页数：28页文件大小：353.7 KB来源： 电力系统自动化ppt课件
本课件从电力系统无功功率控制的必要性入手，说明维持电压水平、提高运行经济性与稳定性的要求，系统讲解励磁系统在控制发电机端电压、合理分配并联机组无功功率、改善静态与暂态稳定性及运行条件等方面的任务。
5.1同步发电机励磁系统的任务
系统无功功率平衡与电压水平
在任意时刻，系统所产生的无功功率与系统中所消耗的无功功率总是平衡的。
问题是在多高的电压下达到平衡的?系统无功负荷(包括无功损耗)静态电压特性如图5.1所示。
系统无功电源所发出的无功功率偏离系统在额定电压下的无功需求越大，系统实际运行电压就偏离额定电压越大，电网电能质量越差，有可能使电网电压超出其允许范围。
控制无功电源所发出的无功功率就可以维持系统电压运行在其允许变化范围之内，保证电网电压正常运行水平。
提高电力系统运行的经济性
维持电力系统运行的稳定性
发电机是电力系统中主要的无功电源，发电机的端口电压是由其励磁调节系统自动控制的。
合理的选用自动励磁调节器，就可以保证发电机的端口电压维持不变，从而提高系统的静态稳定性。
另外，现代发电机都装有高励磁顶值、快速响应的励磁调节系统，可以保证当系统发生故障而使发电机端电压低于(85%~90%)时，能快速而大幅度地增大励磁电流，以迅速提高发电机的端电压，从而有效地改善系统的暂态稳定性。
同步发电机励磁系统的任务
发电机电势平衡方程
为发电机稳态运行时的向量图如图5.3(c)所示，由向量关系可得δ——发电机功角，即Eq与UG的相位差；Iq——发电机定子电流无功分量；Φ——发电机功率因数(亦是负荷功率因数)。
一般δ值很小，可近似认为cosδ=1，由式(5-2)可得IG——发电机定子电流(亦是负荷电流)Xd——发电机直轴电抗
励磁电流与端电压的关系
因发电机的直轴电抗Xd为常数，发电机的端电压UG的大小是由其感应电势Eq及负荷电流无功分量Iq的大小决定的。
Eq和发电机励磁电流IEF成正比,上式说明，当IEF不变时,Iq变化将引起UG变化，即发电机单机带负荷运行时，电压变化主要是由定子电流的无功分量Iq的变化引起的。
上式还说明，如果发电机无功电流Iq不变，改变IEF可以改变Eq，进而可以改变UG或使UG保持恒定.即发电机单机运行时，调节励磁电流可以改变发电机电压。
励磁控制系统示意图
同步发电机的励磁系统=励磁功率单元+励磁调节器同步发电机励磁控制系统示意图
发电机并入系统时的电压调节
（2）当发电机并入电力系统运行时发电机并入电力系统运行时，电力系统的电压水平由系统中无功电源发出的无功功率总和与系统中负荷所消耗的无功功率总和之间的平衡关系决定。
由于单机容量相对电力系统中发电机总容量来说是有限的，因此改变一台发电机的励磁电流对电力系统电压水平的影响就不象单机带负荷运行时对发电机电压的影响那么大。
而且电力系统的容量越大，这种特征越明显。
当电力系统容量无穷大时，系统电压为恒定值。
改变一台发电机的励磁电流对系统的电压水平就一点影响也没有了。
但是，由于电力系统中各节点电压是不相同的，因此，对并入电力系统的发电机电压随励磁电流变化的情况要做具体分折。
下面是发电机经变压器和输电线路并入电力系统的情况：
调节励磁改变无功电流
——变压器漏抗和输电线路电抗归算值(归算到发电机电压等级下)；—电力系统电压和变压器高压侧电压的归算值。
而所以通过调节发电机励磁电流来改变发电机感应电势Eq,可以改变发电机输出的无功电流Iq，从而调节发电机端电压Ux和变压器高压侧电压UB，或维持它们在给定的范围内.如发电机直接接入无穷大电力系统，即XB=0，XL=0，则发电机端电压等于系统电压，并随系统电压的变化而变化，此时发电机励磁调节系统不再有调节发电机端电压的作用。
