新能源转换与控制技术小水力发电樊

新能源转换与控制技术小水力发电樊机械工业出版社1第一页，共三十七页，2022年，8月28日机械工业出版社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。2第二页，共三十七页，2022年，8月28日水轮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）和输出端电压在规定的范围内。机机械械工工业业出出版社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两者的调节相对独立，相互影响较小。3第三页，共三十七页，2022年，8月28日式中

TS——水轮机的动力转矩（N·m）；TL——发电机阻转矩，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·m2）；ω——机组的角速度（rad/s），机机械械工工业业出出版版社社5.4.1.2

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。1、水轮机调速器的调节原理水轮发电机组的运动方程式可以表示为4第四页，共三十七页，2022年，8月28日为保证电能的频率不变，发电机的转速必须恒定，dω/dt=0。控制水轮机的动力转矩TS时刻跟随着TL的变化，使TS－TL=0，才能维持频率和转速不变。水轮机动力转矩的表达式为因此，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，可达到调节转矩的目的。机机械械工工业业出出版版社社5第五页，共三十七页，2022年，8月28日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。这种调节作用称为频率调节或频率控制。机机械械工工业业出出版版社社2、频率调节6第六页，共三十七页，2022年，8月28日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。机械工业出版社负荷的变动情况分解成几个分量：）变化周期一般小于10s的随机分量，其变化幅度较小。）变化周期在10s～3min之间的脉动分量，其变化幅度比随机分量要大些。）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。图5-14

电力系统负荷瞬时变动情况7第七页，共三十七页，2022年，8月28日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来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。第二种负荷变化引起的频率偏移较大，必须由调频器参与控制和调整．这种调整称为频率的二次调整(AGC)。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(EDC)。机械工业出版社8第八页，共三十七页，2022年，8月28日9机机械械工工业业出出版版社社→E、F下降至E′、F′，→活塞提升，→汽门提升，进汽量增加→转速就会回升。当机组因负荷增加而转速下降时：活塞调节进水阀错油门1）两个重锤开度减小→A降至A′B点降至B′C点尚未移动D点代表有伺服电动机控制的转速整定元件的n

，它不会因DEF转速而变动。活塞第九页，共三十七页，2022年，8月28日10机机械械工工业业出出版版社社2）转速上升后→重锤开度增加→A、B、E、F各点也随之不断改变；这个过程要到C点升到某一位置时，比如C〞，即导叶开大到某一位置时，机组的转速通过重锤的开度使杠杆DEF重新回复到使Ⅱ的活门完全关闭的位置时才会结束，这时B点就回到原来的位置。）由于C〞上升了，所以A〞必定低于A。这说明调速过程结束时，出力增加，转速稍有降低。）调速器是一种有差调节器。活塞第十页，共三十七页，2022年，8月28日机机械械工工业业出出版版社社通过伺服电动机改变D点的位置，就可以实现二次调频。当转速给定装置推动D点向上移动时，由于机组转速和油动机活塞的位置尚未来的及变化，A,B,C,E各点都不会动。这样，D点向上移动，就以E点为轴推动F点向下移动，错油门的油门被打开，压力油进入油动机活塞下腔，使活塞向上移动，引起阀门开度增大，机组转速增加，A点上移,B、C、E点上移，F点上移，直到错油门完全堵住高压油入口，调节过程结束。显然调节过程结束后，发电机组的转速升高了。D’11第十一页，共三十七页，2022年，8月28日机机械械工工业业出出版版社社

发电机组的功率—频率特性与负荷的功率—频率特性曲线的交点就是电力系统频率的稳定运行点。系统在频率稳态为f时:12第十二页，共三十七页，2022年，8月28日机机械械工工业业出出版版社社△f一次调频二次调频13第十三页，共三十七页，2022年，8月28日当电力系统负载↑→系统频率↓→调速器作用→输出功率↑图5-15

同步发电机组功率频率特性机机械械工工业业出出版版社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。3、有功功率调节14第十四页，共三十七页，2022年，8月28日同步发电机组功率-频率特性的斜率称为发电机的频率调差系数，即机机械械工工业业出出版版社社式中

fN、PN分别为频率和功率的额定值；水轮发电机组的K*=（2～4）%。式中

K——频率调差系数；Δf——频率差，对应有功功率ΔP时频率相应的增量（Hz）；ΔP——发电机有功功率增量（MW）；调差系数K的标么值表达式为15第十五页，共三十七页，2022年，8月28日曲线①-1号发电机组的调节特性曲线②-2号发电机组的调节特性系统总负荷为ΣPL，如线段CB的长度所示，系统频率为fN

