時(shí)并網(wǎng)時(shí)產(chǎn)生 的沖擊電流為零 對(duì)電網(wǎng)的擾動(dòng)最小 機(jī)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(wú)功沖擊電流 若其他準(zhǔn)同步并網(wǎng)條件滿足 只有并網(wǎng)點(diǎn)兩端電壓的大小不相同 合閘時(shí)產(chǎn)生的沖擊電流的最大值可用下式近似計(jì)算 式中I0max 并網(wǎng)時(shí)沖擊電流最大值 Xd 待并網(wǎng)同步發(fā)電機(jī)的縱軸次暫態(tài)電抗 7 32 一般要求沖擊電流不超過(guò)發(fā)電機(jī)機(jī)端短路電流的0 05 0 1倍 準(zhǔn)同步并網(wǎng)時(shí)偏差電壓US不能超過(guò)額定電壓的5 10 盡量避免無(wú)功沖擊電流 機(jī)械工業(yè)出版社 電壓允許偏差 實(shí)際運(yùn)行中待并發(fā)電機(jī)組除相序必須與電網(wǎng)嚴(yán)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(dāng)相位差 c較小時(shí) 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(shí) 若相位差 c增大 沖擊電流也增大 根據(jù)沖擊電流不超過(guò)發(fā)電機(jī)機(jī)端短路電流的0 1倍的要求 合閘時(shí)相位差一般不超過(guò)10 式中Xq 待并網(wǎng)同步發(fā)電機(jī)的交軸次暫態(tài)電抗 機(jī)械工業(yè)出版社 相位允許偏差 138 發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間的頻率差稱為轉(zhuǎn)差頻率 頻率不相等時(shí) 會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)電流 脈動(dòng)電流將產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩 從而引起剛并入電網(wǎng)的發(fā)電機(jī)軸振動(dòng) 嚴(yán)重時(shí)可能使發(fā)電機(jī)失去同步 要求待并網(wǎng)發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的頻率差不超過(guò)0 1 0 25Hz 機(jī)械工業(yè)出版社 頻率允許偏差 139 為了使待并發(fā)電機(jī)組滿足并網(wǎng)條件 自動(dòng)準(zhǔn)同步裝置一般設(shè)置三個(gè)控制單元 機(jī)械工業(yè)出版社 1 自動(dòng)準(zhǔn)同步裝置的組成 2 自動(dòng)準(zhǔn)同步裝置 2 電壓差控制單元 3 合閘信號(hào)控制單元 1 頻率差控制單元 140 圖7 52為典型自動(dòng)準(zhǔn)同步裝置構(gòu)成框圖 由圖中可見(jiàn)自動(dòng)準(zhǔn)同步裝置主要由頻差控制單元 壓差控制單元 合閘信號(hào)控制單元和電源部分等組成 圖7 52典型自動(dòng)準(zhǔn)同步裝置構(gòu)成框圖 機(jī)械工業(yè)出版社 141 在準(zhǔn)同步并網(wǎng)操作中 合閘信號(hào)控制單元是準(zhǔn)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(hào) 該合閘信號(hào)稱為提前 圖7 53準(zhǔn)同步并網(wǎng)合閘信號(hào)控制的邏輯結(jié)構(gòu)框圖 量信號(hào) 圖7 53為準(zhǔn)同步并網(wǎng)合閘信號(hào)控制的邏輯結(jié)構(gòu)框圖 機(jī)械工業(yè)出版社 142 圖7 54微機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同步裝置構(gòu)成框圖 微機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同步裝置是以微處理器 CPU 為核心的一臺(tái)專用的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 其硬件的基本配置由主機(jī) 輸入 輸出接口和輸入 輸出過(guò)程通道等部件組成 構(gòu)成框圖如圖7 54所示 2 微機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同步裝置 機(jī)械工業(yè)出版社 143 機(jī)械工業(yè)出版社 微機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同步裝置 1 主機(jī)主機(jī)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(jī)并網(wǎng)條件 分別從發(fā)電機(jī)和母線電壓互感器二次側(cè)交流電壓信號(hào)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(jiǎn)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(guò)A D接口電路送入主機(jī) CPU讀得發(fā)電機(jī)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(cè) 機(jī)械工業(yè)出版社 1 交流電壓幅值測(cè)量 145 頻率測(cè)量的基本方法是測(cè)量交流信號(hào)波形的周期T 交流電壓正弦信號(hào)通過(guò)降壓濾波后轉(zhuǎn)換為方波 再經(jīng)二分頻后輸入微機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)接口電路 它的半波時(shí)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(cè)量 機(jī)械工業(yè)出版社 2 頻率測(cè)量 146 相角差 c的測(cè)量方法有幾種 其中一種方法是將交流電壓uM uG信號(hào)轉(zhuǎn)換成同頻 同相的方波后接到異或門(mén)中 當(dāng)兩個(gè)方波輸入電平不同時(shí) 異或門(mén)的輸出為高電平 此電平信號(hào)用于控制可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時(shí)間 其計(jì)數(shù)值與相角差相對(duì)應(yīng) 如圖7 57所示 圖7 57相角 c的測(cè)量 機(jī)械工業(yè)出版社 3 相角差 c的測(cè)量 147 輸出通道輸出的控制信號(hào)有 這些控制信號(hào)可由并行接口電路輸出 經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)繼電器 通過(guò)觸點(diǎn)控制相應(yīng)的電路 機(jī)械工業(yè)出版社 3 輸出通道 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的增速減速信號(hào)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電壓的升壓 降壓信號(hào)并網(wǎng)斷路器合閘脈沖控制信號(hào) 148 機(jī)械工業(yè)出版社 4 人一機(jī)聯(lián)系 人一機(jī)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(yùn)行時(shí) 用于顯示發(fā)電機(jī)并網(wǎng)過(guò)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(yùn)行操作人員監(jiān)視裝置的運(yùn)行提供方便 常用的設(shè)備有鍵盤(pán) 按鈕和CRT顯示器等 149 機(jī)械工業(yè)出版社 7 5小水電站的計(jì)算機(jī)監(jiān)控與SCADA系統(tǒng) 7 5 1小水電站的計(jì)算機(jī)監(jiān)控 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)用于小型水電站的自動(dòng)監(jiān)測(cè) 控制和保護(hù) 可對(duì)水電站實(shí)行遙測(cè) 遙信 遙調(diào)和遙控 使水電站運(yùn)行實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化 實(shí)現(xiàn)少人或無(wú)人值班 提高了電站運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性 可靠性和安全性 小型水電站一般用于滿足本地區(qū)負(fù)荷所需 單機(jī)容量小 機(jī)組事故停機(jī)對(duì)系統(tǒng)的影響較小 此類電站的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)本著安全經(jīng)濟(jì)的原則 根據(jù)小型水電站自動(dòng)化設(shè)計(jì)的特點(diǎn) 尋求適合小型水電