励磁调节作用与系统容量
由以上分析可知：结论:同步发电机励磁控制系统对发电机端电压的调节控制作用是与接入系统容量的大小有关，其接入系统容量越大，对发电机端电压的调节控制作用就越小；其接入系统容量越小，对发电机端电压的调节控制作用就越大，通常在由一台发电机供电的小系统中，仅靠发电机的励磁控制系统对发电机端电压的调节作用，就能满足系统对电压质量的要求。
注意：真正无穷大系统是不存在的，只是发电机端电压受励磁电流的影响较小罢了。
合理分配并联无功功率
发电机无功功率控制原理
(1)发电机无功功率的控制原理其接线图与相量图如图5.5所示，因系统为无穷大，系统电压UX恒定不变，发电机端电压UG亦恒定不变，另外在调整发电机无功功率时不会引起发电机有功功率的改变，即发电机输出的有功功率PG为一常数。
在忽略发电机定子损耗及凸极效应时，发电机输出的有功功率为以同步发电机接于无穷大电力系统为例说明发电机无功功率的控制原理。
得出：
励磁电流增加时的相量变化
发电机输出电流IG在横轴上的分量是不变的，IG的端点在相量图中只能沿虚线移动.当励磁电流由IEF1增加IEF2时，发电机的各运行参数将由下角标为“1”的量变为下角标为“2”的量，从相量图中可以看出，当励磁电流增加时，发电机输出电流IG的无功分量IGsinΦ是增加的，故发电机发出的无功功率亦是增加的.同理，当发电机的励磁电流IG减小时，发电机发出的无功功率就减少。
以上分析说明：当发电机接于无穷大系统时，通过调节发电机励磁电流的大小就可以控制发电机输出的无功功率的大小，这就是发电机无功功率调节控制原理。
由上可知：当调节发电机的励磁电流时，发电机感应电势Eq在纵轴上的分量是不变的，Eq的端点在相量图中只能沿虚线AA’移动；
实际系统无功功率的影响因素
在实际运行中，与发电机并联的电力系统并不是真正意义上的无穷大系统，系统电压UG将随系统负荷的变化而变化。
发电机输出的无功功率不仅与发电机的励磁电流IEF有关，还与发电机的端电压UG(即系统电压UX)有关，并且也影响与之并联运行机组输出的无功功率。
同步发电机的励磁自动控制系统还承担着并联运行机组间无功功率合理分配的任务。
并联发电机无功功率分配
(2)合理分配并联运行发电机间的无功功率。
当多台同步发电机接于同一母线并联运行时，系统所取用的无功功率由这多台发电机共同承担。
根据负荷变化的需要，当系统所取用的无功功率发生变化时，并联运行的各发电机输出的无功功率是如何分配的呢？下面以两台发电机并联运行为例，分析无功功率的分配情况。
无功电流分配与外特性
如图5.6(a)所示，UM为母线电压，Iq1、Iq2分别为发电机G1、G2输出的无功电流，Iq为系统所取用的无功电流，二者之间的关系如下：并联运行的各发电机间无功电流的分配取决于各发电机的外特性，如图5.6(b)所示。
当母线电压为UM1时，发电机G1所发出的无功电流为Iq1，G2所发出的无功电流为Iq2，并有Iq1>Iq2。
当电网的无功负荷增加时，即系统取用的无功电流增加，则要求发电机输出的无功电流也要相应地增加。
由于发电机G1、G2都有下倾的外特性，所以母线电压必然相应地下降。
假设母线电压由UM1下降到UM2，发电机G1的无功电流将增至Iq1’，G2的无功电流将增至Iq2’。
从图中可看出：由于两台发电机的外特性不同，造成它们无功电流的变化亦不相同，即，改变了负荷增加前两台发电机无功电流分配的比例。
外特性斜率相差越大，其改变程度也越大。
按比例分配无功电流
在实际运行中，为了合理利用发电机组的容量，希望各台发电机应按照其额定容量的大小成比例的分配其输出的无功电流。
从以上分析可以看出，只要并联发电机的特性完全一致时（为发电机无功电流与其无功电流额定值的比值)，才能使无功电流在并联机组间进行合理的分配。