，1号机组承担的负荷为P1，2号机承担的负荷为P2，于是有：P1十P2=ΣPL。机机械械工工业业出出版社版社图5-16

两台发电机的并联运行当系统负荷增加，经过调速器的调节后，系统频率为f1，1号发电机组的负荷为

P1"，增加了ΔPl；2号发电机组的负荷为P2"，增加了ΔP2，两台发电机组增量之和等于ΔPL。16第十六页，共三十七页，2022年，8月28日由上式可得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。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17第十七页，共三十七页，2022年，8月28日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。图5-17

调节器的静特性图中对应接力器行程(0～100%)的频差相对值，称为永态转差系数bp，即：bp的值可根据要求进行设定机机械械工工业业出出版版社社4、调速器的静特性18第十八页，共三十七页，2022年，8月28日机机械械工工业业出出版版社社5.4.1.3

电子式水轮机调速器的总体结构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电子液压式水轮发电机组调速系统原理示意图19第十九页，共三十七页，2022年，8月28日机械工业出版社5.4.2

同步发电机自动励磁控制系统5.4.2.1小水力同步发电机自动励磁系统的组成及任务小水力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。20第二十页，共三十七页，2022年，8月28日小水力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。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、小水力同步发电机自动控制励磁系统的基本组成21第二十一页，共三十七页，2022年，8月28日机机械械工工业业出出版版社社2、小水力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）水力发电机组要求实现强行减磁22第二十二页，共三十七页，2022年，8月28日图5-30

同步发电机运行时相量图机机械械工工业业出出版版社社（1）电压的调节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。-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）。23第二十三页，共三十七页，2022年，8月28日由图5-30可得和之间的数量关系为：一般很小，可以近似认为cos≈1，于是有机机械械工工业业出出版版社社

由上式可见，在发电机励磁电流不变，即空载感应电动势Eq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。24第二十四页，共三十七页，2022年，8月28日设同步发电机与无穷大电网UM并联，因此发电机端电压不随负荷大小而变，其接线图如图5-31ａ所示，图5-31ｂ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

ａ）接线图ｂ）相量图机机械械工工业业出出版版社社（2）无功功率的调节25第二十五页，共三十七页，2022年，8月28日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ＰG均不变，即式中

C1

——常数。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

δ——同步发电机功率角；C2

——常数。机机械械工工业业出出版版社社26第二十六页，共三十七页，2022年，8月28日由上面两式可见，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，即机机械械工工业业出出版版社社式中，K1、K2为常数。由图5-31ｂ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δ值的大小。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。27第二十七页，共三十七页，2022年，8月28日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。图5-32 并联运行发电机间无功负荷的分配ａ）原理图 ｂ）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28第二十八页，共三十七页，2022年，8月28日当两台以上发电机并联运行时：发电机的端电压都等于母线电压 ，它们发出的无功功率电流

、 之和必须与母线中总无功电流 值相等，即机机械械工工业业出出版版社社结论：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。当母线电压为、无功电流为 时，功电流增大为时，电网电压下降为， 的无功电流增大到 ，且；当电网需要的无，此时 的无功电流增大到，显然

。29第二十九页，共三十七页，2022年，8月28日机机械械工工业业出出版版社社（4）提高电力系统运行的稳定性电力系统的静态稳定和暂态稳定都与励磁调节系统有关。（5）改善电力系统的运行条件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。（6）水力发电机组要求实现强行减磁在机组甩负荷或其他原因造成发电机过电压时，强行减磁。30第三十页，共三十七页，2022年，8月28日机机械械工工业业出出版版社社3、对励磁系统的基本要求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：（1）对励磁调节器的要求时间常数小，能迅速响应输入情况的变化；能够合理分配机组的无功功率；

能迅速反应系统故障，具备强行励磁等控制功能，以提高暂态稳定和改善系统运行条件。31第三十一页，共三十七页，2022年，8月28日机机械械工工业业出出版社版社（2）对励磁功率单元的要求

要求具有足够的可靠性并具有一定的调节容量，以适应电力系统各种运行工况；

具有足够的励磁顶值电压和电压上升速度。励磁顶值电压是在励磁功率单元强行励磁时可能提供的最高电压；励磁电压上升速度是励磁系统快速响应的动态指标。32第三十二页，共三十七页，2022年，8月28日机机械械工工业业出出版版社社5.4.2.2

小水力同步发电机自动控制励磁系统33第三十三页，共