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。
x
Q Q
2、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）
(l
1
k m
1
j Lje
n
1
i Gie
∑∑∑=∑==?+=ke
Q Q Q ； ②
（允许电压）y
U 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）
(l
1
k m
1
j Lje
n
1
i Gie
∑∑∑=∑==?+=ke
Q 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
L
I +
-
FLQ
L
U
d
X
等值电路图
G U
――――――
q E
q I
d
j X I G d
q j X I p I
δ
δ
G
I
向量图
q E
=G U + d j X I G 式中d
X 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q
E
。
COS E q δ=G U +d q X I
δ很小
COS δ≈1，则q
E
=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 X
L
B d X
q q X X X U E I ++-=
X B X L
X 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
2
K A
d
2j X I G B
1K ‘
A
1
q I 2q I
G P =G U G I cos ?=const
q
E
sin δ=d G X I .sin(
90-?)
=d G X I cos ? 两边同乘以G U 得：
δsin ?=
d
G q G X U E P = const 故：
q
E sin δG
G
d U P X =
= const=2K G I cos ?G
G
U P
=
= const=1K
q
E
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
―――－
―――－―――－－
――
――
1
q I *
G U 1F 1
'F 1
M U 1q
I '0
*
q I 1M
U '
*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1
F '
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
.14.010
20
30t(s)
2
1
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 t
K
??
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 =
Le
Le 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。
*G
U 0
G U U *
e q I *
q
I
100(%)0
0?-=
G G U U U δ
0G 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?-=
Ge
Ge
G U U U δ
e 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