将并联运行且容量不同的发电机组直接做成相同的特性是不可能的。
在发电机自动励磁调节系统中有一个形成发电机外特性的环节—----调差环节，通过它可以改变发电机的外特性，很容易地做到使并联运行发电机组的外特性都一致，从而达到并联机组间无功负荷合理分配的目的。
电力系统运行的稳定性
对静态稳定性的影响
。
仍以图5.5为例，发电机直接并联于无穷大系统。
当忽略发电机定子损耗及凸极效应时，发电机的输出功率为上式说明，对应于某一固定感应电势值时，发电机输出功率是功角的正弦函数，如图5.7所示，称为同步发电机的功角特性。
当功角时发电机输出功率为最大值，该值称为发电机的极限功率。
其大小为从理论上讲，只要系统所取用的有功功率，发电机的功角，其运行是静态稳定的。
否则，发电机就不能稳定运行。
从以上分析可知发电机运行的功角δ愈小，其抗干扰能力愈强，运行的静态稳定性愈好。
另一方面，功角δ愈小发电机输出功率亦越小，发电机的容量不能得到充分利用。
在实际运行时，既要考虑充分发挥发电机效力，又要考虑因系统干扰造成发电机运行不稳定，通常是让发电机运行在功角。
图5.7同步发电机的功角特性
增加励磁减小功角
从图5.5(b)发电机稳态运行相量图中可看出，当发电机发出的有功功率PG不变时，通过增加发电机的励磁电流IEF，即增大发电机的感应电势Eq，可使发电机的功角δ减小，从而提高发电机运行的稳定性。
另一方面，当系统有功负荷增加时，发电机输出的有功功率亦应随之增加，此时，增加发电机的励磁电流IEF，可使发电机的功角δ维持不变，从而保证发电机的稳定运行。
从发电机的功角特性曲线上分析可得到相同的结论，如当系统电压UG不变时，提高发电机的励磁电流IEF，即增大发电机的感应电势Eq，可使发电机的功角特性曲线上移，在相同的功角下，使发电机输出的有功功率增大，从而可保证发电机运行的稳定性。
对暂态稳定性的影响
。
当系统正常运行时，发电机工作在a点，发电机输出的有功功率为PG=P1(P1为系统取用的有功功率)。
当系统中某点发生故障时，阻断了发电机与系统之间的部分联系(影响程度与故障点至发电机的电气距离有关)，系统取用功率由P1急剧减小，从而使发电机的输出功率PG急剧减小，其运行点突变到曲线2的b点，发电机的输入功率由于惯性而不会突变减小，造成发电机的输入功率大于输出功率，其输入转矩大于发电机的电磁转矩，使发电机转子加速，发电机的运行点由b点沿曲线2向c点移动，其功角δ不断增大。
当故障切除后，发电机运行到曲线3上的d点。
如果在故障时快速提高励磁电流，即增加发电机的感应电势，使发电机故障时的功角特性曲线2的幅值增加，从而使发电机在故障时的输出功率相对较大，降低转子加速程度，提高发电机的暂态稳定性。
提高同步发电机的强励能力，即提高励磁顶值电压和励磁电压的上升速度，是提高电力系统暂态稳定性的最经济、最有效的手段之一。
同步发电机暂态功角特性曲线如图5.8所示，曲线1对应于正常运行时的状态；曲线2对应于故障时的运行状态；曲线3对应于故障切除后的运行状态。
改善电力系统的运行条件
为发电机异步运行创造条件
防止水轮发电机过电压
水轮发电机在因系统故障被切除或突然甩负荷时，一方面由于水轮发电机组的机械转动惯量很大，另一方面为了引水管道的安全，不能迅速关闭水轮机的导水叶，致使发电机的转速急剧上升。
如果不采取措施迅速降低发电机的励磁电流，则发电机感应电势有可能升高到危及定子绕组绝缘的程度。
因此要求励磁自动控制系统能实现强行减磁功能.
对励磁调节器的要求
励磁调节器的其余要求
对励磁功率单元的要求
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